水土作用是目前土力学界的研究热点和难点。本书总结土颗粒与水相互作用、土的饱和-非饱和渗透特性、持水曲线与有效应力的研究现状，以表面科学、颗粒力学、水动力学、分形理论、非饱和土力学为基础，提出“颗粒-孔隙-集合体”细-宏观多尺度分析优化方法：首先，模拟土颗粒间液桥几何参数与毛细力的计算及其演化过程；其次，依据土孔隙的尺寸分布、各向异性、变截面特征及其与土颗粒级分布的内在联系，构建不同种土的持水曲线模型及饱和-非饱和渗透系数函数；最后，将细、宏观水土作用模型分别用于模拟土颗粒集合体有效应力的传递特征和土体密度变化对水分分布的影响。本书内容不仅可深化对非饱和土的水土作用内在机理认识，而且可为非饱和土工程水力与力学致灾机理评价、防护与治理提供科学依据。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 土颗粒与水相互作用的研究现状 2
1.3 土的饱和-非饱和渗透特性的研究现状 4
1.3.1 饱和渗透系数函数构建 4
1.3.2 非饱和渗透系数函数构建 5
1.3.3 土的饱和-非饱和渗透各向异性表征 6
1.4 土持水特性的研究现状 7
1.4.1 持水特性的模型描述及其在强度公式中的应用 7
1.4.2 密度对持水特性的影响 9
1.4.3 持水特性的滞回现象描述 11
1.5 非饱和土的有效应力传递机理研究现状 11
1.6 本书的主要内容 13
参考文献 15
第2章 土颗粒间液桥毛细力的计算方法及其演化规律 23
2.1 粗颗粒间液桥的受力状态与几何参数 23
2.2 粗颗粒被液体完全浸润时液桥毛细力的迭代算法 25
2.2.1 无量纲液桥体积最大值的计算 26
2.2.2 无量纲液桥体积最小值的计算 27
2.2.3 液桥表面无量纲半径及其毛细力的计算 28
2.2.4 粗颗粒被液体完全浸润时液桥毛细力的计算结果 29
2.2.5 割线迭代算法的验证 31
2.3 粗颗粒被液体不完全浸润时液桥毛细力的迭代算法 33
2.3.1 液桥控制方程组的重新整理 33
2.3.2 液桥控制方程组的牛顿迭代算法 34
2.4 联合迭代算法对液桥毛细力影响因素的分析及验证 35
2.4.1 固-液接触角和颗粒间距的影响 35
2.4.2 固-液接触角和液桥体积的影响 36
2.4.3 固-液接触角和颗粒半径比的影响 36
2.4.4 联合迭代算法的验证 37
2.5 黏土颗粒间液桥的毛细力及其几何参数 38
2.6 黏土颗粒间液桥从形成至断裂过程的分区 41
2.7 黏土颗粒间液桥形成时毛细力的演化规律 43
2.8 本章小结 44
参考文献 45
第3章 孔径分布与孔隙结构对土持水特性的影响 47
3.1 压实黏土的持水特性及其孔径分布的模型描述 47
3.1.1 累积函数、孔径分布、孔径密度函数与典型持水曲线 47
3.1.2 双孔结构的孔径分布及其持水曲线 50
3.1.3 持水曲线模型及对应的孔径密度函数 52
3.1.4 孔径密度函数公式的标定 54
3.1.5 基于持水曲线模型描述压实至不同孔隙比的黏土减湿持水特性 57
3.2 孔隙结构对土滞回持水特性的影响 59
3.2.1 对MX-80斑脱土持水试验结果的分析 60
3.2.2 考虑孔隙比与孔隙结构影响的滞回持水曲线模型构建 63
3.2.3 滞回持水曲线模型的验证 65
3.3 本章小结 68
参考文献 69
第4章 孔隙各向异性及其变截面特征对土渗透及持水特性的影响 70
4.1 利用孔隙连通-迂曲参数表征非饱和渗透各向异性系数 70
4.1.1 非饱和渗透系数函数及其各向异性系数表达式 70
4.1.2 土的非饱和渗透各向异性类型 72
4.1.3 各向异性系数表达式的验证 73
