均匀湿颗粒材料边界滞回持水曲线的物理模型

非饱和土持水特性的滞回机理是土力学界的热点问题之一。将非饱和土看作"湿颗粒材料"并以"土-颗粒-系统"为视角更易认识其持水特性的滞回机理。以均匀湿颗粒材料为研究对象,用轴对称圆锥形孔隙内水分的充填和排出过程来模拟边界增、减湿过程,提出一种物理模型以描述其滞回特性的物理内涵,并利用已有文献中3种砂土和2种含黏砂土的持水试验结果验证了该模型在表征均匀湿颗粒材料边界滞回持水曲线时的有效性。该模型的优点在于不仅对同种均匀湿颗粒材料滞回的边界减、增湿持水曲线可采用同一组具有物理意义的参数模拟,而且可反映孔隙水内封闭气泡对持水曲线的影响。

考虑颗粒粒径和液桥体积的毛细力计算方法

土坝在非饱和渗流作用下的变形过程与湿颗粒间的细观毛细黏聚作用密切相关,因此对湿颗粒间形如液桥的水分的毛细力进行计算分析有助于认识这种作用机理。从颗粒粒径和液桥体积出发,将湿颗粒简化为不等径球体颗粒,先结合其间液桥的几何特征构建了Young-Laplace方程数值解的数据组。其次,将固-液接触角θ≤20°范围内的小体积液桥(V^(*)_(LB)≤1×10^(-3))表面形状假定为椭圆弧,依据颗粒等效半径推得液桥断裂距离及其毛细力关于液桥体积和颗粒间距的解析公式,并采用已有文献中不等径球体颗粒间小体积液桥的毛细力实测值验证了解析公式的有效性。再次,依据液桥体积变化更广范围内Young-Laplace方程数值解的数据组,引入颗粒半径比构建了适用于大体积液桥(V^(*)_(LB)>1×10^(-3))的断裂距离拟合公式,并将其嵌入已有不等径湿颗粒间液桥的毛细力拟合公式中进行改进。最后,采用Young-Laplace方程数值解的数据组评价了已有的与改进的毛细力拟合公式适用性,通过对比预测误差发现:改进公式对半径比在1~128范围内的湿颗粒间不同体积液桥(V^(*)_(LB)≤0.13)在固-液接触角θ≤40°且颗粒间距不超过液桥断裂距离范围内的毛细力预测效果优于已有公式。将本文提出的毛细力计算方法嵌入典型湿颗粒材料的微细观弹塑性本构模型时,可用于水位骤降时土坝的变形分析及其稳定性评价。

不等径湿颗粒与液桥相互作用的微观水力特性

从土颗粒的微观尺度认识和解释非饱和土的基本性质已成为土力学界日益关注的课题之一,将非饱和土作为湿颗粒材料来研究湿颗粒与液桥的相互作用更易认识其内在的微观水力特性。为研究一对不等径湿颗粒间形成液桥时表现的微观水力特性,用相应的光滑球体颗粒的间距描述颗粒表面的粗糙度,假定液桥的形状为圆环且不考虑颗粒重力和浮力的影响,提出了表征这对湿颗粒与液桥相互作用的理论模型。随后研究了液桥体积和毛细作用力与基质吸力、颗粒半径比、固-液接触角、颗粒表面粗糙度的无量纲关系,而且分析了干燥条件下颗粒间液体和液体蒸汽间的平衡关系。最后利用已有文献对球体颗粒间液桥的毛细作用力实测值验证了该模型在表征液桥毛细作用力与颗粒间距关系时的有效性。