考虑颗粒粒径和液桥体积的毛细力计算方法

土坝在非饱和渗流作用下的变形过程与湿颗粒间的细观毛细黏聚作用密切相关,因此对湿颗粒间形如液桥的水分的毛细力进行计算分析有助于认识这种作用机理。从颗粒粒径和液桥体积出发,将湿颗粒简化为不等径球体颗粒,先结合其间液桥的几何特征构建了Young-Laplace方程数值解的数据组。其次,将固-液接触角θ≤20°范围内的小体积液桥(V_(LB)~*≤1×10~(-3))表面形状假定为椭圆弧,依据颗粒等效半径推得液桥断裂距离及其毛细力关于液桥体积和颗粒间距的解析公式,并采用已有文献中不等径球体颗粒间小体积液桥的毛细力实测值验证了解析公式的有效性。再次,依据液桥体积变化更广范围内Young-Laplace方程数值解的数据组,引入颗粒半径比构建了适用于大体积液桥(V_(LB)~*1×10~(-3))的断裂距离拟合公式,并将其嵌入已有不等径湿颗粒间液桥的毛细力拟合公式中进行改进。最后,采用Young-Laplace方程数值解的数据组评价了已有的与改进的毛细力拟合公式适用性,通过对比预测误差发现:改进公式对半径比在1～128范围内的湿颗粒间不同体积液桥(V_(LB)~*≤0.13)在固-液接触角θ≤40°且颗粒间距不超过液桥断裂距离范围内的毛细力预测效果优于已有公式。将本文提出的毛细力计算方法嵌入典型湿颗粒材料的微细观弹塑性本构模型时,可用于水位骤降时土坝的变形分析及其稳定性评价。     

基于颗粒级配参数描述砂土持水及非饱和强度特性的土壤转换函数

以van Genuchten模型为基础,将砂土的基本物理特征与统计分析相结合,构建土壤转换函数以预测砂土持水曲线。首先,在土壤转换函数中引入控制粒径d_(60)和不均匀系数C_u这两个典型颗粒级配参数,并满足完全均匀和完全分散的两种理想颗粒材料条件;其次,结合非饱和土水力特性数据库(UNSODA)与4种颗粒级配分布较均匀的砂土持水曲线补充试验,通过量纲分析和回归分析,将控制持水曲线进气值和减湿率的参数a和n分别表示为d_(60)和lgC_u的反比例型转换函数,结果表明:这两种转换函数对参数a和n的预测效果优于已有转换函数;最后,将这两种转换函数引入非饱和强度公式,利用已有文献中的非饱和强度试验结果验证了提出的土壤转换函数在表征砂土毛细黏聚力与抗拉强度随基质吸力变化规律的有效性,相应的理论计算结果表明:砂土的毛细黏聚力随其控制粒径减小或均匀程度降低而增高。     

不同含液量下颗粒间液桥力及形态的试验研究

对液桥力的研究有助于从根本上揭示非饱和土持水特性的内在机理。以等径球体颗粒间的液桥为研究对象,利用纳米多功能试验机及CCD数码相机分别测量并记录了三种粒径、六种含液量下液桥拉伸过程中力值及形态的变化,并将试验结果与理论计算结果进行对比,同时对不同类型液桥拉伸曲线产生的原因提出了猜想。结果表明:液桥力-位移曲线可以分为上升段、平稳下降段以及突然跌落段三部分;不同含液量下液桥的初始形态不同,钟摆状液桥主要出现在饱和度较低且重力影响可以忽略的条件下,随着饱和度的增加液桥初始形态变为圆柱状以及外凸状;最大液桥力与粒径及含液量成正比,断裂距离与含液量成正比与粒径成反比,且粒径对最大液桥力以及断裂距离的影响更为显著;不同研究者观测到的两类液桥力-位移曲线可能是试验初始点不同导致的。