非饱和土中气固液三相交界面的微观作用机理研究

The soil on the earth surface is usually partially saturated or unsaturated. However, the effective stress definition of unsaturated soils is debated for a long time, which restricted the application of unsaturated soil mechanics. Most of the effective stress formulas ignored the interfacial effects, which may lead to an underestimation of soil strength, especially when the degree of saturation is low. Due to the limitation of laboratory and numerical techniques, the investigation on interfacial effects in unsaturated soils is insufficient in the past. Focusing on unsaturated granular soils, this project will study the microstructures, the distribution of interfaces and their impact on macro hydraulic and mechanical behaviours by using the X-ray CT technique. This project will also develop a DEM-LBM coupling method to simulate the three-phase system and the interfaces. The numerical results will be compared with the CT analysis. With a systematic study of the effect of grain size distribution, void ratio and degree of saturation on the interface induced strength, the contribution of interfaces on effective stress will be clarified. The ultimate task of this project is to provide a solid physical basis for a more practical and more precise effective stress formula or strength function with interface effects being considered.

非饱和状态是地表土的常见形态，但非饱和土的有效应力概念长期存在争议，这制约了非饱和土力学的广泛工程应用。目前多数非饱和土有效应力公式或强度公式忽视了以表面张力为代表的交界面作用，可能在中低饱和度下明显低估土体强度。过去由于实验技术及数值方法的限制，对交界面的分布演化规律及其对强度的贡献的详细物理机理研究较少。本课题以非饱和颗粒状土为研究对象，将通过运用小型化实验设备并结合CT扫描技术，对其宏观水力和力学行为，以及微观三相拓扑形态及交界面分布进行研究。本课题还将开发离散元和格子玻尔兹曼法耦合的计算程序模拟固、气、液三相系统及平衡态下的三相交界面并与实验结果对比分析。通过系统研究颗粒级配、初始孔隙率、饱和度等实验室较易测得量对微观孔隙水及交界面分布的影响机理，将得出液体分布及交界面对土体骨架所承受应力的作用规律，最终目的是为更精确实用的非饱和土有效应力公式及强度理论提供坚实物理基础。

本项目的研究中以非饱和颗粒状土为研究对象，运用原位CT扫描试验、图像处理分析、LBM两相流模拟程序与DEM数值模拟的技术手段与研究方法，开展对非饱和土微宏观水力-力学特性与交界面效应的多方面研究，实现基于交界面效应的强度理论模型的初步发展。.在非饱和土交界面与力学行为特性的微观实验研究方面，研发了适用微焦点CT扫描系统的小型化非饱和三轴试验装置与SWCC渗流试验装置，分别开展了吸力控制的原位三轴加载CT扫描试验与原位SWCC渗流CT扫描试验，实现了对非饱和三轴剪切与SWCC渗流实验过程的无损化高精度三维成像。基于扫描图像的处理分析，对非饱和颗粒状土的三相物质物理特性、液相运移、相位间交界面的拓扑形态与空间分布及颗粒尺度与亚颗粒尺度力学行为的演化行为进行研究，将微观行为特性与试样整体宏观的应力应变行为进行关联分析，建立了基于图像的微观交界面信息对非饱和土有效应力公式中的Bishop系数的张量形式估算方法。与此同时，在微观研究过程中，实现了对多源多探的快速扫描三维成像系统的研发。.在LBM与DEM模拟的非饱和土持水特性及力学特性的微宏观数值模拟研究中，基于伪势模型开发了多相多组分流动（气、液两相流）的LBM程序，基于CT扫描图像构建真实的流体流动边界条件，完成气、液两相流体在真实散体材料多孔介质边界条件下的流动驱替模拟，模拟了不同孔隙率与不同接触角的多孔介质气-液两相流的流动过程，对颗粒状土的土体持水能力、相位间交界面面积与相对渗透率进行了微宏观研究，归纳微观交界面效应与孔隙率、接触角、饱和度等宏观参数间的相互作用机制对非饱和颗粒状土持水能力的影响规律；基于颗粒材料的液桥离散元模型，开展钟摆态非饱和颗粒材料在三轴剪切作用下的的力学行为特性的数值模拟，对非饱和颗粒状土的颗粒层级与亚颗粒层级的多类微观特征与宏观应力应变行为进行多尺度研究，阐明了饱和度对非饱和颗粒材料微宏观特性的作用机制，进一步完善了非饱和土强度理论。