2014年第59卷第23期：2290~2300www.scichina.comcsb.scichina.com引用格式:李舰,赵成刚,蔡国庆,等.膨胀性非饱和土中固-液相间的毛细与物理-化学作用的模型.科学通报,2014,59:2290–2300英文版见:LiJ,ZhaoCG,CaiGQ,etal.Amodelconsideringsolid-fluidinteractionsstemmingfromcapillarityandadsorptionmechanismsinunsaturatedexpansiveclays.ChinSciBull,2014,59:3314–3324,doi:10.1007/s11434-014-0411-6《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS论文膨胀性非饱和土中固-液相间的毛细与物理-化学作用的模型李舰①,赵成刚①②*,蔡国庆①,郭艳鑫①①北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;②桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林541004*联系人,E-mail:cgzhao@bjtu.edu.cn2013-10-31收稿,2014-01-07接受,2014-07-01网络版发表国家自然科学基金(51278047)和广西自然科学基金创新团队项目(2012GXNSFGA060001)资助摘要膨胀性非饱和土中液相与固相基质间的相互作用,依据其形成机理不同,可分为毛细和物理-化学作用.然而,目前建立的非饱和土本构模型多是基于毛细机理提出的,忽略了后者对土体力学和水力行为的贡献.对于膨胀性非饱和土而言,固-液相间的物理-化学作用显著,并且致使土体具有复杂的行为特征.为了能够对膨胀性非饱和土的力学和水力行为进行全面、合理地解释和描述,本文建立了1个适用于膨胀性非饱和土的二元介质模型.首先,文中将膨胀性非饱和土抽象为由2个理想部分即理想毛细部分和理想黏吸部分组成,并且针对两者分别建立了理想模型.其次,利用参与函数反映土中2种理想部分所占的比重,以此描述实际情况下土体的力学和水力行为的特征.最后,利用该模型对膨胀性非饱和土在压缩和控制吸力情况下的力学和水力行为进行预测.通过模型预测结果和已有的试验数据的对比可知:该模型能够较好地描述膨胀性非饱和土的行为.关键词膨胀性非饱和土二元介质模型吸附液相毛细作用物理-化学作用膨胀性非饱和土是一种具有湿胀特性的土体,其膨胀行为与土中的矿物成分相关.Gens和Alonso[1]指出膨胀性非饱和土的行为与颗粒间的力学和物理化学现象密切相关,这些现象又与土中黏土矿物成分的特殊性质有关.以往研究[2,3]指出为了描述非饱和土的行为,需要选取2个独立的应力状态变量即基质吸力和净应力.值得注意的是,基质吸力(或势能)由两部分组成即毛细部分和黏吸部分[4,5].其中,基质吸力的毛细部分可称为毛细吸力,并且其大小可表示为aw()uu(au和wu分别为孔隙气压力和孔隙水压力).毛细吸力通常与毛细现象相关,该现象由气液交界面处的表面张力引起[6].在表面张力作用,即毛细作用下形成的毛细液相主要由自由水组成.此外,基质吸力的黏吸部分与土体固相基质及其附近液相间的物理-化学作用相关.Derjaguin等人[4]指出与物理-化学作用相关的力包括长程静电力(如双电层力)、短程范德华力、水化力以及相邻黏土颗粒表面双电层场间的相互作用形成的长程力.在这些力的作用下形成的吸附液相主要由结合水组成.Gens[7]亦将基质吸力定义为1个描述液相吸附到固相程度的量,并指出当基质吸力较大时,液相吸附到固相的程度较大,但并不能认为是传统意义上的负孔隙水压力较大.通常对于低塑性的非饱和土而言,土中液相与固相基质间的物理-化学作用较弱,因此可忽略基质吸力的黏吸部分.然而,对于膨胀性非饱和土而言,基质吸力的黏吸部分对土体的力学和水力行为具有重要影响,不容忽视.并且基质吸力中黏吸部分的比2291论文重会随着含水量的减少即基质吸力的增加而逐渐增加,从而引起膨胀性非饱和土的力学和水力行为的特征发生变化.一方面,当含水量较高,即基质吸力较小时,土中液相主要由毛细液相组成,此时基质吸力中的毛细部分占优.在该范围内,膨胀性非饱和土的力学和水力行为与一般的非饱和土的行为一致,表现为压硬性、湿陷性、毛细滞回性等.其具体表征为:(1)击实土中集聚体间的排列受外荷载大小、负孔隙水压力值和弯液面个数(即饱和度大小)等共同作用,并且当限制应力为常数时,湿化路径下土体可能产生塑性的湿陷变形;(2)Alonso等人[8]指出大量研究表明非饱和土具有明显的水力滞回特征.当含水量较高时,膨胀性非饱和土亦具有相同的特征,并且土体...
