西部干旱半干旱地区公路路基湿度场演变规律研究
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摘要
集中降雨期路基湿度场状态是正确评价路基强度和承载能力，以及合理选取设计参数进行路面结构设计的重要依据。通过现场调研、数值模拟试验、相似物理模型试验、理论分析与现场实测相结合的研究方法，系统研究了压实度、初始湿度、路面覆盖层、降雨条件、地下水位等因素影响下西部干旱半干旱地区公路路基湿度场演变的一般性规律，建立了路基湿度特征值预估模型，在此基础上针对西部干旱半干旱地区高等级公路，提出了给定工况状态下路基湿度场最不利分布状态的确定方法。主要研究工作及结论如下：
（1）通过数值试验和相似物理模型试验与分析，揭示了压实度影响路基湿度场演变一般性规律。结果表明：随着压实度增大，路基湿度扰动区湿度值和层位水平距离呈线性递减，且扰动前区范围减小，湿度梯度增大；采用组合压实度的路基，上区压实度较大时，水分向下迁移困难，造成下区湿度增量减小。
（2）通过数值试验与分析，揭示了初始湿度影响路基湿度场演变的一般性规律。结果表明：坡表湿度受初始湿度影响甚微，除坡表之外路基湿度值及扰动区范围随着初始湿度呈线性增长；扰动前区湿度梯度随着初始湿度呈指数曲线逐渐减小。
（3）通过数值试验与分析，揭示了路面覆盖层影响路基湿度场演变的一般性规律。结果表明：路面透水后，随降雨时间的推移，湿度扰动区水平和竖向扩展距离呈线性增长，扰动前区湿度梯度呈二次曲线变化规律。
（4）通过数值试验与分析，揭示了降雨条件影响路基湿度场演变一般性规律。结果表明：降雨湿度扰动区各水平层位的路基湿度呈二项式分布；坡表湿度随降雨强度及降雨历时呈对数增长；湿度扰动区随降雨强度呈对数扩大渐至稳定，稳定后对应的雨强值出现滞后效应；降雨历时越长，扰动区范围受降雨雨强影响越微小；间歇时间对于降雨扰动后区以及非降雨扰动区路基湿度和范围影响甚微，而扰动前区湿度随着间歇时间的增加而微幅减少，雨强愈大间歇降雨湿度场分布状态与连续降雨越接近。
（5）通过数值试验与分析，揭示了地下水位影响路基湿度场演变的一般性规律。结果表明：除坡表之外，降雨扰动区湿度随着地下水位高度增加而增大，但层位越高增幅越微弱；各路基层位降雨湿度扰动区距离随着地下水位线提高呈二次曲线变化；一定工况对应存在一个平衡地下水位，在其之上，随地下水位的降低降雨扰动区的路基湿度增幅呈对数递减，地下水上侵扰动区的路基湿度梯度呈线性递减。
（6）通过数值试验与现场试验分析相结合，对西部干旱半干旱地区路基湿度场分布状态进行研究。结果表明：扰动区扩展当路面不透水时受降雨历时和初始湿度影响显著，当路面透水后受降雨强度和地下水位影响显著；地下水上侵湿度扰动区的扩展受初始湿度和地下水位影响显著；基于BP神经网络建立了湿度特征值预估模型，在此基础上针对西部干旱半干旱地区，提出了一种基于降雨重现期的公路路基湿度场最不利分布状态确定方法。
The state of subgraded humidity field in concentrated rainfall period is a very importantbasis for correct evaluaion of subgrade strength and bearing capacity，and for reasonableselection of pavement structure design parameters. The general evolution rules of subgradehumidity field in western arid and semi arid regions influenced by compaction degree，initialhumidity，pavement layer rainfall，and groundwater level were studied systematically byfield investigation，numerical simulation，similar physical model experiment，theoreticalanalysis and field measurement. A prediction model of humidity characteristic value wasestablished based on witch a determination method to the most unfavorable distribution ofsugrade humidity field in a given condition was proposed in the light of high grade highwayin western arid and semi arid regions. The main contents and conclusions are as follows：
（1）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by compactiondegree were revealed by numerical test and similar physical model experiment and analysis.The results show that humidity values and horizon distances gradually diminish withincreasing of compaction degree in subgrade humidity disturbance，and front disturbancearea reduce with increasing of humidity gradients；as sugrade using compaction degreecombination the humidity increment of lower disturbance diminish when compaction degreeof upper disturbance is larger because of water downward migration difficulties.
