土体水分蒸发研究进展

土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,对土体的工程性质有重要影响,是许多工程和环境问题的直接诱因,但长期被本学科所忽视。基于国内外近些年来其他学科领域围绕土体水分蒸发问题所取得的研究成果,分别从土体蒸发量确定方法、试验方法、蒸发过程、影响因素及理论模型等几个重要方面总结了该课题的研究现状及进展,取得如下主要认识：（1）准确确定土体的实际蒸发量是土体水分蒸发研究的核心课题,目前主要有理论计算法和直接测量法两种途径;（2）开展蒸发试验是掌握土体水分蒸发过程和研究土体水分蒸发机制的重要途径,目前主要有室内试验和原位试验两种。相比而言,基于环境箱的室内蒸发试验方法具有较好的应用前景;（3）土体水分的蒸发过程可划分为3个阶段：常速率、减速率和残余阶段;（4）影响土体水分蒸发的因素归纳起来可分为内部土性和外部环境因素两类,前者主要影响土体水分的传输能力,后者主要影响蒸发能量的供应强度;（5）当前关于土体水分蒸发量的计算和预测模型较多,但往往存在误差大、适应范围窄或参数难于获取等不足。基于上述认识,并结合本学科的研究背景,提出了今后该课题的研究重点和方向,包括减速率阶段的蒸发机制、土性参数与蒸发速率之间的量化关系、黏性土尤其是膨胀土中水分的蒸发和迁移机制、高精度原位土体水分蒸发试验设备的研发和构建通用型的土体水分蒸发理论模型等。     

黏性土失水开裂多场耦合离散元数值模拟

黏性土在失水过程中逐渐变形开裂,裂隙相互交错形成网络,这一过程涉及水热力等多场耦合的作用。本文基于南京大学自主研发的三维离散元软件MatDEM,采用紧密堆积离散元模型对土体开裂进行模拟。在此模型中,每个离散元单元代表一定体积的土颗粒、孔隙和孔隙水的集合体。单元具有含水量属性,并采用有限差分思想计算水分运移量,实现了水分场模拟。同时,考虑水分场对土体抗拉强度等力学性质的影响,建立水分场和应力场的耦合。在数值模拟中,假定土体表面水分以一定速率蒸发,根据试验数据由含水量计算单元直径和力学参数,从而实现黏土蒸发失水、收缩和开裂变形过程模拟。数值模拟与前人室内试验结果基本一致,能较好地再现开裂过程中的各个阶段。本文为研究多场作用下土体变形破坏模拟提供了一个新的思路。     

蒸发蒸腾作用下非饱和土的吸力和变形影响因素分析

采用热湿耦合非等温流方程,结合实际蒸发和植物蒸腾的边界条件,考虑了水分迁移所引发的非饱和土应力变形行为,从而建立了大气-非饱和土相互作用模型。采用该模型对控制非饱和土吸力和变形的大气蒸发和植物蒸腾等多参数进行了影响程度分析。结果表明,控制地面吸力和变形的主导因素是外部气象条件,尤其太阳净辐射量和风速,土体水力和热力特性参数影响程度有限;在植被覆盖条件下,吸力变化主要取决于植物叶面积指数LAI,而总腾发量的大小决定了地表变形量。     

非饱和土的蒸发效应与影响因素分析

采用非饱和土等温流和考虑热湿耦合的非等温流方程,结合不同的蒸发计算模型,分析了大气蒸发效应对非饱和土吸力变化的影响,并对控制蒸发量计算的多个参数进行了影响程度分析。结果表明,考虑实际蒸发量和非饱和土热湿耦合的水分运动公式能较好地模拟大气影响下非饱和土吸力变化状态,通常所采用的等温流方程加以潜在蒸发量计算非饱和土吸力变化会高估表层蒸发和吸力的下降程度。控制地面蒸发的主导因素是外部气象条件,尤其以太阳净辐射量和风速为最,土体自身特性参数影响程度有限。     

水位变化下含裂缝非饱和土挡墙的地震主动土压力研究

高烈度区挡墙抗震设计的主要荷载是地震主动土压力。首先根据水位、缝深和墙踵的相对位置关系,提出了含裂缝非饱和土挡墙在高、中、低水位下地震主动土压力分析的3种力学模型;继而通过拟动力法计算墙后滑动土体的地震效应,运用非饱和土力学原理与极限平衡法建立了水位变化下倾斜挡墙的地震主动土压力解答,并给出了迭代应用步骤、对比文献理论解答与振动台实测;最后探讨了水位、缝深以及土体非饱和特性对地震主动土压力系数的影响规律。研究结果表明：所得非饱和土挡墙地震主动土压力解答综合考虑了水位、缝深与土体非饱和特性,能退化为经典土压力公式,与文献理论解答、振动台实测吻合良好且应用较便捷,具有重要理论意义和良好的应用前景;地震主动土压力受水位、缝深、基质吸力、吸力分布与吸力角的影响均很显著,需采用工程措施维持基质吸力、吸力分布、低水位、小缝深等稳定存在以优化挡墙抗震设计。     

