[发明专利]基于湿度平衡的公路膨胀土路基变形预估方法

权利要求书

1.一种基于湿度平衡的公路膨胀土路基变形预估方法，其特征在于，建立膨胀土路基湿度变化的二维有限元数值分析模型，进而提出非饱和土的湿热耦合计算方法，预测包边膨胀土路堤在设计使用年限内湿度场的变化规律，其中：非饱和土的水热耦合的控制方程为：

式中，ρ_w为水的密度；D_v为水蒸气的扩散系数；P_v为水蒸气压力；k_x和k_y分别为x和y方向的渗透系数；Ψ为基质吸力的函数；y为位置水头；Q_w为边界流量；θ_w为路基湿度；g为重力加速度；L_v为水的蒸发潜热，取2.418×10⁶J/kg；ξ为土的体积热容；λ_x和λ_y分别为x和y方向土的导热系数；W_t为边界热量；T为绝对温度；R为通用气体常数，取8.31432J/molK；W_v为水分子重量；P_vs为饱和蒸气压；

膨胀土路基的湿胀变形计算模型为：

式中，δ为膨胀土路基的湿胀变形量；n为土层数；

式中，Δz_i为第i层土的膨胀变形量；β_i为第i层土的膨胀系数；z_i为第i层土层的初始厚度；e_oi为第i层土层的初始孔隙比；σ′_sc为第i层土层的初始应力状态，σ′_sc＝σ_yi-u_wi，σ_yi为第i层土层的上覆压力，u_wi为第i层土层的初始孔隙水压力；σ′_f为第i层土层的最终应力状态，σ′_f＝σ_yi-u_wfi，u_wfi为第i层土层的最终孔隙水压力。

2.根据权利要求1所述的一种基于湿度平衡的公路膨胀土路基变形预估方法，其特征在于，在利用水热耦合控制方程进行路基水分运移计算时，必须给定计算模型的流量边界条件和温度边界条件，水流量边界条件由降雨量和蒸发量确定：

Q_w＝q-E_v (4)

式中，q为降雨量，采用气象部门提供的实测数据；E_v为路基边坡表面土体的实际蒸发量，E_v采用Penman-Wilson公式进行计算：

式中，Γ为饱和蒸气压和温度关系曲线的斜率；N为土体表面的净辐射量；η为湿度常数，取66Pa/K；v_w为风速；RH_a和RH_r(Ψ)分别为空气相对湿度和地表相对湿度；

土体和大气间的热量交换发生在土壤表面，因此地表土温度可作为计算模型的温度边界条件，路堤表土温度用Wilson提出的公式计算：

式中，T_s为土体表面温度；T_a为空气温度。