非饱和土中结合水土水作用的微观非连续变形分析

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目前关于非饱和土的理论体系已经建立,基于该体系的实验技术也基本成熟。这些成果都在宏观尺度下获得,但是在微观尺度下探究非饱和土各相介质的性质及其相互作用是揭示非饱和土力学行为的根本。为此,本文将非连续变形分析方法(DDA)引入非饱和土的微观结构的分析,设计了一个能计算土骨架非连续变形和体现结合水力学作用的算法,并编写了程序,该程序命名为DDA-BW。  本研究在DDA-BW中,根据Halsey方程、Young-Laplace方程和Kelvin方程建立了非饱和土结合水膜厚度和基质吸力的关系。再利用DDA建立土粒集合体的模型,给定一个土的体积含水率,假设一个结合水膜厚度,将其包裹在每个颗粒单元上,根据水膜分布面积总和获取结合水的体积,重复该过程直到该体积与系统给定的结合水体积相等,此时的结合水膜厚度与系统结合水量相应。利用该水膜厚度可算出基质吸力。再找到单元间结合水的重叠部分,根据重叠部分的面积算出结合力,将结合力施加到土粒之间。以上过程通过DDA的基本思路实现。建立了土水作用的DDA模型,就可对其做各种力学行为的模拟。使土粒骨架不变,只增加结合水的含水率量,使其从小到大变化,计算各含水率下的基质吸力,可以得到结合水作用下的土水特征曲线。也可以给定含水率,对土样做压缩和剪切模拟,模拟获得其变形和强度参数及试验过程中基质吸力的变化。为了进一步说明DDA-BW的原理和作用,首先建立一个三块体模型,测试DDA-BW的功能。然后以OLYMPUS(367760)显微镜获得的黄土微观图像为原型,将土颗粒进行一定的简化建立了一个凸多边形、粒径范围在1μm-10μm的130个单元的非饱和土模型。用DDA-BW程序对其进行模拟,得到了土样在结合水作用下的土水特征曲线,土水接触系数,找到了结合水与毛细水的界限。
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