大气影响下物理处治膨胀土路堤的临界填芯高度研究

膨胀土地区公路建设中，因膨胀土天然含水率高，难以压实且水稳性差，用膨胀土填筑的路基易发生运营期增湿膨胀、干密度降低、承载力下降，导致路面早期破坏。掌握膨胀土的变形规律，合理确定膨胀土填芯高度，控制膨胀土路基变形，确保路基刚度的长期稳定，是有效利用膨胀土填筑路基的关键，对于降低造价、减少借弃土占地、保证工程质量具有重要工程实际意义。项目结合海南、广西、河南、江西四省区高速公路膨胀土路堤修筑，通过现场调查取样、室内试验、理论分析、数值模拟、足尺模型试验对大气影响下物理处治膨胀土路堤的临界填芯高度相关科学和技术问题进行了研究。 针对路堤工况和实际工程中膨胀土吸力变化范围较大这一特点，改进试验方法，综合采用轴平移、渗析和湿度平衡三种吸力控制技术综合采用揭示了膨胀土在不同应力状态下平衡湿度随吸力的变化规律，建立了大气与膨胀土路基相互作用的湿热耦合计算模型，为大气长期作用下膨胀土路基平衡湿度的预估提供了计算方法及其参数获取方法。通过无荷膨胀、有荷膨胀与膨胀力试验建立了能反映膨胀土极限性质的膨胀土湿胀变形预测模型和膨胀土路基变形计算方法，为大气长期作用下膨胀土路基变形计算提供了理论基础。通过现场测试和数值模拟，揭示了大气干作用下物理处治膨胀土路堤的湿度平衡规律，为计算膨胀土路堤湿胀变形确定膨胀土路堤临界填芯高度提供了依据。提出了一种新的膨胀土路基压实控制方法，为满足耐久性路面对膨胀土路基刚度的要求提出了膨胀土路基动模量测试新方法和路基刚度补偿设计方法，为大气干湿循环作用下物理处治膨胀土路堤变形控制提供了实用技术。室内试验揭示了膨胀土抗剪强度非线性特征及影响因素和边坡浅层破坏原因，通过模型试验获得了大气作用下物理处治(土工格式边部加筋)膨胀土路堤的工作机理，提出了南方气候条件下膨胀土路堤择时施工方法。以路基容许横向变坡率为控制指标，提出了大气影响下物理处治膨胀土路堤的临界填芯高度设计方法。 项目发表论文15篇，其中EI收录9篇，CSCD收录4篇；申请发明专利1项；培养博士3名，硕士2名，1篇博士论文被评为省级优秀博士论文；组织1次全国学术研讨会，在4个学术会议上进行了成果交流。成果应用于3个实体工程，产生了良好的经济、社会及环境效益。

采用封闭包盖措施直接用膨胀土填筑路堤的物理处治技术相对传统的弃土换填或化学改良技术而言是一重大革新，能带来显著的工程、经济、环保效益。但物理处治技术中对膨胀土填芯高度的限定是凭工程经验确定的。该指标的合理确定不仅关系到物理处治路堤的长期稳定性，而且对当前山区公路设计仍多采用深挖高填有重要意义。考虑到大气干湿循环作用下包盖路堤为多相、多场耦合体，通过系列净应力和吸力控制试验，研究不同湿度和应力状态下的非饱和膨胀土水力耦合特性，建立非饱和膨胀土二维简化固结模型；采用土工离心模拟试验，模拟大气长期干湿循环效应，研究物理处治膨胀土路堤水分迁移和变形规律；基于二维固结模型，建立考虑降雨和蒸发效应的非饱和膨胀土渗流-变形耦合数值模拟方法，并用土工离心模拟试验结果加以验证；数值模拟大气影响下不同填芯高度路堤变形性状，提出以路基不均匀沉降允许值为控制指标的物理处治膨胀土路堤临界填芯高度确定方法。

大气传输特性大气散射

散射是指磁辐射在非均匀媒质或各向异性媒质中传播时，改变原来传播方向的现象。大气散射是电磁辐射能受到大气中微粒(悬浮粒子及大的分子如大气分子或气溶胶等)的影响，而改变传播方向的现象。其散射强度依赖于微粒大小、微粒含量、辐射波长和能量传播穿过大气的厚度。

A．选择性散射——散射强度与波长有关

　　a)瑞利散射（Rayleigh）

当引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁波波长（d<<λ）时，出现瑞利散射。大气中的气体分子氧气、氮气等对可见光的散射属此类。它的散射强度与波长的4次方成反比。波长越短、散射越强，且前向散射与后向散射强度相同。晴朗的天空，可见光中的蓝光受散射影响最大，所以天空呈蓝色。清晨太阳光通过较厚的大气层，直射光中红光成分大于蓝光成分，因而太阳呈现红色。大气中的瑞利散射对可见光影响较大，而对红外的影响很小，对微波基本没有多大影响。

瑞利散射图解

大气传输特性米氏散射

当引起散射的大气粒子的直径近于等于入射波长（d）时，出现米氏散射。大气中的悬浮微粒如水滴，尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶的散射属此类。其前向散射大于后向散射。米氏散射多在大气低层 0—5km，其强度受气候影响较大。

B．无选择性散射——散射强度与波长无关

当引起散射的大气粒子的直径远大于入射波长（d>>λ）时，出现无选择性散射。其散射强度与波长无关。大气中水滴、尘埃的散射属此类。它们一股直径5—100μm，并大约同等的散射所有可见光、近红外波段。正因为此类散射对所有可见光区段兰、绿、红光的散射是等量的，因而，我们观察云、雾呈白色、灰白色。

散射对遥感数据传输的影响极大。大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向，削弱了到达地面或地面向外的辐射，产生了天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”。它是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。散射使地面阴影呈现暗色而不是黑色，使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息。此外，散射使暗色物体表现得比它自身的要亮，使亮物体表现得比它自身的要暗。因此，它降低了遥感影像的反差（对比度），降低了图像的质量（清晰度）以及图像上空间信息的详度，因此，摄影像机等遥感仪器多利用特制的滤光片，阻止蓝紫光透过以消除或减少图像模糊，提高影像的灵敏度和清晰度。

中桩填挖高度是指路线各中桩的设计高程与地面高程的差值。

中桩填挖高度【height of cut and fill at center stake】指的是路线各中桩的设计高程与地面高程的差值。

路基填挖高度(construction height of subgrade)又称路基施工高度。路基设计高程与路中线地面高程的差值。此值的正或负及其大小，表示路基是路堤或路堑及其填高与挖深 。