颗粒的相互作用机理及对非饱和土力学特性的影响研究

The state of the art shows that the unsaturated soil effective stress and soil water characteristic curve (SWCC) should be further studied. Many factors affect the SWCC, so it is difficult to determine the key factor ruling the SWCC. Here, a completely new set of methods is proposed to study the pendular water and the interactions between soil particles and the pendular bond, which will seem help us reveal the essence of the SWCC, and hence, the effective stress through making clear the mechanism of interaction of pendular water with particles. The following knowledge will be used, including particle mechanics, surface sciences, geometry, to research the relationship between pendular ring water amount and water content, and to research the interaction of pendular ring with particles. It is also important to develop a set of methods for micro-particles test, and for particles preparing. Based on the above studies and tests, research purpose is to reveal their affecting degrees of factors affecting soil suction. Therefore, the mechanism of how suction taking effect with soil particles and hence the soil skeleton. Finally, the mathematic model of SWCC and effective stress will be proposed and verified.

非饱和土有效应力研究现状表明其需进一步研究。影响土水特征曲线的因素很多，不利于研究者把握核心因素，因此从土颗粒的细微观角度来研究颗粒间的液桥与颗粒间液桥的作用力间的关系，似乎更容易认识到土水特征曲线的本质。此项目另辟蹊径，从微细观颗粒级和表面科学的角度来推进非饱和土的有效应力和SWCC研究，为非饱和土力学的理论发展探索一条新途径。针对非饱和土有效应力和土水特征曲线（SWCC）问题，借助颗粒理论和试验方法，通过颗粒力学与表面科学理论分析，颗粒微细观试验研究等，探索土颗粒间液桥的水含量与其宏观物理量（如饱和度）之间的关系以及液桥与颗粒的作用，颗粒制备与试验方法，揭示吸力与颗粒大小、级配、流体相等的关系，以及土中吸力对土颗粒作用的机制及含水率对土的强化和弱化（软化）作用机理、基质吸力的微细观影响因素及其对SWCC和有效应力的影响机制，提出SWCC和有效应力更为合理的数学模型。

土颗粒与水的相互作用是影响非饱和土物理、力学性质的重要因素，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。首先研究了不等径湿颗粒与液桥相互作用的微观水力特性，基于这些微细观模型，应用PFC软件进行了考虑不同排列和胶结的数值计算研究，以期建立和验证微细观模型与宏观试验结果之间的联系，并拓展数值试验，分析一些实际特殊条件下很难进行的试验。宏观上，构建了均匀湿颗粒材料滞回持水曲线的物理模型。其次进行了土在全含水率范围内土水特征曲线模型描述，及非饱和土渗透特性的模型描述，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，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。