考虑颗粒粒径和液桥体积的毛细力计算方法

作     者：张昭 程靖轩 刘奉银 齐吉琳 许增光 ZHANG Zhao;CHENG Jingxuan;LIU Fengyin;QI Jilin;XU Zengguang

作者机构：西安理工大学岩土工程研究所陕西西安710048 北京建筑大学土木与交通工程学院北京100044 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048 

出 版 物：《水利学报》 (Journal of Hydraulic Engineering)

年 卷 期：2021年第52卷第4期

页      面：442-460页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金项目(41877278,51679198,51922088) 国家留学基金项目(201908610043) 陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(18JS71) 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室项目(QNZX-2019-07,2019KJCXTD-12) 

主　　题：湿颗粒材料 毛细黏聚 液桥拉伸 毛细力 

摘      要：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。