基于熱力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的非飽和土土水特征曲線模型.pdf

1、土水特征曲線（Soil-Water Characteristic Curve，簡(jiǎn)稱SWCC）表征了非飽和土中飽和度Sr（或體積含水量）與基質(zhì)吸力（或土水勢(shì)）s間的關(guān)系，它是進(jìn)行非飽和土流-固耦合、非飽和土變形與強(qiáng)度、以及污染物在非飽和土中運(yùn)移等研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文針對(duì)土水特征曲線與土體變形間的耦合問(wèn)題，進(jìn)行了一系列的研究，主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)基于壓汞、電鏡掃描等試驗(yàn)成果，本文首先從微觀的角度出發(fā)，揭示了吸力變

2、化時(shí)非飽和土微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，通過(guò)建立孔隙分布曲線與孔隙比之間的關(guān)系，推導(dǎo)出一個(gè)能預(yù)測(cè)吸力增加時(shí)孔隙分布曲線變化的數(shù)學(xué)模型。該模型中，隨著吸力增大，孔隙分布曲線可由初始參考曲線通過(guò)三個(gè)變化得到:平移、縮放以及分散;經(jīng)分析，模型中的縮放量、平移量與孔隙比呈線性關(guān)系，而分散程度與孔隙比服從單指數(shù)衰減。經(jīng)與多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，所提出的數(shù)學(xué)模型能較好地預(yù)測(cè)孔隙分布曲線的變化，再現(xiàn)干化過(guò)程中非飽和土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演化。
　　(2)土體微觀結(jié)

3、構(gòu)對(duì)非飽和土的滯水特性影響巨大，許多模型試圖將孔隙分布與滯水曲線相聯(lián)系，然而大多數(shù)模型忽略干濕過(guò)程中土體的微觀結(jié)構(gòu)變化，如孔隙分布、顆粒大小和形狀、顆粒間距離等的變化。此外，吸附水含量變化的影響也并未考慮。本文基于干濕過(guò)程中孔隙分布曲線的變化規(guī)律，建立了一個(gè)能綜合考慮水力路徑下，顆粒幾何尺寸變化、吸附水影響等因素的土水特征曲線模型。隨后，對(duì)一些試驗(yàn)進(jìn)行模型預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，模型能較好的反映干濕路徑下，土體微觀結(jié)構(gòu)對(duì)土-水

4、特征曲線的影響。
　　(3)基于熱力學(xué)內(nèi)變量理論，建立一個(gè)能同時(shí)考慮非飽和土體積變形與毛細(xì)滯回效應(yīng)影響的土水特征曲線模型。由熱力學(xué)第二定律的推演可知:塑性變形與毛細(xì)滯回現(xiàn)象實(shí)際上是一種耗散行為;飽和度與吸力間的變化關(guān)系不唯一原因在于飽和度變化不僅與液相變化相關(guān)，也受到固相變化的約束和影響，即液相體積變化和固相體積變形間存在耦合作用。從微觀物理機(jī)制上揭示了變形與吸力間的相互作用以及滯回現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理，基于此建立以一個(gè)能夠綜合考慮滯回效

5、應(yīng)與變形的SWCC一般性模型。利用邊界面理論，通過(guò)引入兩個(gè)新參數(shù)，建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的可同時(shí)考慮塑性孔隙變化及毛細(xì)滯回效應(yīng)的新模型。通過(guò)模型預(yù)測(cè)與現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果證明該模型不僅能考慮土體變形的影響，同時(shí)能較為準(zhǔn)確地模擬毛細(xì)滯回行為，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。
　　(4)基于上述土水特征曲線模型，采用多孔介質(zhì)理論，通過(guò)推導(dǎo)建立了一個(gè)非飽和土水力-力學(xué)耦合本構(gòu)模型。模型預(yù)測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明:所提模型能較好的模擬