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。     

不同类型黏土的强度特性及其预测

强度特性是非饱和土力学中基础性的研究内容。目前对广吸力范围内非饱和黏土强度的预测研究相对较少。本文首先基于文献中粉质黏土、Madrid黏土和南阳弱膨胀土的非饱和强度特性进行了对比与分析。将不同类型非饱和黏土的强度特性大致分为3种类型:（1）在某一吸力范围试样出现强度峰值,并随着吸力值的进一步增大而降低;（2）达到某一吸力值后其强度几乎维持不变,不受吸力值的影响;（3）其强度随着吸力值的增大而增大。此外,基于现有考虑吸附水膜和毛细水作用的方法拟合广吸力范围内不同类型土的土水特征曲线,并将土水特征曲线分离成吸附土水特征曲线和毛细土水特征曲线。在非饱和土的抗剪强度公式中,认为吸力引起的非饱和强度增强部分主要由毛细水作用决定的,故将非饱和抗剪强度公式中吸力引起非饱和增强项的有效应力系数（即饱和度或有效饱和度）用毛细水对应的饱和度替代。最后,利用修正后的非饱和抗剪强度公式对3种较广吸力范围内非饱和土的强度进行了预测。预测结果表明过渡区段内的强度预测效果较好,但高吸力段非饱和强度的预测还有待进一步研究。     

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。     

宽广吸力范围非饱和土剪切强度试验研究及其预测

以弱膨胀土为试验材料，开展了宽广吸力范围内非饱和土的持水和强度特性试验研究，并提出适用于宽广吸力范围的非饱和土强度模型。结果表明，在广吸力范围内，应力-应变曲线随吸力增加而增高，在低吸力范围呈现应变硬化，在高吸力范围呈现应变软化。低吸力范围，试样呈现剪缩变形；高吸力范围，试样在轴向应变2%处开始呈现剪胀趋势。此外，提出一种区分吸附水和毛细水的土-水特征曲线模型，并假设吸力引起的强度增强部分主要由毛细水决定。将有效应力系数用毛细水饱和度替代，并代入Bishop非饱和土强度公式，利用不同类型土剪切强度的实测数据和文献中剪切强度模型对比，表明该强度模型可以很好地描述宽广吸力范围内的非饱和土强度。     

土-水特征曲线滞后阻塞模型

基于Young-Laplace方程利用土-水特征曲线估算孔隙分布,借鉴非饱和渗流统计模型,建立了土-水特征曲线的滞后模型。在某一基质吸力下对应的毛细半径上限的毛细水对更大孔隙半径的毛细水具有阻塞作用,阻塞概率与孔隙分布函数直接相关。孔隙分布函数自身属性体现了土体孔隙空间分布的非均匀性。该模型显示：在高基质吸力与低基质吸力阶段,脱湿曲线与吸湿曲线趋近相等;中等基质吸力阶段,脱湿曲线饱和度高于吸湿曲线饱和度,两者的差值存在一个明显的峰值。并采用实例验证了该模型的可靠性,发现该模型对中、细粒土预测效果较好,而砂类土因孔隙分布不符合假设,导致存在较大误差。对于砂类土等特征尺寸较大的土质,引入阻塞概率修正系数,发现最佳修正系数与土-水特征曲线半对数坐标下的土-水特征曲线最大斜率呈反比例关系。     

水膜理论在非饱和土中吸力的应用研究

非饱和土中总吸力问题一直是非饱和土土力学研究的一个重要分支。本文引用并引伸了水膜理论,把水膜理论的水膜范围扩展到包括结合水和毛细作用及基质吸力等引起的自由水（重力水）等部分,相应的水膜分离压也包括基质吸力和毛细作用,因此,非饱和土中的总吸力相应地可表示为扩展后的水膜分离压。从广义水膜理论及土性方面分析非饱和土总吸力,探讨了非饱和土中水膜对总吸力的影响,导出了广义非饱和土水膜理论下的总吸力公式,给出了非饱和土总吸力当土颗粒大小不同时与饱和度的关系。理论计算与试验结果吻合较好,表明了广义水膜理论对研究非饱和土总吸力具有一定的指导意义。     

