黏土颗粒间液桥从形成至断裂时毛细力的演化规律EI北大核心CSCD

通过土颗粒间形如液桥的水分毛细力认识和解释非饱和土的持水特性日趋为土力学界所关注。为研究黏土颗粒间液桥毛细力的演化规律,将黏土颗粒其简化为一对平行的片状颗粒,不考虑黏土颗粒表面的粗糙度。以Young-Laplace方程为基础,推得表征黏土颗粒间液桥毛细力关于固-液接触角和液桥体积的无量纲表达式;再令该无量纲表达式为0,绘制出固-液接触角与无量纲液桥体积的关系曲线,将1/3相似文献   

粗颗粒间液桥毛细力演化规律的动态计算方法

水力特性是非饱和土力学理论与工程的重要课题之一,土样水力特性的变化过程本质上可反映为土颗粒间毛细力的演化规律。为此,以粗颗粒为研究对象,将其简化为一对不等径球体颗粒,而其间的水分形态可视为形如圆环的液桥,不考虑颗粒重力和浮力的影响。以Young-Laplace方程为基础,先推得计算液桥毛细力的控制方程组,再结合液桥的无量纲体积最大、最小值及其外曲率半径的割线迭代算法提出求解毛细力的动态计算方法,进而研究毛细力与颗粒间距、颗粒半径比和液桥体积的无量纲关系,结果表明：当颗粒间距一定时,液桥的毛细力随其体积和颗粒半径比增大均呈递增趋势;当液桥体积一定时,其抗拉刚度随颗粒间距增大呈递减趋势。最后,利用已有文献中液桥毛细力与颗粒间距的实测关系,验证了该动态计算方法在表征液桥从形成至断裂时毛细力演化规律的有效性。     

颗粒间的毛细作用以及吸应力特征曲线分析

颗粒之间的毛细作用是分析湿颗粒体系力学特性的一个重要方面。考虑两球形颗粒与粒间弯液面的相互作用,采用打靶法求解得到了粒间气-液-固交界面的几何形状与基质吸力关系的精确解答,并与环形近似方法和数据拟合方法得到的粒间作用力进行了比较,分析了两种简化方法的精确度。在此基础上,分析了不同粒间间距、液-固接触角以及基质吸力时,两球形颗粒间由毛细作用引起的吸应力特征曲线。分析结果表明,当液体体积较小时,拟合方法得到的结果更好,而当液体体积较大时,采用环形近似得到的结果要比拟合方法更接近精确解,为非饱和土中吸力的认识以及非饱和土力学微观分析提供了一定的理论指导。     

基于3个不等粒径颗粒接触模型的土-水特征曲线

基于热力学原理及二维液桥计算模型,以3个不等径土颗粒为研究对象,推导出基质吸力与体积含水率之间的关系,得到微观模型下的土-水特征曲线。将3个不等粒径颗粒概化为限制粒径、中值粒径和有效粒径,研究了粒径大小、颗粒级配和土颗粒接触角的大小等因素对土-水特征曲线影响的规律。计算结果表明：体积含水率相同,颗粒粒径越大,相应的基质吸力越小;在同一基质吸力下,不均匀系数 越大即土颗粒越不均匀,其体积含水率就越低;接触角对土-水特征曲线的影响是明显的,即接触角越小土颗粒亲水性越好,同一基质吸力下的体积含水率也就越大,且曲线的进气值会随着接触角的减小而减小。     

柴油污染重塑红黏土直剪力学特性试验研究

广西红黏土分布区柴油泄漏对土体造成了一定程度污染,为研究轻质非水相非极性柴油孔隙液对红黏土力学性质的影响,本文以0#柴油为添加剂对其重塑样进行不排水快速直剪试验,测得了不同含水率、含油率、法向压力下红黏土抗剪强度及其参数变化规律。研究结果表明:在土-水-油系统中,非极性柴油孔隙液对红黏土强度影响相对较小,且受含水率影响。同一含油率时,红黏土抗剪强度、内摩擦角、黏聚力均随含水率增加而降低;同一含水率时,法向压力影响柴油作用模式,随含油率增加,抗剪强度参数变化较为复杂,当含水率为20%,红黏土内摩擦角、黏聚力反向波动变化;同一含湿率时,柴油比例的提高导致红黏土抗剪强度参数的增大。扫描电镜观察发现,非极性柴油孔隙液的介入,改变了水-土系统的静电及结构模式,导致红黏土强度发生变化,通过所建的“多尺度多阶段柴油作用微结构模型”,阐明了柴油孔隙液对红黏土强度特性影响的微观机理。     