考虑非饱和粘性土含水量变化的地铁隧道围岩土体稳定性分析

含水量是非饱和土力学性质的重要控制因素,非饱和粘性土是北京地铁苏州街车站隧道的主要围岩土体类型,应用钻孔取样的方法取得隧道周边区域内的土体系统样本,通过三轴试验和含水量测试建立了非饱和粘性土围岩的变形和强度参数与含水量的相关性,进而明确了该工程场地非饱和粘性土的主要参数与含水量的关系,以此为基础确定了工程场地不同区域的土体力学参数,通过有限元数值分析方法研究了施工过程中的围岩土体稳定性与地表沉降量,明确了考虑土体含水量变化条件下的隧道开挖施工过程中的围岩土体稳定性状况。     

利用土中水分蒸发特性和微观孔隙分布规律确定SWCC残余含水率

残余含水率在非饱和土渗流理论、强度理论等方面都是重要的参数,然而土-水特征曲线（SWCC）试验测量时一般难以达到残余阶段,常常通过经验法（包括模型拟合法）估算残余含水率,方法的适用性值得论证。以武汉黏性土为研究对象,制备不同初始孔隙比试样,利用压力板仪测量SWCC,通过模型拟合的方法计算残余含水率;进行自然状态下水分蒸发试验,根据失水速率定义了临残时间,依据临残时间确定残余含水率;利用核磁共振技术研究微观孔隙分布特性,解释控制残余含水率大小的微观规律。研究结果表明：模型拟合的方法可估算残余含水率,但准确性与模型选择及残余含水率初步范围的限定直接相关;水分蒸发试验是确定残余含水率有效可行的直接方法;武汉黏性土微观孔隙呈三峰分布,残余含水率与第1峰之前的微观孔隙水分紧密相关,依据弛豫时间小于0.267 38 ms的T2谱面积可较为准确地预测残余含水率,对于其他土体该方法需要进一步论证与完善。     

非饱和土中的流-固耦合研究

概述了非饱和土变形．渗流相互作用的多相流一固耦合理论的研究进展。重点讨论了在理论研究和实际应用方面所存在的几个主要问题，其中包括理论控制方程组描述、土．水特征曲线、固体骨架的弹塑性本构模型以及各种数值算法等研究。另外，就该理论在降雨入渗滑坡、土体的蒸发固结效应等问题的应用进行了简单的讨论，并指出了目前应用的热点和新的研究领域。研究结果表明，进一步发展非饱和土流．固耦合理论对解决非饱和士力学和环境地质灾害的工程问题有着重要的意义。     

土-水特征曲线与核磁共振曲线的关系

土-水特征曲线在非饱和土的研究中扮演着重要的角色,其预测方法的研究具有重要的科学意义。以武汉黏性土为研究对象,在土-水特征曲线试验和核磁共振（NMR）试验的基础上,利用Fredlund-Xing模型对试验数据进行拟合分析。结合KST模型和Young-Laplace理论,建立了基质吸力与土体中孔隙水的弛豫时间（T2）之间的理论关系式,试验结果表明该理论关系式并不能简单有效的描述基质吸力与T2值之间的实际关系。基于土-水特征曲线和NMR试验结果,建议了基质吸力与T2值之间的经验关系式,在此基础之上,给出了基于NMR曲线的不同初始干密度非饱和黏性土土-水特征曲线的预测方法。     

考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤修正模型

为反映非饱和地基土变形全过程,以某基础工程非饱和土为研究对象,开展固结排水三轴压缩试验。研究发现,非饱和土的偏应力-应变曲线形态近似双曲线,基质吸力对土体力学行为影响十分明显,基质吸力越大,土体偏应力越高。根据非饱和土变形特性及工程特点,选取邓肯-张双曲线模型作为基础模型,引入统计损伤理论,假设非饱和土微元强度服从Weibull概率密度分布,建立邓肯-张统计损伤模型。通过搭建初始切线模量与基质吸力的联系,建立一种新的考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤模型。给出参数解析方法,得到Weibull分布参数经验表达式,从而修正模型。分析不同基质吸力条件下非饱和土损伤累积规律,采用所建模型和传统邓肯-张模型对比验证非饱和土偏应力-应变试验曲线,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为非饱和土的力学特性研究及辨识模拟提供一定参考。