低饱和度非饱和土的抗剪强度理论及其应用

从非饱和土的微观结构入手,提出并推导了土颗粒间毛细吸力引起的基质吸力与附加有效应力关系的近似解,并进一步得到了低饱和度非饱和土的抗剪强度公式。通过试验资料和理论分析验证了所推公式的合理性、正确性。最后分析了土颗粒半径差异、土体平均粒径大小对非饱和土强度的影响。     

非饱和土土-水特征曲线预估方法研究

在Wei等[1]基于多相孔隙介质非平衡渗流理论提出的多孔介质热动力学混合物理论模型的基础上,建立了一个能描述不考虑土骨架变形的非饱和土土-水特征曲线动态模型。依据非饱和土土-水特征曲线动态模型,推导出不考虑土骨架变形的气-水两相非饱和土的饱和度演化方程。利用饱和度演化方程并结合多步流动瞬态试验的成果,通过数值反演,提出了一种能利用多步流动瞬态试验数据快速确定非饱和土土-水特征曲线的方法。通过对低液限粉土及低液限黏土的多步流动瞬态试验研究发现,饱和度演化方程能较好地模拟非饱和土在小基质吸力步长变化下饱和度的变化规律。此外,通过对多步流动瞬态试验试样饱和度的模拟确定的非饱和土土-水特征曲线与联合测试系统测得的土-水特征曲线的结果较为一致。     

基于分形理论的SWCC边界曲线滞后效应模型研究

微观土颗粒及孔隙分布的非均匀性及由此引起的瓶颈效应是造成非饱和土土-水特征曲线(SWCC)滞后效应的主要原因。引入分形理论,考虑非饱和土孔径及渗流路径的微观分形特性,提出了一个用于描述水在非饱和土中渗流的毛细管模型。模型中将非饱和土孔隙简化为一系列具有不同孔径大小的毛细弯管,其孔径大小及弯曲程度假定服从分形规律。在此基础上,推导得了非饱和土的吸湿与脱湿过程的饱和度S_e~-水头高度h来描述土-水特征曲线滞后效应的特征方程以及饱和度S_e~-相对水力传导系数Kr特征方程。与室内观测结果及已有研究的对比表明,该模型相比以往方法,可更好地模拟非饱和土土-水特征曲线的滞后效应。对非饱和土吸湿与脱湿过程滞后效应的本质进行了对比分析,揭示了滞后效应产生的根本原因在于土体中流通孔隙大小的非均匀性。     

考虑毛细滞回效应的非饱和多孔介质渗流与变形耦合本构模型

在Wheeler本构模型框架的基础上,提出了一个水力与力学耦合的本构模型。该模型中的土-水特征曲线采用毛细滞回内变量模型,能够更好地描述水力历史变化下毛细滞回现象对非饱和多孔介质变形的影响,同时也可描述非饱和多孔介质变形对渗流的影响。非饱和土的强度不仅与吸力有关,而且受到饱和度的影响。相同的吸力下,土样经过吸湿和脱湿路径的饱和度不同,因此,非饱和土的强度也不同。此模型以体积含水率的塑性变化和体变的塑性变化为硬化参数,不仅能描述基质吸力对非饱和土的强化作用,而且考虑了饱和度对强度及变形的影响。试验结果与模型预测基本吻合,证明该模型能够模拟非饱和土的主要特性。为了简化,此模型是在各向同性荷载下推得的,有待于推广到一般的应力状态     

非饱和重塑黄土基质吸力变化特征与物理性质的关系

本文以兰州重塑黄土为对象,通过室内试验分析6组非饱和重塑黄土土-水特征曲线分段特征值与主要物性指标的统计关系,探讨了非饱和重塑黄土物理性质对其基质吸力变化特征的影响。结果表明,对于非饱和重塑黄土,分段特征含水量、特征饱和度、特征基质吸力与干密度关系密切,与颗粒级配关系较弱。随干密度增加,过渡区特征饱和度、残余饱和度线性增加,饱和含水量、过渡区特征含水量线性降低,残余基质吸力及过渡区特征基质吸力分别为线性及非线性增加。过渡区特征饱和度、残余饱和度与土体中粘粒含量线性正相关,与粉粒含量负相关。饱和含水量与粉粒含量线性正相关,残余基质吸力与其线性负相关。重塑黄土的微观结构显示这些关系受制于土体的孔隙结构和颗粒间的相互关系。     