含水率及干密度对桂林红黏土抗剪强度的影响

为研究含水率及干密度对桂林红黏土抗剪强度的影响机理,进行了一系列控制含水率、干密度的直剪试验,建立含水率及干密度与抗剪强度的函数关系式。试验结果表明:同一干密度条件下,粘聚力、内摩擦角随含水率的增大整体呈下降趋势;在含水率相同时,随干密度增大,粘聚力减小,内摩擦角增大。分析表明:随含水率增大,具有“水稳定”性的胶结作用减弱,引起粘聚力降低;土中结晶态氧化铁含量高于胶结态时,内摩擦角增大,反之则降低。干密度增大时,重塑土因胶结键断裂后短时间无法恢复,使土颗粒的有效胶结面积的减少程度大于其增多的程度,引起粘聚力下降;干密度的增大会改变红黏土的微观结构模型,土中封闭孔隙的增多会导致粘聚力下降;土样微观结构性随干密度的增大而增强,使内摩擦角增大。      

考虑吸力变化的非饱和高液限黏土-土工织物界面剪切特性研究

以高液限土为填料的加筋挡墙广泛在南方地区应用,加筋挡墙土体吸力经常随气候变化而发生变化,直接影响筋土界面强度特性,考虑吸力变化的非饱和高液限黏土-土工织物界面强度特性亟待深入研究。利用ZFY-1A型非饱和土应变控制式直剪仪对非饱和高液限黏土-土工织物界面进行控制吸力的剪切试验,探讨吸力循环变化（干湿循环）对筋-土界面剪切特性的影响。研究表明,高液限黏土-土工织物界面的抗剪强度随着净法向应力的增加而增大;随着循环次数的增加,界面强度呈现先升高而后衰减的变化规律。经历3次干湿循环的界面强度低于未经历干湿循环的强度。随着循环次数的增加,界面强度总体上呈降低趋势。吸力增加的速率 随吸力循环次数的增加先增大后减小,有效界面摩擦角 、界面有效黏聚力 、界面综合摩擦系数 、综合摩擦系数比K与此类似。 含水率变化量的最大值随着净法向应力、循环次数的增加而增大。最大剪胀量 随循环次数的增加先增大后减小,随净法向应力的增大而减小。最后通过对数拟合,得出经历若干次基质吸力循环后的界面强度计算公式。     

EPS颗粒混合轻量土无侧限抗压强度特性试验研究

为研究EPS颗粒混合轻量土的密度、强度和变形特性,对不同水泥掺量、EPS颗粒掺量、含水率和龄期的轻量土进行密度无侧限抗压强度试验。试验配置轻量土无侧限抗压强度范围为103.2~1359.0 kPa,且随水泥掺量的增大呈指数关系增大的趋势,随EPS颗粒体积比的增大而呈线性关系减小的趋势。在大于最优含水率情况下,含水率越高,无侧限抗压强度越低,两者为指数关系,而龄期的增长能够使得轻量土的无侧限抗压强度呈双曲线增大的趋势。EPS颗粒混合轻量土的应力-应变关系曲线主要表现为应变软化型,含水率和EPS颗粒体积比的增大会使得轻量土的应力-应变关系曲线逐渐向硬化型转化。水泥掺量和龄期的增大能够增强轻量土的脆性特征,增大刚度。而含水率和EPS颗粒体积比的增大则使得轻量土的延性特征增强,刚度减小。研究成果对实际工程应用具有参考价值。     

