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水利学报 2021年第4期52卷 442-460页

作者：张昭程靖轩刘奉银齐吉琳许增光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

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... 详细信息

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。

关键词：湿颗粒材料毛细黏聚液桥拉伸毛细力

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基于“颗粒-孔隙-集合体”细-宏观尺度的水土作用机制研究

基于“颗粒-孔隙-集合体”细-宏观尺度的水土作用机制研究

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作者：程靖轩西安理工大学

学位级别：硕士

水土作用是非饱和土力学理论的核心内容,也是当今土力学界的研究热点和难点之一。在大型水利、水电等工程建设中,土体中不可避免的水迁移会显著影响其变形和稳定性,可能诱发工程灾害。引入颗粒与水相互作用理念揭示水土作用机理,不仅是... 详细信息

水土作用是非饱和土力学理论的核心内容,也是当今土力学界的研究热点和难点之一。在大型水利、水电等工程建设中,土体中不可避免的水迁移会显著影响其变形和稳定性,可能诱发工程灾害。引入颗粒与水相互作用理念揭示水土作用机理,不仅是学科发展需要,也是实际工程建设的迫切需求。为此,本文基于非饱和土力学、颗粒力学、表面科学及水动力学的学科交叉背景,采用“颗粒-孔隙-集合体”细-宏观多尺度分析优化方法,研究细观水土作用机理,并应用于宏观水力与力学特性分析,研究工作可以总结为以下4个方面:(1)从颗粒的理论分析出发,将非饱和土简化为湿颗粒模型,采用液桥描述湿颗粒间吸附的水分形态。以椭圆弧假定为理论基础,推得考虑固-液接触角的等径湿颗粒间液桥的断裂距离与毛细力解析公式,利用颗粒等效半径将其公式推广至不等径湿颗粒的范围,进而在考虑液桥体积的条件下,将适用于小体积液桥的断裂距离、毛细力解析公式推广至大体积液桥。此外,在控制基质吸力的条件下基于圆弧假定推得等径湿颗粒间液桥断裂距离的解析公式和毛细力的计算方法,并利用颗粒等效半径将该方法推广至不等径湿颗粒的范围。(2)从颗粒的试验探究出发,开展湿颗粒间液桥拉伸的力学性能试验,通过改变拉伸速率、液桥体积和颗粒材料,分别研究了液桥几何特征对毛细力的影响。结果表明:湿颗粒间液桥拉伸过程中,毛细力随颗粒间距先增大后减小,拉伸速率对毛细力影响有限;在毛细力下降阶段,液桥弯液面的曲率半径随毛细力减小先减小后增大再减小,直至液桥断裂时,液桥弯液面的曲率半径最小。(3)从颗粒间的孔隙出发,研究孔隙形状与孔径分布对岩土介质渗透及持水特性的影响。一方面,构建了圆柱形孔喉-大孔隙联合体组成的变截面孔隙模型,假定孔径分布服从分形分布,推得岩土介质的饱和渗透系数函数、相对渗透系数函数及滞回持水曲线的理论公式,并对各公式的有效性进行了验证。另一方面,对土样的颗粒级配曲线划分不同粒组,将每个粒组对应的孔隙简化为圆柱形孔隙,基于Hagen-Poiseuille公式,并结合天然土孔隙与理想孔隙内水分流量的相似关系,为预测非饱和渗透系数函数构建了一种无需引入未知经验参数的物理方法,进而验证了该物理方法在表征非饱和渗透系数与体积含水率关系时的有效性。(4)从颗粒简化组成的集合体出发,以van Genuchten模型为基础,一方面,将土的基本物理特征与统计分析相结合,提出了用土颗粒级配参数(控制粒径d60和不均匀系数Cu)表示的土壤转换函数,并能满足完全均匀和完全分散两种理想球体颗粒集合体条件,进而将该函数引入非饱和强度公式,从而实现了对非饱和砂土毛细黏聚力和抗拉强度及其随基质吸力变化规律的快速、合理预测。另一方面,构建了一组经验公式使van Genuchten模型参数能够考虑土的干密度变化,采用已有文献中土的不同干密度下持水实测数据对其进行标定,提出了预测不同干密度土样持水曲线的两种新方法,并对两种新方法的有效性和实用性进行了验证、评价。

关键词：非饱和土湿颗粒毛细力液桥拉伸持水特性渗透特性毛细黏聚

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