非饱和土毛细滞回与变形耦合弹塑性本构模型

在修正剑桥模型的基础上,提出了一个非饱和土毛细滞回与骨架变形耦合的弹塑性本构模型。该模型考虑了基质吸力与饱和度对屈服应力的影响,可以同时描述非饱和土的弹塑性变形特性与毛细循环滞回效应。根据塑性体变的产生使非饱和土进气值增大的特点,建立了变形对土-水特征曲线影响的数学描述。该模型有效地考虑了饱和度对前期屈服应力的作用,准确地反映了土体在不同土-水状态条件下（脱湿和吸湿过程）强度特性的变化,而且还可以有效地描述水力循环历史对土体变形的影响。通过与试验数据对比,证明了该模型能够模拟非饱和土的主要力学特性。     

硫酸钠盐渍土土-水特征曲线的试验与理论研究

土-水特征曲线（SWCC）在非饱和土力学中扮有重要的角色,是非饱和土力学研究的核心问题。以西北地区黄土中含有的典型硫酸钠盐为变化因素,采用滤纸法测得了兰州黄土及不同含盐量黄土状硫酸钠盐渍土的基质吸力并绘制土-水特征曲线,通过试验测试和理论分析来解释硫酸钠盐分对黄土状硫酸钠盐渍土基质吸力的影响规律,以期为工程实践提供一定的理论依据。结果表明：相同含水率下硫酸钠盐渍土的含盐量越高,基质吸力越大。以非饱和土力学理论和表面物理化学理论为基础,考虑了土中的盐分对基质吸力的毛细部分及吸附部分的影响,得到了土中含盐量与基质吸力关系的半经验公式。利用该公式计算得到不同含盐量硫酸钠盐渍土的土-水特征曲线,计算曲线与试验曲线吻合程度较高,表明该公式可以很好地描述盐渍土中不同含盐量与基质吸力的关系。     

非饱和含黏土砂毛细上升试验研究

采用MP406水分传感器、WM-1负压计和DT80数据记录仪等设备,开发了一套毛细上升试验系统,对非饱和含黏土砂做了3个不同初始含水率的毛细上升试验,得到了试样各个断面的含水率和吸力随时间的变化规律。研究表明：初始含水率对毛细上升高度和上升速度有显著影响,本套系统可测定毛细上升的实际高度,在土样渗透系数未知的情况下可对不同土样测定其毛细上升的最大高度;可根据湿润锋运动速度、土样含水率变化和吸力变化数值,确定非饱和土渗水系数,从而避免了渗透系数确定费时、费力的困难;可由吸力预测试样的渗水系数,只需测定该土的土-水特征曲线或进行吸力量测即可确定出该土在这一吸力下的渗水系数;并拟合出不同初始含水率试样的湿润锋随时间变化规律     

非饱和膨胀土SWCC研究

研究土体吸力与含水量关系,对于非饱和土的变形和强度问题,有重要的应用价值。利用非饱和土三轴仪对膨胀土进行试验研究,比较系统地分析了矿物成分、孔隙结构、土体应力状态、应力历史等因素对土-水特征曲线的影响。尤其土的矿物成分和孔隙结构是主要的影响因素。综合考虑各种因素的影响,通过室内和野外吸力量测,对土-水特征曲线进行拟合、比较,建立了幂函数模型。由土-水特征曲线可知,室内干湿循环土-水特征曲线具有明显的差异性,野外土-水特征曲线的差异性不明显,并与室内浸湿曲线相似。将野外曲线和浸湿曲线结合起来,推算非饱和状态下土的渗透性、抗剪强度等指标,可以较好地解决岩土力学问题。     