粉质黏土强度指标的水化学敏感性研究

通过对重塑粉质黏土的液、塑限和固结慢速直剪试验,探讨了粉质黏土液限、塑性指数及抗剪强度与不同浓度NaCl孔隙溶液的关系。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度增加,液限随之减小,塑性指数表现出粉土的性质;不同竖向正应力下的强度随浓度变化表现出较大的差异,正应力较低时,强度不断减小,而正应力较高时,则强度不断增大,正应力介于二者之间强度则先降后升;内摩擦角随浓度增加而增大,最终趋于稳定;黏聚力先迅速减小后逐渐回升,且均为负值。其性质变化主要是因为扩散双电层、颗粒间作用力以及孔隙比发生了改变。基于Terzaghi的有效应力原理,对饱和粉质黏土固结慢速直剪试验测得的负值黏聚力进行了分析和讨论,认为渗透压力对黏聚力起了非常重要的作用,从而使黏聚力成为负值。     

土-水特征曲线滞后现象的微观机制与计算分析

对吸湿与脱湿过程中引起非饱和土土-水特征曲线滞后性质进行机制分析,认为在微观角度看,接触角的差异是主要原因。基于热力学原理,假定粒间弯液面为一圆弧,综合考虑不等径颗粒半径比、接触角等因素,应用几何关系导得了两接触土颗粒填充角之间的迭代关系,并进行编程计算。在此基础上,引入热力学弯液面压强计算公式和水量体积计算公式,得到了不等径土颗粒间基质吸力－水量计算方法。应用该方法对不同接触角条件下的单个弯液面和不同堆积形式土粒的土-水特征曲线进行了解算,结果表明,由于接触角不同,土-水特征曲线具有明显的滞后现象;孔隙填充将引起低吸力状态土体含水率增加,其对松散颗粒影响较大,含水率可增大达90%;颗粒堆积形式及级配对接触角不同引起的滞后现象影响不大。此外,仅考虑接触角因素无法解释滞回圈的形成,其计算理论有待进一步深入研究。     

Influence of liquid bridges on the mechanical behaviour of polydisperse granular materials

We investigate a polydisperse granular material in which the particle interactions are governed by a capillary force law. The cohesion force for a grain‐pair with unequal diameters is expressed as an explicit function of the inter‐particle distance and the volume of the liquid bridge. This analytical relation is validated by experiments on a reference material. Then, it is completed by a rupture criterion and cast in the form of a force law that accounts for solid contact, capillary force and rupture characteristics of a grain‐pair. Finally, in order to evaluate the influence of capillary cohesion on the macroscopic behaviour, radial and axial compression tests on cylindrical assemblies of wet particles are simulated using a 3D distinct element method. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

Molecular dynamics modeling of a partially saturated clay-water system at finite temperature

The mechanical and hydraulic properties of unsaturated clay under nonisothermal conditions have practical implications in geotechnical engineering applications such as geothermal energy harvest, landfill cover design, and nuclear waste disposal facilities. The water menisci among clay particles impact the mechanical and hydraulic properties of unsaturated clay. Molecular dynamics (MD) modeling has been proven to be an effective method in investigating clay structures and their hydromechanical behavior at the atomic scale. In this study, we examine the impact of temperature increase on the capillary force and capillary pressure of the partially saturated clay-water system through high-performance computing. The water meniscus formed between two parallel clay particles is studied via a full-scale MD modeling at different elevated temperatures. The numerical results have shown that the temperature increase impacts the capillary force, capillary pressure, and contact angle at the atomic scale. The capillary force on the clay particle obtained from MD simulations is also compared with the results from the macroscopic theory. The full-scale MD simulation of the partially saturated clay-water system can not only provide a fundamental understanding of the impact of temperature on the interface physics of such system at the atomic scale, but also has practical implication in formulating physics-based multiscale models for unsaturated soils by providing interface physical properties of such materials directly through high-performance computing.     

