干湿循环条件下非饱和土的界面-吸力、界面-强度特性研究

The interfacial physical and chemical properties of unsaturated soils change with the drying-wetting cycles, which lead to the change of soil suction and strength. From the perspective of interface physical chemistry, the interfacial chemical properties of soil particles under drying-wetting cycles will be studied, the change of soil suction and strength caused by the change of interfacial chemical properties will be also studied in this project. The three phase interface characteristics of unsaturated soil under the drying-wetting cycles are learned. The Young equation and Lucas-Washburn equation are established to reflect the drying-wetting cycles. Through direct observation test and image processing technology, the saturation-contact angle curves of sand drying process will be established. The judgments basis for environmental factors or interface factors will be proposed, on this basis, the strength and SWCC tests which have defined drying-wetting paths will be carried out, and the rules are further studied. The study of this project is helpful to understand the mechanical mechanism of unsaturated soil under drying-wetting cycles. At the same time, it also provides a new idea to deal with the adverse factors caused by drying-wetting cycles.

非饱和土的界面物理化学性质会随干湿循环而发生变化，并因此导致土体的吸力与强度性质改变。本项目拟从界面物理化学角度出发，对非饱和土干湿循环作用下的界面化学性质及界面化学性质改变带来的非饱和土吸力、强度变化展开研究。明确干湿循环作用下非饱和土的三相界面特性，建立反映干湿循环作用的Young方程及Lucas-Washburn方程，通过直接观测试验及图像处理技术建立砂土脱湿过程中的饱和度-接触角关系曲线,给出以环境因素或界面因素为变量的非饱和土增湿或脱湿判断依据。在此基础上进行准确界定增湿、脱湿路径的非饱和土强度试验及干湿循环下的SWCC试验，并对其规律展开深入研究。本项目的研究有助于深入了解干湿循环作用下非饱和土的力学机理，同时也为处理干湿循环作用带来的不利因素提供一条新思路。

干湿循环过程中，非饱和土的界面性质也会发生相应的改变，并最终反映在力学性质上。在考虑接触角(CA)的非饱和土理想模型中，CA取值经常通过假设直接得到或以躺滴法的测量结果作为依据建模，其合理性并没有得到验证。为给非饱和土理想模型建模提供更接近真实情况的CA取值依据，项目对非饱和土理想模型中CA取值来源及CA测量方法进行了总结，采用躺滴法(SDM)与直接观测法(DOM)对土壤CA连续变化规律进行了测量，结果表明：躺滴法与直接观测法测出的土壤CA大小及CA变化规律存在很大区别，躺滴法测出的是许多颗粒组成“平面”的表面CA，而直接观测法测出的是土颗粒间的CA，躺滴法的测量结果能很好的评价土壤的斥水度，但用作非饱和土理想模型的参数则可能会引起很大误差，而直接观测法能模拟土壤的天然状态，其测量结果更接近土壤的真实情况。用一个具有平均意义的CA值作为模型参数是合理的，只是这个值不应该是0，把CA作为土水特征曲线产生滞后现象的主要因素很可能夸大了CA滞后的作用。膨胀土失水收缩、遇水膨胀的性质可能引起诸多工程问题，并造成巨大的经济损失。项目从土壤斥水角度出发，利用十八胺改性膨胀土，对改性后的不同斥水度膨胀土进行水气吸附试验，在此基础上分别对亲水膨胀土、亲水膨胀土+亲水砂、亲水膨胀土+斥水砂、斥水膨胀土、斥水膨胀土+斥水砂5种土的击实试样开展一系列试验，通过试验对其斥水稳定性及力学性质展开研究，结果表明：吸附试验前不同斥水度（包括轻微斥水）的膨胀土在吸附稳定后都变成了极度斥水，且各测试点都均匀斥水。击实后的斥水膨胀土与斥水膨胀土+斥水砂试样，在较大的含水率变化范围内均表现出了斥水性。与其它试样相比，斥水膨胀土+斥水砂对膨胀土的改性效果最好，它使膨胀土的膨胀率从33.9%下降为3.45%，收缩裂隙度从18,75%下降为3.6%，膨胀土斥水改性后其基质吸力与强度参数并没有出现明显的改变。该项目的研究有望应用于农业工程领域的干旱防治。应用于水土保持领域的边坡生态恢复，在边坡绿色恢复后减少甚至避免后期维护。应用于水利工程方面的防渗及膨胀土改性等，避免膨胀土干缩开裂的同时减小其渗透系数。