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基于实验与模拟的机场碎石土渗透特性及高填方边坡变形研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代交通体系中,机场作为重要的交通枢纽,其建设质量直接关系到航空运输的安全与效率。机场碎石土作为一种广泛应用于机场道面破碎石层的填料,因其具有密度大、强度高以及排水性能良好等物理力学特性,在保障机场道面的稳定性与耐久性方面发挥着关键作用。通过有效降低机场路面的地基沉降和渗水压力,机场碎石土能够延长机场道面的使用寿命,为飞机的安全起降提供坚实基础。

碎石高填方边坡是机场道面工程中常见的边坡形式,由于其结构简单、施工便捷,在各类机场道路工程建设中被大量采用。然而,在长期的使用过程中,碎石高填方边坡面临着诸多挑战。其中,水分入渗是最为突出的问题之一,它会导致边坡土体的物理力学性质发生改变,进而引发边坡变形、稳定性下降等问题,严重威胁到机场的安全运营。若边坡因渗透变形而发生滑坡或坍塌,不仅会影响机场的正常运行,造成巨大的经济损失,还可能对人员生命安全构成严重威胁。

因此,深入研究机场碎石土的渗透特性以及碎石高填方边坡的渗透变形规律,具有重要的现实意义。一方面,通过对机场碎石土渗透特性的研究,可以为机场道面的设计与施工提供更为准确的参数依据,优化道面结构设计,提高道面的抗渗性能和承载能力,从而延长道面的使用寿命,降低维护成本。另一方面,对碎石高填方边坡渗透变形的研究,有助于揭示边坡在水分入渗作用下的变形机制,为边坡的稳定性评估和防护措施的制定提供科学指导,有效预防边坡失稳事故的发生,保障机场的安全运营。此外,相关研究成果还能为类似工程的设计、施工和维护提供有益的参考和借鉴,推动整个交通基础设施建设领域的技术进步。

1.2国内外研究现状

在碎石土渗透特性实验研究方面,国外学者起步较早,开展了大量基础研究工作。早期研究主要聚焦于单一因素对渗透系数的影响,如孔隙比、颗粒级配等。随着研究的深入,逐渐考虑多因素耦合作用,通过先进的实验设备和技术,对碎石土在复杂应力条件下的渗透特性进行研究,揭示了一些内在规律。例如,利用高精度的三轴渗透仪,研究不同围压和孔隙水压力下碎石土的渗透特性变化。国内学者在借鉴国外研究成果的基础上,结合国内工程实际需求,对碎石土渗透特性进行了广泛研究。不仅对影响渗透特性的因素进行了全面分析,还针对不同工程场景下的碎石土,如公路路基、水利工程中的碎石土,开展了针对性实验研究。同时,在实验方法和设备改进方面也取得了一定成果,提高了实验数据的准确性和可靠性。

对于高填方边坡渗透变形数值模拟,国外在数值模拟技术和理论方面一直处于领先地位。不断开发和完善各种数值模拟软件,如FLAC、PLAXIS等,能够模拟复杂的边坡工程问题,考虑土体的非线性本构关系、渗流-应力耦合作用等。通过数值模拟,对高填方边坡在不同工况下的渗透变形进行预测和分析,为工程设计和施工提供科学依据。国内在这方面的研究发展迅速,大量运用先进的数值模拟方法,结合实际工程案例,对高填方边坡的渗透变形进行深入研究。不仅验证和完善了数值模拟理论和方法,还在实际工程应用中取得了显著成效,为解决工程实际问题提供了有力支持。

尽管国内外在碎石土渗透特性实验及高填方边坡渗透变形数值模拟方面取得了丰富成果,但仍存在一些不足。在碎石土渗透特性实验研究中,对于复杂应力路径下碎石土的渗透特性研究还不够深入,缺乏系统性和全面性。实验条件与实际工程工况存在一定差异,导致实验结果在实际工程中的应用存在局限性。在高填方边坡渗透变形数值模拟方面,土体本构模型的选择和参数确定仍然存在主观性,影响模拟结果的准确性。对于复杂地质条件和边界条件下的高填方边坡渗透变形模拟,还需要进一步完善数值模拟方法和技术。

1.3研究内容与方法

本研究主要包括机场碎石土渗透特性实验研究以及碎石高填方边坡渗透变形数值模拟两大部分。

在机场碎石土渗透特性实验研究中,首先进行实验材料的准备,选取具有代表性的机场碎石土,对其基本物理力学性质进行测试,包括颗粒级配、密度、含水量等。接着开展实验装置的搭建,采用先进的恒压恒流渗透装置,确保实验过程中能够准确控制水力条件。然后进行实验方案设计,通过改变压实度、孔隙比等因素,研究其对机场碎石土渗透系数的影响规律。在实验过程中,严格按照实验操作规程进行操作,实时监测和记录相关数据,如渗透流量、水位变化等。最后对实验数据进行整理和分析,运用统计学方法和相关理论,揭示机场碎石土渗透特性的内在规律。

对于碎石高填方边坡渗透变形数值模拟,首先根据实际工程情况,建立合理的边坡数值模型,包括确定边坡的几何形状、边界条件、材料参数等。选用合适的数值模拟软件,如FLAC3D,利用其强大的计算功能和丰富的本构模型库,对边坡在不同工况下的渗透变形进行模拟分析。在模拟过程中,考虑渗流-应力耦合作用,分析水分入

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