[发明专利]基于湿度平衡的公路膨胀土路基变形预估方法

说明书

本发明提供的一种基于湿度平衡的公路膨胀土路基变形预估方法，通过巧妙的设计，1)建立膨胀土路基湿度变化的二维有限元数值分析模型；2)采用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,既可考虑路堤不同横断面型式以及地下水位，又可考虑路堤中湿度均随时间和空间变化规律；3)本发明提出的膨胀系数可考虑土样的初始含水率和初始干密度；4)本发明提出湿胀变形量公式,可以考虑路基的初始应力状态和最终应力状态，更符合路基的实际工作状态。

技术领域

本发明涉及基于湿度平衡的公路膨胀土路基变形预估方法。

背景技术

在膨胀土地区修筑公路，由于环保和节约土地的需要，往往采用封闭包盖法等物理处治措施，以中、弱膨胀土作为填料填筑路堤。然而，由于膨胀土天然含水率高，难以压实且水稳性差，用膨胀土填筑的路堤易发生运营期增湿膨胀、密度降低、承载力下降，导致膨胀土填筑路堤隆起或开裂以及路面的早期破坏。因而，掌握运营期膨胀土填筑路堤的湿度变化规律，正确预估膨胀土路基变形，对于物理处治膨胀土路堤的设计和施工具有重要的意义。

国内外学者对路堤湿度变化及其影响因素、膨胀土的胀缩变形的计算方法做过一些研究，然而，学者们提出的路基平衡含水率评价方法主要考虑了气候条件和土性对平衡湿度的影响，对路堤横断面型式以及地下常水位的影响考虑不足。膨胀土路堤湿度平衡过程的主要影响因素包括大气降水、地表径流、毛细水上升、大气蒸发作用、路堤横断面型式等，湿度预估应结合路基的断面型式以及地下常水位的赋存情况，然而，目前广泛应用平衡湿度预估方法却对此无能为力。膨胀土路堤湿度平衡过程是多相、多场耦合的结果，处于不断发展和完善阶段的非饱和土力学和多场耦合理论为探索膨胀土路基湿度平衡这一复杂和重要的科学技术问题提供了有效的方法。

关于膨胀土路基变形的计算方法，很多学者做出了不懈的努力，现有文献中提出的计算方法，要么未考虑湿度变化导致的应力变化对路基变形的影响，物理意义不明确；要么未考虑路基中湿度场随时间、空间的变化规律，与实际不符。

发明内容

针对上述背景内容中提出的实质性缺陷和不足，本发明提供一种基于湿度平衡的公路膨胀土路基变形预估方法，问题主要需要解决背景技术中所指出的两个方面的问题：(1)使用年限内湿度场的变化规律；(2)公路膨胀土路基变形的预估。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于湿度平衡的公路膨胀土路基变形预估方法，

首先建立膨胀土路基湿度变化的二维有限元数值分析模型，采用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。

在上述技术方案中，作为优选的情况，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)