基于“土样—土颗粒—集合体”多层次分析的非饱和土水力特性研究

基本信息
批准号:41402258
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:26.00
负责人:张昭
学科分类:
依托单位:西安理工大学
批准年份:2014
结题年份:2017
起止时间:2015-01-01 - 2017-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:刘奉银,黄林,雷浩,仲玥,杨金,樊俊
关键词:
液桥演化颗粒力学非饱和土持水特性渗透特性
结项摘要

On the basis of particle mechanics, interface science, and hydrodynamics, a novel multi-level analysis of “soil specimen-soil particle-assembly” is proposed to study the hydraulic behavior of unsaturated soils. Firstly, the water retention curves for soil specimens are simulated by existing models. The traditional water retention model at relatively high moisture is extended to the cases at lower moisture. Then a new permeability model for unsaturated soils is proposed by taking into account the capillary and film flow. Secondly, a soil specimen can be simply divided into several uneven-sized sphere particles, where water form can be characterized by liquid bridge. A theorical model is developed to study the evolution of capillarity force for the liquid bridge between uneven-sized wet particles with ratio of particle radius, particle separation and liquid volumes. Finally, an unsaturated soil is simplified as a nonuniform soil particulate assembly consisting of uneven-sized sphere particles, relatively loose and relatively dense packing assemblies are then generated based on the measured grain size distribution of soil. After analyzing the water retention and flow law in unit pores formed among particle assemblies, physical models are put forward for water retention and permeability of nonuniform soil particulate assembly. A series of questions about the action mechanism of matric suction on “soil specimen-soil particle-assembly” will be resolved theoretically, the friuts of the project will then deepen and perfect the explanations of inner hydraulic mechanism, which can provide a novel approach to study water retention and permeability behavior for unsaturated soils.

以颗粒力学、表面科学及水动力学为基础,采用“土样—土颗粒—集合体”的多层次分析模式,从理论上研究非饱和土的水力特性。首先,从土样试验结果的模型描述出发,将适用于高湿度范围的传统持水模型推广至低湿度范围,并在全湿度范围内建立综合考虑毛细和薄膜流动的非饱和渗透模型;其次,将土样简化分散为不等径球体颗粒,用液桥表征颗粒间的水分形态,研究液桥从形成至断裂时毛细作用力与颗粒半径比、颗粒间距、液桥体积的理论关系;最后,将非饱和土简化为不等径球体颗粒组成的不均匀土颗粒集合体,利用土的颗粒级配试验结果生成较松散和较密实排列的2种颗粒集合体,研究其单元孔隙内水分的含量及流动规律,建立表征其持水与渗透特性的物理模型。研究成果将从理论上回答基质吸力对“土样—土颗粒—集合体”持水与流动特性作用机制的一系列问题,深化和完善对非饱和土水力特性的内在机理认识,为非饱和土持水与流动特性的研究探索出一条新途径。

项目摘要

水力-力学特性是当今非饱和土力学研究的热点和难点之一。基于表面科学、颗粒力学、水动力学与热力学原理,提出了“土样-土颗粒-集合体”的细-宏观多尺度分析模式。先从土样的试验结果出发,实现了土在全含水率范围内持水及非饱和渗透特性的模型描述,并利用持水曲线提出了预测非饱和土相对渗气系数的新方法,基于孔隙连通-迂曲参数推得了非饱和渗透各向异性系数关于有效饱和度的幂函数表达式;再将土颗粒中的粗粒和细粒分别简化为不等径球体颗粒和平行片状颗粒,用液桥表征颗粒间的水分形态,提出了考虑固-液接触角影响的粗粒间液桥毛细力计算方法,并分析了细粒间液桥从形成至断裂时毛细力的演化规律;对土颗粒级配曲线上划分的粒组分别构建形如立方体的天然土颗粒以及理想球体颗粒集合体,对比分析这两者的几何特征和物理性质,并依据理想圆柱形孔隙与天然土孔隙内水分流量的相似性,提出了预测持水曲线与非饱和渗透系数函数的物理方法;最后,将非饱和土简化为各相及其交界面组成的集合体,在Helmholtz自由能中考虑力-水耦合特性,推导出考虑气-液交界面面积密度的有效应力公式。研究成果深化和完善了对非饱和土水力-力学特性的内在机理认识,为非饱和土持水-流动特性与有效应力研究探索出一条新途径。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

DOI:10.15957/j.cnki.jjdl.2016.12.031
发表时间:2016
2

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

涡度相关技术及其在陆地生态系统通量研究中的应用

DOI:10.17521/cjpe.2019.0351
发表时间:2020
3

祁连山天涝池流域不同植被群落枯落物持水能力及时间动态变化

祁连山天涝池流域不同植被群落枯落物持水能力及时间动态变化

DOI:10.13885/j.issn.0455-2059.2020.06.004
发表时间:2020
4

氟化铵对CoMoS /ZrO_2催化4-甲基酚加氢脱氧性能的影响

氟化铵对CoMoS /ZrO_2催化4-甲基酚加氢脱氧性能的影响

DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2022.10.026
发表时间:2022
5

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

DOI:10.16285/j.rsm.2019.1280
发表时间:2019

张昭的其他基金

批准号:11572074
批准年份:2015
资助金额:56.00
项目类别:面上项目
批准号:60603003
批准年份:2006
资助金额:16.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:50471043
批准年份:2004
资助金额:26.00
项目类别:面上项目
批准号:21073162
批准年份:2010
资助金额:37.00
项目类别:面上项目
批准号:11771013
批准年份:2017
资助金额:48.00
项目类别:面上项目
批准号:10971255
批准年份:2009
资助金额:25.00
项目类别:面上项目
批准号:41877278
批准年份:2018
资助金额:61.00
项目类别:面上项目
批准号:50274056
批准年份:2002
资助金额:22.00
项目类别:面上项目
批准号:50474071
批准年份:2004
资助金额:20.00
项目类别:面上项目
批准号:81473305
批准年份:2014
资助金额:73.00
项目类别:面上项目
批准号:50771092
批准年份:2007
资助金额:32.00
项目类别:面上项目
批准号:10802017
批准年份:2008
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11875127
批准年份:2018
资助金额:60.00
项目类别:面上项目
批准号:20203015
批准年份:2002
资助金额:22.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11172057
批准年份:2011
资助金额:60.00
项目类别:面上项目
批准号:11275069
批准年份:2012
资助金额:80.00
项目类别:面上项目
批准号:51771173
批准年份:2017
资助金额:60.00
项目类别:面上项目
批准号:21273199
批准年份:2012
资助金额:80.00
项目类别:面上项目

相似国自然基金

1

非饱和石灰改良土持水与变形特性的温度-土颗粒尺度效应研究

批准号:41702306
批准年份:2017
负责人:王叶娇
学科分类:D0705
资助金额:27.00
项目类别:青年科学基金项目
2

非饱和粘性土的动力特性研究

批准号:59878003
批准年份:1998
负责人:张鸿儒
学科分类:E0807
资助金额:17.00
项目类别:面上项目
3

基于非饱和土广义有效应力原理的非饱和土本构模型研究

批准号:51108022
批准年份:2011
负责人:刘艳
学科分类:E0807
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目
4

高膨胀性非饱和土的水力和力学特性耦合及其弹塑性模型

批准号:10972130
批准年份:2009
负责人:孙德安
学科分类:A1301
资助金额:35.00
项目类别:面上项目