关键词:
非饱和土
湿颗粒
毛细力
液桥拉伸
持水特性
渗透特性
毛细黏聚
摘要:
水土作用是非饱和土力学理论的核心内容,也是当今土力学界的研究热点和难点之一。在大型水利、水电等工程建设中,土体中不可避免的水迁移会显著影响其变形和稳定性,可能诱发工程灾害。引入颗粒与水相互作用理念揭示水土作用机理,不仅是学科发展需要,也是实际工程建设的迫切需求。为此,本文基于非饱和土力学、颗粒力学、表面科学及水动力学的学科交叉背景,采用“颗粒-孔隙-集合体”细-宏观多尺度分析优化方法,研究细观水土作用机理,并应用于宏观水力与力学特性分析,研究工作可以总结为以下4个方面:
(1)从颗粒的理论分析出发,将非饱和土简化为湿颗粒模型,采用液桥描述湿颗粒间吸附的水分形态。以椭圆弧假定为理论基础,推得考虑固-液接触角的等径湿颗粒间液桥的断裂距离与毛细力解析公式,利用颗粒等效半径将其公式推广至不等径湿颗粒的范围,进而在考虑液桥体积的条件下,将适用于小体积液桥的断裂距离、毛细力解析公式推广至大体积液桥。此外,在控制基质吸力的条件下基于圆弧假定推得等径湿颗粒间液桥断裂距离的解析公式和毛细力的计算方法,并利用颗粒等效半径将该方法推广至不等径湿颗粒的范围。
(2)从颗粒的试验探究出发,开展湿颗粒间液桥拉伸的力学性能试验,通过改变拉伸速率、液桥体积和颗粒材料,分别研究了液桥几何特征对毛细力的影响。结果表明:湿颗粒间液桥拉伸过程中,毛细力随颗粒间距先增大后减小,拉伸速率对毛细力影响有限;在毛细力下降阶段,液桥弯液面的曲率半径随毛细力减小先减小后增大再减小,直至液桥断裂时,液桥弯液面的曲率半径最小。
(3)从颗粒间的孔隙出发,研究孔隙形状与孔径分布对岩土介质渗透及持水特性的影响。一方面,构建了圆柱形孔喉-大孔隙联合体组成的变截面孔隙模型,假定孔径分布服从分形分布,推得岩土介质的饱和渗透系数函数、相对渗透系数函数及滞回持水曲线的理论公式,并对各公式的有效性进行了验证。另一方面,对土样的颗粒级配曲线划分不同粒组,将每个粒组对应的孔隙简化为圆柱形孔隙,基于Hagen-Poiseuille公式,并结合天然土孔隙与理想孔隙内水分流量的相似关系,为预测非饱和渗透系数函数构建了一种无需引入未知经验参数的物理方法,进而验证了该物理方法在表征非饱和渗透系数与体积含水率关系时的有效性。
(4)从颗粒简化组成的集合体出发,以van Genuchten模型为基础,一方面,将土的基本物理特征与统计分析相结合,提出了用土颗粒级配参数(控制粒径d60和不均匀系数Cu)表示的土壤转换函数,并能满足完全均匀和完全分散两种理想球体颗粒集合体条件,进而将该函数引入非饱和强度公式,从而实现了对非饱和砂土毛细黏聚力和抗拉强度及其随基质吸力变化规律的快速、合理预测。另一方面,构建了一组经验公式使van Genuchten模型参数能够考虑土的干密度变化,采用已有文献中土的不同干密度下持水实测数据对其进行标定,提出了预测不同干密度土样持水曲线的两种新方法,并对两种新方法的有效性和实用性进行了验证、评价。