高分子吸水材料作用下盐渍土路基水分迁移机理研究

作     者：杨若辰 

作者单位：青海大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张吾渝;孙晓辉

授予年度：2023年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：高分子吸水材料 吸水纤维 PVA材料 非饱和盐渍土 水分迁移 数值模拟 

摘      要：道路工程中,路基中水分侵入与聚集是工程事故产生的重要原因。其中盐渍土路基因其含盐、多相等特性在水分、盐分作用下,往往出现比一般路基更严重的软化、变形等病害,给道路维护造成重大经济负担。故有效控制并及时移除盐渍土路基中不同来源聚集的水分对工程质量的保障具有重要意义。为控制并主动移除盐渍土路基中水分,本研究以青海省海东地区硫酸盐渍土为研究对象,提出利用具有毛细导水功能的高分子吸水材料对盐渍土路基进行处理的方法,综合阐释高分子吸水材料作用下盐渍土路基水分迁移机理。通过室内试验研究不同吸水材料的吸水、持水性能及微观结构;通过无荷载条件下模型试验研究吸水材料种类、土体初始含水率、环境温湿度等因素对于吸水材料迁移并移除盐渍土路基中水分及盐分的影响;通过循环荷载条件下模型试验研究不同吸水材料在循环荷载条件下对盐渍土路基水盐迁移及移除的影响,分析了吸水材料作用下盐渍土路基孔隙水压力变化及永久变形;基于试验结果分析了吸水材料作用于路基土体的水分迁移过程,并通过COMSOL Multiphysics软件建立数值计算模型,验证了分析的合理性。通过以上研究主要得出以下结果:(1)在吸水材料水力性质及微观结构研究中,涤纶纤维比尼龙纤维具有更优的吸水性、抗盐性及耐久性。PVA(polyvinyl alcohol,聚乙烯醇)材料在蒸馏水中吸水饱和后吸水倍率可达20倍以上,同时表现出对盐分的低敏感性及较强的耐久性。涤纶纤维比尼龙纤维拥有更强的保水及运输水分的能力。涤纶纤维比尼龙纤维拥有更细且更丰富的毛细通道,为其提升水分运移能力和减少盐分附着提供了保障。PVA材料内部具有立体网状孔隙结构,使其具有较强的吸水能力;(2)在无荷载条件下吸水材料作用于盐渍土水盐迁移研究中,涤纶纤维及尼龙纤维在土体非饱和条件下均可有效迁移并移除土体中的水分及盐分,涤纶纤维具有更优水盐移除效果。盐渍土水盐移除量与到纤维的竖向距离呈负相关,水盐迁移呈现明显的对应关系。当PVA材料与涤纶纤维联合组成吸水毯(PVA—涤纶纤维复合体)时,对盐渍土的水盐移除效果相较于涤纶纤维得到进一步提升。在盐渍土初始含水率下降至接近土体最优含水率20.5%附近时,吸水毯仍可发挥功效。土体内部吸力与大气产生的吸力差是吸水毯可主动移除盐渍土水分及盐分的重要原因,环境温湿度是影响吸水毯作用效果的重要因素;(3)在循环荷载条件下吸水材料作用于盐渍土水盐迁移研究中,相较于无荷载条件,涤纶纤维和吸水毯可利用循环荷载产生的应力加速迁移并排出盐渍土中的水分及盐分,并可及时消散土体产生的超静孔隙水压力,减小盐渍土试样永久变形。由于PVA材料的存在,吸水毯相较于涤纶纤维在循环荷载条件下具有更优的水盐移除、孔压消散及减小试样永久变形的效果。(4)在吸水材料作用机理及数值模拟验证中,吸水材料作用于土体时,土体中水分迁移过程可以分为三个阶段,分别为水分从土体迁移到材料,通过材料向外迁移以及从材料进入大气。不同介质间的压力差是水分迁移的主要驱动力。根据分析过程,通过COMSOL Multiphysics软件建立模型,计算结果与试验结果具有较高的吻合度,验证了分析的合理性。