固结过程非饱和黏性土孔隙结构的演化规律及其对水力特性的影响机制

The soil water retention curve under a random deformation is needed for study on constitutive relations of unsaturated soil, while experiments can only give the soil water retention curve under a specific condition. Thus, study on deformation's influence on the soil water retention curve is urgent and necessary. Deformation influences the soil water retention curve by way of influencing the pore structures, thus, related research can not be avoided from the research on pore structures. .After performing consolidation experiments of unsaturated cohesive soil, the samples of unsaturated cohesive soil with different macroscopic deformation and microcosmic pore structures are prepared. By using the scanning electron microscope, mercury intrusion technique, soil micromorphology technique and numerical image technique, the pore structures of soil samples with different deformation are studied. The soil water retention curve is obtained by using the pressure plate apparatus while the corresponding saturated permeability coefficient is gotten by the variable water level method. Combined with the soil water retention curve and saturated permeability coefficient, the permeability coefficient of unsaturated cohesive soil is predicted. Based on the experiment results, the pore structure is quantitatively described by using the fractal theory. Supposing the volume of grains can't be compressed, the relation between pore structures and consolidation deformation is established. Using the Young-Laplace equation，the expressions are obtained to represent the relationship between pore structures and hydraulic properties, which comprise permeability and soil water retention curve. In this research, the mathematic model is established to express deformation's influence on hydraulic properties through pore structures, thus, the study on constitutive relations of unsaturated soils will be promoted.

试验测量的方法只能给出特定状态下的土-水特征曲线，而非饱和土本构关系研究需要获得任意变形条件下的土-水特征曲线，因此研究变形对土-水特征曲线的影响具有必要性和迫切性。变形通过影响孔隙结构来影响土-水特征曲线，因此相关研究离不开孔隙结构的研究。.项目以非饱和黏性土为研究对象，通过固结试验制备不同宏观变形及微观(细观）孔隙结构的试样；采用扫描电镜、土壤切片技术、数字图像技术、压汞技术，定量研究不同变形参量试样的孔隙结构；通过压力板仪测定不同变形参量试样的土-水特征曲线，结合试样饱和渗透系数计算非饱和渗透系数。以试验结果为基础，利用分形理论对孔隙结构进行定量化描述；通过计算孔隙率的变化，建立变形与孔隙结构的对应关系式；结合Young-Laplace方程，建立有效模型定量描述孔隙结构对水力特性的影响规律。项目通过孔隙结构建立数学模型定量描述变形对水力特性的影响，促进非饱和土本构关系的研究与发展。

非饱和土的本构关系研究需获得任意压缩变形条件下的土-水特征曲线（SWCC），但试验测量往往只能给出特定状态下的SWCC。压缩变形改变土体孔隙分布特性，从而影响其SWCC。采用压汞技术、核磁共振技术、扫描电镜、数字图形技术研究压缩变形条件下土体孔隙孔径分布的变化规律，基于实测及已有试验数据研究SWCC变化规律。研究结果表明：在不同的压缩变形条件下，土体（单位颗粒质量）的累计孔隙体积分布整体上呈现“扫帚型”分布，质量含水量表示的SWCC也呈现相似的分布，二者变化规律较为一致，从而揭示了SWCC随压缩变形变化的内在机理。在此基础上，建议了一种压缩变形影响下的SWCC简化表征方法，其描述的SWCC与试验结果吻合较好。. 结合流体力学理论及毛细理论，推导了SWCC与土体饱和/非饱和渗透系数的关系模型，利用该模型预测了非饱和渗透系数，其预测结果与已有文献试验结果吻合较好。在此基础之上，给出了变形条件下黏性土饱和/非饱和渗透系数预测方法，SWCC试验及渗透试验结果表明，该方法预测效果较好。压缩变形条件下黏性土非饱和渗透系数整体形状同样呈现“扫帚型”分布。.给出了一种直接通过SWCC实测数据求解分维数的计算方法，建议了一种SWCC拟合分析的分形模型。计算结果表明：分维数计算及拟合分析时，7个试样相关系数都集中在0.97～0.99之间，从而证明了SWCC具有良好的分形特性，建议的拟合方法拟合效果较好。此外，发现：分维数、进气值随干密度几乎呈线性增加，据此建议了另一种不同压实度下的SWCC预测方法，其预测结果与实测值吻合较好。. 建立一种基于压汞试验数据的SWCC预测方法: 首先基于压汞试验获取的孔隙分布数据求解分维数和“最大特征孔径”，在考虑了“等效连通孔径”的尺寸效应的条件下，利用 “最大特征孔径”反算进气值，然后基于SWCC分形模型进行预测。试验结果表明，该方法预测结果与试验结果吻合较好。.基于分形理论，建立了质量分维数与黏粒含量的关系式，利用已有试验数据验证了该式的合理性，并从理论上解释了质量分维数随黏粒含量增大的基本规律。在此基础上，结合已有的研究成果，建立了分形模型描述土体黏粒含量对SWCC影响规律，该模型预测的SWCC与已有不同土类样本的试验数据吻合较好。最后，利用该模型同时预测了不同黏粒含量典型土体的SWCC，阐明了黏粒含量对SWCC影响的基本规律。