地球表面的三分之一或更多位于干旱或半干旱地区，这些地区的潜在蒸发量超过降水量，土体处于非饱和状态。土-水特征曲线与非饱和土的抗剪强度和渗透特性息息相关，其模型研究是非饱和土领域的热点与难点之一。现有土-水特征曲线模型大多为经验模型，对微细观结构的气-液交界面作用机理研究较少，使模型的研究缺少理论基础。因此，在充分研究非饱和固相微细观结构和气-液交界面形成机制的基础上建立考虑气-液界面特性的土-水特征曲线模型，进一步利用该土-水特征曲线模型建立水力-力学耦合的本构模型，有利于增加对非饱和土界面特性的认识，同时对完善非饱和土力学具有重要的理论价值和工程意义。在此背景下，本文开展的主要研究工作和研究成果如下： 1）系统地开展了非饱和土微细观结构和水力及力学特性试验，为后续研究奠定了基础。本文以延安黄土为例，结合X射线衍射仪和钨灯丝扫描电镜等微细观试验，分析了黄土的矿物成分和微细观结构特征；利用光学接触角测试仪和压力膜仪，分析了其水力特性；利用GDS（Global Digital Systems）非饱和三轴系统分析了围压和基质吸力对应力应变的影响。微细观试验结果表明：延安黄土中非黏土矿物占主导地位，而黏土矿物较少；黄土主要包括四种典型颗粒形状，结合矿物形状特征将非饱和黄土固相颗粒简化为长方体、圆柱、椭球、菱面体、圆锥以及球体等理想形状，并将其扩展至其它非饱和土。水力特性试验表明：一方面土体表面接触角随着时间逐渐减小，另一方面孔隙比和含水率显著影响接触角，且含水率影响更大；不同干密度的土-水特征曲线在低基质吸力段差别较大，而在高基质吸力段基本重合。力学试验表明：正常固结非饱和黄土在剪切过程中呈现出应变硬化以及剪缩现象。 2）提出了非饱和固相颗粒理想接触范式，并在最小势能原理下，研究了不同接触范式的气-液交界面（液桥）的形成机制及其影响因素，为探究非饱和土的微细观结构提供了新途径。本文以两个理想形状的颗粒接触处的几何元素为基准，提出了$28$种非饱和固相理想颗粒接触范式。进一步，建立了包含气-液交界面的热力学系统，采用变分原理研究了非饱和土中固-液-气三相交界面的势能状态。结果表明非饱和土中气-液交界面处于势能最小的状态，考虑非饱和固体颗粒间的多种接触范式，基于势能最小原理研究了气-液交界面的形成机制，分析了接触角、液桥体积以及颗粒间距对气-液交界面形状的影响及作用。 3）揭示了多孔介质增湿过程前进接触角、脱湿过程后退接触角的演化机制，为探明接触角影响土-水特征曲线滞回的机制奠定了基础。本文在液桥由无穷小液滴组成的假设下采用理论方法推导了多孔介质颗粒间固-液-气三相接触角与平面接触角的关系，结果表明当假设多孔介质颗粒间的液桥由液滴组成，且液滴体积无穷小时，颗粒间接触角等于液滴位于斜面上的接触角；通过数值分析研究了液滴位于斜面时接触角的行为，揭示了多孔介质增湿过程前进接触角、脱湿过程后退接触角的演化机制，提出了接触角的演化模型，并采用接触角与含水率的试验结果验证了所提出的接触角演化模型可靠性。 4）修正了非饱和固相为球-球接触范式时的液桥模型，通过引入本文提出的接触角演化模型建立了考虑气-液交界面特性的土-水特征曲线滞回模型，为建立土-水特征曲线模型提供了新方法。本文以固相接触范式中球-球接触为例，通过修正液桥模型，使 Young-Laplace方程可用于计算$w-\ln \psi$平面上边界影响区、过渡区及部分残余区的基质吸力，在此基础上，引入本文提出的接触角演化模型建立了土-水特征曲线滞回模型，该模型参数物理意义明确，能够较好地描述孔隙比、颗粒平均半径、接触角对土-水特征曲线滞回特性的影响。其次，讨论了粒径级配、颗粒表面粗糙度以及固相颗粒球-球接触假设对土-水特征曲线滞回模型的影响。最后，基于双应力状态变量建立了孔隙比与净平均应力以及基质吸力之间的关系，进一步以上述模型为基础，建立了考虑应力状态的土-水特征曲线滞回模型，并通过室内试验数据以及收集文献中的数据对该模型进行了验证。 5）通过引入考虑气-液界面特性土-水特征曲线模型，建立了基于边界面塑性的非饱和土水-力耦合超弹性本构模型，揭示了微细观结构特征与宏观力学之间的传导机制。首先，采用本文建立的考虑气-液交界面特性的土-水特征曲线滞回模型进行水力学计算；其次，采用Bishop有效应力公式作为应力状态变量，并将非饱和土临界状态线进行归一化以描述非饱和土的临界状态；最后，为了更好的描述岩土材料弹性系数随塑性变形的发展而变化，将岩土材料视为弹塑性耦合材料，应变划分为可逆和不可逆部分，其中可逆部分由超弹性理论计算，引入剪切屈服面和压缩屈服面等两个屈服面来更好地计算不可逆部分。在此基础上，建立了基于边界面塑性的非饱和土的水-力耦合超弹性本构模型，模型包括$14$个力学相关参数以及$8$个水力参数，通过室内黄土非饱和三轴固结排水剪切试验数据以及文献中收集到的数据对该模型进行了验证，同时采用Mehdi Kadivar模型进行对比。结果表明，采用双屈服面能够更好的预测非饱和土的力学行为，基于气-液交界面的土-水特征曲线模型能够在非饱和土的本构模型中得到很好的应用。 |
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