颗粒形状对粗粒土剪切变形影响的细观研究

颗粒形状是影响粗粒土密实度、力学与渗流等特性的主要因素之一。为了分析颗粒形状对粗粒土剪切特性的影响,采用离散元法生成4种不同形状的颗粒组,进行粗粒土直剪试验模拟与剪切宏细观响应研究,得出了颗粒形状对剪应力-剪位移、体应变-剪位移的影响,分析了粗粒土剪切应力、应变特性与剪胀特性。通过分析剪切带厚度、颗粒旋转量值、平均接触数、孔隙率及接触力系等宏细观参量的演化规律,研究颗粒形状在宏细观尺度上对粗粒土的影响。研究表明:异形颗粒间的咬合自锁作用大于纯圆颗粒,试样的抗剪强度有随形状系数的减小而增大的趋势。试样颗粒在外荷载作用下发生运动,应变主要表现在颗粒运动剧烈、剪胀幅度较大的剪切带内。颗粒形状系数F减小,试样的初始平均接触数增加,内摩擦角φ增大,剪切带内孔隙率增量越大,剪胀幅度越大。剪切过程中强力链聚集于剪切带内并起骨架作用,随着形状系数的减小,力链长度在0～5所占百分比呈增大趋势;剪切带内强力链的数目随着形状系数的减小而增加,峰值含量在30%～35%之间。     

A model of capillary cohesion for numerical simulations of 3D polydisperse granular media

We present a 3D discrete‐element approach for numerical investigation of wet granular media. This approach relies on the basic laws of contact and Coulomb friction enriched by a capillary force law between particles. We show that the latter can be expressed as a simple explicit function of the gap and volume of the liquid bridge connecting a pair of spherical particles. The length scales involved in this expression are analyzed by comparing with direct integration of the Laplace–Young equation. We illustrate and validate this approach by application to direct shear and simple compression loadings. The shear and compression strengths obtained from simulations reproduce well the experimental measurements under similar material and boundary conditions. Our findings clearly show that the number density of liquid bonds in the bulk is a decisive parameter for the overall cohesion of wet granular materials. A homogeneous distribution of the liquid within the bridge debonding distance, even at low volume contents, leads to the highest cohesion. The latter is independent of the liquid content as far as the liquid remains in the pendular state and the number density of liquid bonds remains constant. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

巨型蠕滑滑坡滑带土特征强度特性试验研究

金坪子滑坡是一个位于金沙江右岸、上距乌东德水电站约900 m、总体积约6.25×108 m3的具有典型蠕滑特点的滑坡。为了进一步弄清控制该滑坡活动模式的内在机理,通过不同黏粒含量下滑带土的反复剪切试验,研究了滑坡滑带土的残余、峰值强度特性,以期为同类滑坡的防护和治理提供参考依据。研究结果显示,随着黏粒含量的增加,滑带土应变软化现象更加明显;而滑带土残余强度、峰值强度随着黏粒含量的增加,呈现非线性降低规律,但降低幅度随正压力的增大而增大;同时,残余内摩擦角、峰值内摩擦角与黏粒含量存在良好线性负相关关系,而残余黏聚力与峰值黏聚力随黏粒含量增加呈波动性增大,但在黏粒含量40%处出现一定降低幅度。关于黏聚力的波动性降低趋势,究其原因可能在于黏粒周围强结合水的分布对滑带土强度特性,尤其是黏聚力存在临界影响。本文数据和结论对金坪子滑坡的防护和治理以及不同粒径下蠕滑滑坡失稳演化进程有重要的借鉴意义。     

毛细水作用下非饱和土压缩过程的微观非连续变形数值分析

研究非饱和土微结构的动态演化规律对认识非饱和土宏观物理力学行为的本质有重要意义。然而目前岩土学界对此尚不清楚。文章提出利用毛细水算法进行非饱和土压缩数值试验,研究其宏观变形过程中土水作用与孔隙的演变规律。首先参考黄土骨架颗粒的形态和优势颗粒的大小,建立了540 μm×400 μm理想的非饱和土微观结构模型;其次利用毛细...     

非饱和黄土的接触角与孔隙特征试验

接触角及孔径是影响土壤润湿性、渗透性及毛细作用的重要因素。为了进一步认识非饱和黄土的毛细特性及渗透性,进行了非饱和黄土的接触角测试及压汞试验,对黄土孔隙体积与接触角的关系进行了分析,探讨了孔隙、接触角随深度的变化规律。研究发现,干燥状态下黄土的接触角高于天然状态下黄土的接触角;随着地层深度的增加,接触角增大;接触角与大、中孔隙体积为负相关关系,与微孔隙体积为正相关关系。在地层浅部,接触角与小孔隙体积为正相关关系,而对于深部地层,接触角与小孔隙体积为负相关关系;非饱和黄土中小孔隙及微孔隙含量较大,大、中孔隙含量相对较少。