土在全含水率范围内持水及非饱和渗透特性的模型描述

传统的持水及非饱和渗透系数模型在较高含水率范围预测较好,而在较低含水率范围预测较差。一方面引入分界点将用体积含水率表示的持水曲线分为毛细阶段和吸附阶段,当土比分界点干燥时假定残余体积含水率与基质吸力的关系,改进Van Genuchten模型在较低体积含水率范围的适用性,将其推广至全体积含水率范围。另一方面,引入修正系数改进表征等径球体颗粒集合体内薄膜流动的非饱和渗透系数模型,并将非饱和渗透系数表示为毛细流动和薄膜流动对其贡献之和,以实现其在全体积含水率范围内从毛细流动到薄膜流动的光滑过渡。最后利用已有文献中6种壤土在较高、较低体积含水率范围内的持水以及非饱和渗透试验结果验证了修正持水及非饱和渗透系数模型的准确性,结果表明:这2种修正模型在全体积含水率范围内较传统模型的预测效果更好。

考虑气-液交界面的非饱和土有效应力公式

在本构关系中如何确定有效应力是非饱和土力学界的重要课题之一。将非饱和土简化为气、液、固三相及其交界面组成的集合体。基于热力学原理,在Helmholtz自由能中考虑力-水耦合特性,将各相及其交界面的质量、动量、能量、熵守恒方程及相应的限制条件与自由能函数的物质导数联立代入熵不等式,根据该不等式适用所有热力学状态的条件推导出考虑气-液交界面面积密度的有效应力公式,并在利用该公式确定有效应力参数时将气-液交界面的面积密度表示为基质吸力与饱和度的函数。最后,利用已有文献中3种土的多阶段减、增湿三轴剪切试验结果,验证了该有效应力参数表达式相较于已有文献表达式在描述干湿循环下有效应力参数与基质吸力关系时的优势。

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。