基于土水特征曲线预测多孔介质毛细上升过程

多孔介质中毛细吸力作为其重要物性参数,有着重要的工程应用背景。本文结合Gardner模型的土水特征曲线和Micro-CT(Micro computerized tomography)断层扫描仪获取的多孔介质的结构形态参数,根据吸力和饱和度的拟合关系,建立了一维非饱和毛细上升模型。同时,采用有限差分方法对多孔介质非饱和毛细水上升模型进行非稳态求解,获取不同时刻湿度场和毛细吸力的分布情况,并给出了一种量化多孔介质毛细上升过程的理论方法。为验证该方法的有效性,本文在室内以窄筛分洗砂作为研究对象,通过室内试验测定其毛细吸渗上升过程及稳定时的湿度分布。结果证实,模拟结果和实测结果整体上具有较高的吻合性。本文提出的多孔介质毛细上升的预测方法具有可行性,可用于预测砂土的毛细水上升高度和湿度场的分布状态。     

真三轴条件下原状Q_3黄土的土-水特征

土-水特征曲线反映了非饱和土三相介质存在状态和相互作用的基本特性,非饱和土的受力状态变化和变形发展必然影响其土-水特性变化。为了揭示复杂应力作用下非饱和原状黄土的土-水特征曲线变化,利用真三轴仪对不同初始吸力的非饱和原状黄土进行了常含水率的等向固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,探讨了不同试验条件下非饱和原状黄土的土-水特征,并对相应的土-水特征曲线进行了拟合,得出其拟合函数。研究结果表明:饱和度皆随着净平均应力、b值和净围压的增大而增大;吸力随着饱和度的增大而减小,饱和度较大(S_(r0)≥43%)时,吸力减小速率越小,饱和度较小(S_(r0)43%)时,吸力减小速率越大;饱和度一定时,吸力皆随着净平均应力、b值和净围压的增大而增大;较低净平均应力(p≤300 kPa)时,应力变化对原状黄土等向固结完成后土-水曲线的影响较小,为了工程应用方便,可以归一用幂函数来描述;拟合了可以反映净围压和中主应力共同作用影响的真三轴剪切完成后的土-水特征曲线表达式,与试验结果吻合较好。     

颗粒级配对非饱和粘性土基质吸力的影响规律

颗粒级配是影响非饱和粘性土基质吸力变化规律的主要因素之一。本文在室内实验基础上,根据颗粒级配与非饱和土土水特征曲线基本参数之间的定量关系,探讨了颗粒级配对非饱和土基本特性的影响程度。研究结果表明:颗粒级配对非饱和土残余含水量控制作用明显,后者与粘粒、粉粒含量线性正相关,与角砾含量和粗、细粒含量之比分别线性、非线性负相关;不同粒组中,粉粒含量对土体残余含水量的影响程度最大,角砾含量的影响程度较低。颗粒级配对非饱和土残余基质吸力的影响程度较弱,后者与粘粒含量以及粗、细粒含量之比具有一定的相关性。非饱和土含水量变化幅度以及基质吸力对含量变化的敏感性与颗粒级配相关性最弱。但是,粘粒、粉粒含量以及粗、细粒含量之比对这两个特征值可能具有一定的影响作用。     

不同饱和度下膨胀土原位孔内剪切试验及强度响应特征

膨胀土强度随饱和度变化显著,非饱和膨胀土的抗剪强度一直是研究膨胀土工程问题的关键。选取南阳市某高速路沿线边坡膨胀土为研究对象,进行了天然条件下处于不同饱和度状态的膨胀土原位孔内剪切试验,获得了自然条件下膨胀土的抗剪强度随饱和度的变化特征。膨胀土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随着膨胀土饱和度的增大而逐渐减小。结合现场试验数据和土-水特征曲线,提出了以法向应力、饱和度为变量和以法向应力、基质吸力为变量的两种非饱和膨胀土的抗剪强度计算模型,并结合试验数据对计算模型的适用性进行了验证。与之前常用的非饱和土抗剪强度计算模型相比较,提出的两种计算模型所需的拟合参数少,适用于更宽吸力范围、不同法向应力条件下非饱和膨胀土抗剪强度的计算,且结果更为准确。     

非饱和土渗透函数方程的间接确定

利用应力应变控制式非饱和土三轴仪,测定了非饱和土的基质吸力和体积含水量,由此得出粉质粘土一系列的土-水特征曲线,并由非线性曲线拟合得出土-水特征曲线方程,根据其与渗透函数的关系,推导出Mualem渗透函数方程的具体形式,由其计算得出的非饱和土的渗透系数和直接测量法得到的渗透系数较为一致,从而进一步证明了Mualem方程的具体形式的合理性。