膨胀性非饱和土中吸附水和微观结构对其力学和持水特性影响研究

The swelling of expansive unsaturated soil under wetting has played a major role in occurrences of engineering disaster. The pore water in unsaturated expansive soil could be divided into capillary water and adsorbed water and expansive soil has a pore size distribution with at least two dominant values of porosity. Current research suggests that the effects of capillary water and adsorbed water in pores on the behaviors of unsaturated expansive soil are different. And the variations of macro- and microstructure of expansive soil with water content are also different. The current theories of unsaturated expansive soil, however, fail to address these differences to a sufficient extent. To solve these key scientific problems, the adopted research approaches are as follows. Firstly, using the nuclear magnetic resonance and mercury porosimetry methods, the variations of capillary and adsorbed water contents and microstructure during wetting and drying cycles are investigated. Besides, their effect mechanisms on the water retention and the mechanical behaviors are studied. Secondly, based on the input work expression of unsaturated expansive soil, a group of constitutive variables is chosen. Then a coupling hydro-mechanical model is established which considers the effects of the adsorbed water content variation and the aggregates deformation on the water retention and the mechanical behaviors. Expectably, the proposed research will have strong theoretical and practical bearings on resolving the issues related to expansive soils.

膨胀性非饱和土遇水膨胀是导致许多工程灾害的主因。膨胀土中孔隙水可分为毛细水和吸附水，此外膨胀土具有多尺度结构特征。最新研究表明，毛细水和吸附水对膨胀土的行为具有不同的影响，并且膨胀土中不同尺度的孔隙结构随含水量的变化存在显著差异，但目前膨胀土力学理论不能考虑上述差异，而无法充分描述干湿循环变化下膨胀性非饱和土的持水与膨胀特性。本项目围绕这一关键科学问题，利用核磁共振技术和压汞技术研究干湿循环作用下膨胀性非饱和土中毛细水、吸附水含量和微观结构的变化规律及其对土体持水与膨胀特性的影响机制；通过适用于膨胀土的功的表达式选取本构变量，并综合考虑毛细水和吸附水对土体行为影响的差异，建立能考虑膨胀土中集聚体本身的变形对土体整体变形和强度影响的非饱和土本构关系模型。研究成果将有助于完善膨胀性非饱和土力学的理论，并为我国膨胀土地区工程建设以及核废料处置屏障工程建设提供理论依据。

膨胀性非饱和土膨胀性、蠕变性、剪胀性是膨胀土地区岩土工程灾害频发的原因。本项目围绕膨胀性非饱和土地区工程灾害的关键问题，研究了描述复杂力学行为的建模方法和仿真技术。（1）针对膨胀性非饱和土结构的特殊性，建立了双尺度边界面本构模型。该模型区分了膨胀性非饱和土宏观、微观孔隙的力学行为间及持水特性间的差异，并考虑力学与持水行为间的相互影响。其次，对本构模型进行了数值实现。由于模型具有多重塑性机制，因此提出了多重塑性机制发生判断方法。为了提高算法的计算精度，提出了适用于该模型的自动分步技术。（2）为了进一步描述复杂加载路径下土的应力-应变关系的时间相关性，提出了一个各向异性的弹黏塑性模型。区别于传统的基于过应力理论的弹黏塑性模型而言，该模型具有两个参考面，并分别用于模拟压缩和膨胀黏塑性行为。其次，针对弹黏塑性本构模型将原始切面算法进行了修正。在弹性试算过程中，该算法假设黏塑性应变率为常数，以此确保时间增量引起的当前应力点与动态加载面间的偏离。在塑性修正过程中，对动态加载面函数进行泰勒级数展开，依此获得黏塑性应变率增量。并提出了一种自动分步方法，有效地稳定了大应变步情况下算法的计算精度和收敛性。（3）使用精细的本构模型来同时分析非饱和土水力耦合特性依旧是一个挑战。本项目提出了一种包含加载湿陷及剪切滑移双重塑性机制的水-力耦合模型。模型中给出了孔隙比-平均土骨架应力的半对数坐标系内依赖于有效饱和度的临界状态线的表达式，其与剪切滑动屈服面的非关联流动准则的结合保证了模型可以更合理地预测非饱和土（包括砂土和黏土）的剪胀和剪缩性质。其次，对本构模型进行了数值实现。研究结论完善了膨胀性非饱和土力学的理论框架，并膨胀土地区工程实践具有指导意义。