增湿作用下重塑黄土水-热迁移及强度规律研究

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近年来,随着国家“一带一路”战略的逐步推进,西部黄土地区的开发和基础设备建设必将达到一个新高度,尤其是湿陷性黄土地区。而黄土地区的公路、铁路、市政、水利等工程设施均修筑于浅层非饱和黄土中,一旦发生浸水等情况,势必会导致黄土强度大幅度的骤降及变形大幅度的突增,进而危及工程建设安全。为防止因湿陷性黄土浸水湿陷危及上部建筑物,实际工程中常常采用浸水预湿法来处理黄土湿陷性,虽然能够大致消除湿陷性危害,但仍然存在诸多问题急需解决。基于上述情况,本文提出了一种新型黄土增湿方法—高温高压水蒸汽增湿法,并以兰州地区重塑黄土为研究对象,从增湿作用下土中水-热运移与土体强度变化的角度出发,进行不同蒸汽压力下重塑黄土高温高压水蒸汽柱状增湿试验,研究在高温高压水蒸汽增湿作用下,土体中温度场、水分场的变化规律和终态分布情况。并针对经增湿处理后对土体强度的影响,进行含湿黄土直剪试验,分析在不同蒸汽压力增湿作用下重塑黄土强度的变化规律。本论文研究取得的主要结论:采用高温高压水蒸汽柱状方式对土体进行增湿时,水蒸汽和温度在空间上的扩散范围近似于一个圆台(体)。同一深度层面上,沿径向随着水蒸汽运移距离的增大,蒸汽运移速率逐渐减小,土体含水率和温度迁移速率逐渐降低。而且由于下部通气孔的蒸汽压力较上部而言偏大,沿深度方向,增湿影响的范围越来越大,同时随着注入扩散柱内的蒸汽压力增大,同一深度层面上受增湿影响的范围越来越大,且中心最优含水率范围也逐步增大。在0.05MPa(或0.1MPa)蒸汽的增湿过程中,每一时刻对应一个增湿范围,虽然延长通气时间,能够使土体内增湿的范围和增湿程度有所增大,其单位时间受蒸汽增湿影响增大的范围呈先增大后减小的趋势,建议将增湿时间控制在9h范围内。经高温高压水蒸汽增湿后,不同位置处土体的温度和含水率均发生不同程度的改变,但土体抗剪强度降低受温度影响较小,主要由含水率的增大所造成的。距通气点的距离越近,增湿后含水率越高,对应的土体抗剪强度越低。同时当注入扩散柱内的蒸汽压力增大时,距通气点较近处土体抗剪强度下降的程度比远处下降的程度更大。其次,运用库伦公式对土体抗剪强度进行拟合发现,经蒸汽增湿处理后,主要降低了土体的粘聚力,对内摩擦角几乎未产生影响。综上所述,水蒸汽增湿法作为土体增湿的新技术与新方法,与传统的土体增湿方法相比,具有增湿时间和范围可控,均匀性好、增湿的土体土性相同等优点,若高能强夯法相结合,势必会在大厚度湿陷性黄土地区地基处理中有着广泛的应用前景。
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