非饱和砂土的水分-颗粒-应力相互作用机理及其在渗流-变形耦合分析中的应用

On the basis of interface science, particle mechanics and unsaturated soil mechanics, a novel meso-macro scopic analysis of “particle-pore-assembly” was proposed to investigate the ineractions among water-particle-stress of sandy soil. Firstly, a meso-scopic scale hydraulic model was proposed to evaluate the interaction between coarse particles and liquid bridge-shaped water in virtue of the elliptical approximation and Young-Laplace equation. Secondly, cube-shaped assemblages of natural sand and idealized spherical particles as well as corresponding pore assemblages were developed according to the fractions from particle-size distribution of sandy soil. The relationships of proportionality and similarity between the two assemblages were then proposed to provide a novel approach to develop water retention model and unsaturated permeability function for sandy soil. In addition, a novel equation was proposed for the evaluation of the effective stress of an unsaturated sandy soil, based on wetted surface area of soil particles. Finally, an analytical solution was presented for the coupled seepage and deformation problem in any saturation interval. The fruits of the project will then deepen the explanations of the ineractions among water-particle and perfect mechanical theory of unsaturated sandy soil.

以表面科学、颗粒力学、非饱和土力学为基础，采用“颗粒-孔隙-集合体”的细-宏观分析方法，研究非饱和砂土的水分-颗粒-应力相互作用机理。首先，采用理想球体颗粒模拟砂土中的粗颗粒，将颗粒间的水分形态视为液桥，假定液桥表面的形状为椭圆，结合Young-Laplace方程，提出表征水分与粗颗粒相互作用的细观力学模型；其次，依据典型砂土的颗粒级配曲线，构造理想球体颗粒和天然砂土颗粒集合体，通过分析两者的几何特征和物理性质以及孔隙内水分流量的相似性，提出计算砂土孔径分布的新方法，并从理论上构建相应的持水曲线模型及非饱和渗透系数函数；第三，基于水分浸润颗粒的表面积分析非饱和砂土的有效应力传递机理，建立砂土有效应力参数的理论表达式；最后，将以上分析成果应用于推导分析砂土渗流-变形耦合效应的解析解。本项目研究成果将深化对砂土颗粒-水分相互作用的认识，丰富砂土的力学理论。

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。以表面科学、颗粒力学、水动力学为基础，提出了“颗粒-孔隙-集合体”的细-宏观分析模式，研究非饱和砂土的水分-颗粒-应力相互作用机理。首先，从土颗粒出发，将砂土中的湿颗粒简化为不等径球体颗粒，其间吸附的水分视为液桥，从颗粒粒径和液桥体积这两个影响因素出发，将解析表达式推导与Young–Laplace方程数值解的数据拟合分析相结合，提出了不等径颗粒间的大、小体积液桥断裂距离及其毛细力的计算方法，研发了湿颗粒间液桥拉伸-压缩性能的测试技术。其次，从土孔隙的变截面特征出发，构建了圆柱形孔喉-大孔隙联合体组成的变截面孔隙模型，推得饱和-非饱和渗透系数函数及滞回持水曲线的理论表达式；从土孔隙尺寸分布与土颗粒级配分布之间的内在联系出发，结合天然土颗粒集合体与理想球体颗粒集合体分别构成的天然孔隙与理想圆柱形孔隙内水分流量的相似原理和量纲分析原理，提出了预测非饱和砂土水力-强度特性的物理-统计方法。第三，假定砂土颗粒集合体的有效应力仅通过土粒被水分浸润的表面传递，采用浸润土粒的表面积与其总表面积之比描述有效应力参数，进而基于砂土孔隙形态以及孔径分布的特征，建立了有效应力参数关于有效饱和度（或基质吸力）的理论表达式。第四，研发了水力-变形特性参数的联合测试技术，可在侧限与三轴应力状态下测定基质吸力恒定时的渗气渗水系数，进而提出了考虑渗气渗水函数的非饱和土层沉降变形以及雨水入渗非饱和土体的解析计算方法，不仅揭示了水气渗流相互作用对非饱和土固结过程的影响，而且实现了在雨水动态入渗过程中的非饱和渗流计算分析。最后，将本项目提出的细-宏观分析模式推广至土层因干燥失水引起的收缩、开裂和沉陷过程的细观机理和宏观响应研究中。本项目研究成果不仅可对水土作用内在机理有更深层次的认识，而且可为非饱和土工程水力与力学致灾机理评价及防治提供理论依据。