（2）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by initialhumidity were revealed by numerical test and analysis. The results show that influences ofslope surface moisture affected by initial humidity are very slight outside that sugradehumidity and disturbance area show linear growth with increasing of initial humidity；humidity gradients of front disturbance area show exponential gradual decreasing withincreasing of initial humidity.
（3）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by pavementlayer were revealed by numerical test and analysis. The results show that horizontal andvertical expansion distances of humidity disturbance show linear increasing along withrainfall time with permeable pavement，at the same time，humidity gradients of frontdisturbance area show binomial variation.
（4）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by rainfall wererevealed by numerical test and analysis. The results show that sugrade humidity at everyhorizon positions show binomial distribution in rainfall humidity disturbance；humidity ofslope surface logarithmic grow with increasing of rainfall strength and duration；humidity disturbance expand in logarithmic form to stable，and hysteresis effect of rainfall strengthemerge corresponding to stable state；influences of disturbance areas affected by rainfallstrength become smaller with rainfall duration becoming longer；Influences that sugradehumidity and range of rainfall back disturbance area and non-disturbance area influenced byinterval time are every slight，however，humidity of front disturbance slightly reduce withincreasing of interval time，and humidity distribution of intermittent rainfall become morecloser to it of continuous rainfall with increasing of rainfall strength.
（5）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by groundwaterlevel were revealed by numerical test and analysis. The results show that rainfall disturbancehumidity outside slope surface enlarge with increasing of groundwater level，but theamplitude trend to weak with horizon high；certain conditions will correspond to a balancegroundwater level above witch subgrade humidity amplitude of rainfall disturbance showlogarithmic decreasing with dropping of groundwater level，at the same time，subgradehumidity gradients of groundwater intrusion disturbance show linear decreasing.
（6）The subgrade humidity field distributions in western arid and semi arid regionswere revealed by numerical and field test and analysis. The results show that it is verysignificant that rainfall strength and groundwater level influence disturbance areas extensionwith impermeable pavement，however，with permeable pavement what significantlyinfluencing disturbance areas extension are initial humidity and groundwater level；it is verysignificant that initial humidity and groundwater level influence groundwater intrusiondisturbance extension；a prediction model of humidity characteristic value was establishedusing BP neural network，based on witch a determination method to the most unfavorabledistribution of sugrade humidity field in a given condition，considering rainfall returnperiod，was proposed in the light of high grade highway in western arid and semi aridregions.
（1）通过数值试验和相似物理模型试验与分析，揭示了压实度影响路基湿度场演变一般性规律。结果表明：随着压实度增大，路基湿度扰动区湿度值和层位水平距离呈线性递减，且扰动前区范围减小，湿度梯度增大；采用组合压实度的路基，上区压实度较大时，水分向下迁移困难，造成下区湿度增量减小。
（2）通过数值试验与分析，揭示了初始湿度影响路基湿度场演变的一般性规律。结果表明：坡表湿度受初始湿度影响甚微，除坡表之外路基湿度值及扰动区范围随着初始湿度呈线性增长；扰动前区湿度梯度随着初始湿度呈指数曲线逐渐减小。
（3）通过数值试验与分析，揭示了路面覆盖层影响路基湿度场演变的一般性规律。结果表明：路面透水后，随降雨时间的推移，湿度扰动区水平和竖向扩展距离呈线性增长，扰动前区湿度梯度呈二次曲线变化规律。
（4）通过数值试验与分析，揭示了降雨条件影响路基湿度场演变一般性规律。结果表明：降雨湿度扰动区各水平层位的路基湿度呈二项式分布；坡表湿度随降雨强度及降雨历时呈对数增长；湿度扰动区随降雨强度呈对数扩大渐至稳定，稳定后对应的雨强值出现滞后效应；降雨历时越长，扰动区范围受降雨雨强影响越微小；间歇时间对于降雨扰动后区以及非降雨扰动区路基湿度和范围影响甚微，而扰动前区湿度随着间歇时间的增加而微幅减少，雨强愈大间歇降雨湿度场分布状态与连续降雨越接近。
（5）通过数值试验与分析，揭示了地下水位影响路基湿度场演变的一般性规律。结果表明：除坡表之外，降雨扰动区湿度随着地下水位高度增加而增大，但层位越高增幅越微弱；各路基层位降雨湿度扰动区距离随着地下水位线提高呈二次曲线变化；一定工况对应存在一个平衡地下水位，在其之上，随地下水位的降低降雨扰动区的路基湿度增幅呈对数递减，地下水上侵扰动区的路基湿度梯度呈线性递减。
（6）通过数值试验与现场试验分析相结合，对西部干旱半干旱地区路基湿度场分布状态进行研究。结果表明：扰动区扩展当路面不透水时受降雨历时和初始湿度影响显著，当路面透水后受降雨强度和地下水位影响显著；地下水上侵湿度扰动区的扩展受初始湿度和地下水位影响显著；基于BP神经网络建立了湿度特征值预估模型，在此基础上针对西部干旱半干旱地区，提出了一种基于降雨重现期的公路路基湿度场最不利分布状态确定方法。
The state of subgraded humidity field in concentrated rainfall period is a very importantbasis for correct evaluaion of subgrade strength and bearing capacity，and for reasonableselection of pavement structure design parameters. The general evolution rules of subgradehumidity field in western arid and semi arid regions influenced by compaction degree，initialhumidity，pavement layer rainfall，and groundwater level were studied systematically byfield investigation，numerical simulation，similar physical model experiment，theoreticalanalysis and field measurement. A prediction model of humidity characteristic value wasestablished based on witch a determination method to the most unfavorable distribution ofsugrade humidity field in a given condition was proposed in the light of high grade highwayin western arid and semi arid regions. The main contents and conclusions are as follows：
（1）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by compactiondegree were revealed by numerical test and similar physical model experiment and analysis.The results show that humidity values and horizon distances gradually diminish withincreasing of compaction degree in subgrade humidity disturbance，and front disturbancearea reduce with increasing of humidity gradients；as sugrade using compaction degreecombination the humidity increment of lower disturbance diminish when compaction degreeof upper disturbance is larger because of water downward migration difficulties.
（2）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by initialhumidity were revealed by numerical test and analysis. The results show that influences ofslope surface moisture affected by initial humidity are very slight outside that sugradehumidity and disturbance area show linear growth with increasing of initial humidity；humidity gradients of front disturbance area show exponential gradual decreasing withincreasing of initial humidity.
（3）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by pavementlayer were revealed by numerical test and analysis. The results show that horizontal andvertical expansion distances of humidity disturbance show linear increasing along withrainfall time with permeable pavement，at the same time，humidity gradients of frontdisturbance area show binomial variation.
（4）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by rainfall wererevealed by numerical test and analysis. The results show that sugrade humidity at everyhorizon positions show binomial distribution in rainfall humidity disturbance；humidity ofslope surface logarithmic grow with increasing of rainfall strength and duration；humidity disturbance expand in logarithmic form to stable，and hysteresis effect of rainfall strengthemerge corresponding to stable state；influences of disturbance areas affected by rainfallstrength become smaller with rainfall duration becoming longer；Influences that sugradehumidity and range of rainfall back disturbance area and non-disturbance area influenced byinterval time are every slight，however，humidity of front disturbance slightly reduce withincreasing of interval time，and humidity distribution of intermittent rainfall become morecloser to it of continuous rainfall with increasing of rainfall strength.
（5）The general evolution rules of sugrade humidity field influenced by groundwaterlevel were revealed by numerical test and analysis. The results show that rainfall disturbancehumidity outside slope surface enlarge with increasing of groundwater level，but theamplitude trend to weak with horizon high；certain conditions will correspond to a balancegroundwater level above witch subgrade humidity amplitude of rainfall disturbance showlogarithmic decreasing with dropping of groundwater level，at the same time，subgradehumidity gradients of groundwater intrusion disturbance show linear decreasing.
（6）The subgrade humidity field distributions in western arid and semi arid regionswere revealed by numerical and field test and analysis. The results show that it is verysignificant that rainfall strength and groundwater level influence disturbance areas extensionwith impermeable pavement，however，with permeable pavement what significantlyinfluencing disturbance areas extension are initial humidity and groundwater level；it is verysignificant that initial humidity and groundwater level influence groundwater intrusiondisturbance extension；a prediction model of humidity characteristic value was establishedusing BP neural network，based on witch a determination method to the most unfavorabledistribution of sugrade humidity field in a given condition，considering rainfall returnperiod，was proposed in the light of high grade highway in western arid and semi aridregions.
引文
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