4.2 基质吸力对渗透各向异性的影响 74
4.2.1 非饱和渗透试验结果 74
4.2.2 非饱和渗透系数与基质吸力的关系描述 77
4.2.3 基质吸力对非饱和渗透各向异性影响的定量描述 78
4.3 变截面孔隙模型对渗透系数函数与持水曲线的预测方法 79
4.3.1 水分在变截面孔隙内的分布及流动特征 79
4.3.2 由单个孔隙尺度向表征体元尺度过渡的土渗透特性描述 81
4.3.3 对持水曲线的预测 83
4.3.4 对相对渗透系数函数的预测 84
4.4 渗透系数函数及持水曲线的理论表达式验证 85
4.4.1 对已有文献中4种砂岩的饱和渗透率预测 85
4.4.2 对已有文献中8种土的相对渗透系数预测 89
4.4.3 对3种土的滞回持水曲线预测 93
4.4.4 关于模型参数确定方法的讨论 95
4.5 本章小结 96
参考文献 97
第5章 基于土颗粒级配参数描述水力及非饱和强度特性的物理-统计方法 99
5.1 基于土颗粒级配参数预测饱和渗透系数的量纲分析表达式 100
5.1.1 土颗粒级配与饱和渗透系数关系的量纲分析 100
5.1.2 饱和渗透系数量纲分析表达式的验证 104
5.2 持水曲线、非饱和强度与颗粒级配曲线之间的一般关系 110
5.2.1 描述持水曲线的VG模型 110
5.2.2 持水曲线与非饱和强度的一般关系 110
5.2.3 基于VG模型的土壤转换函数简介 111
5.3 基于颗粒级配参数预测持水曲线的土壤转换函数 113
5.3.1 基于量纲分析法描述颗粒级配参数与持水曲线的关系 113
5.3.2 砂土持水曲线的补充试验 115
5.3.3 基于UNSODA数据库与持水试验结果构建土壤转换函数 117
5.3.4 土壤转换函数的验证 119
5.4 基于土壤转换函数描述颗粒级配分布对土的非饱和强度特性影响 125
5.4.1 颗粒级配分布对毛细黏聚力的影响 125
5.4.2 颗粒级配分布对抗拉强度的影响 130
5.5 基于土颗粒级配预测非饱和渗透系数函数的物理方法计算思路 131
5.5.1 土孔隙半径的计算 131
5.5.2 理想圆柱形孔隙内水分流量的计算 135
5.5.3 天然孔隙内水分流量及非饱和渗透系数计算 137
5.5.4 基于持水实测数据验证土孔隙半径的计算方法 138
5.6 非饱和渗透系数函数预测及验证 141
5.6.1 物理方法对非饱和渗透系数预测的计算步骤 141
5.6.2 土样非饱和渗透系数与体积含水率关系验证 142
5.6.3 物理方法对非饱和渗透系数预测结果的讨论 145
5.7 本章小结 148
参考文献 149
第6章 基于细观水土作用模型分析土颗粒间接触力的传递机理 153
6.1 表征土颗粒间法向接触力的物理模型 153
6.1.1 颗粒间毛细水的形态和受力 153
6.1.2 表征有效应力的物理模型 155
6.1.3 三种典型排列的颗粒集合体的表征 156
6.2 表征颗粒间切向接触力的物理模型 161
6.2.1 不考虑颗粒转动时物理模型的推导 161
6.2.2 颗粒绕接触点转动时物理模型的推导 163
6.2.3 模型的计算结果 164
6.3 本章小结 165
参考文献 166
第7章 基于宏观水土作用模型表征干密度对持水曲线的影响 167
7.1 不同干密度土样持水曲线的两种预测方法 167
7.1.1 理论假设 167
7.1.2 两种预测方法的计算思路 169
7.2 两种预测方法的参数标定与验证 172
7.2.1 预测方法的参数标定与验证思路 174
7.2.2 新方法与已有预测方法的对比分析思路 175
7.2.3 新方法的参数标定结果 177
7.2.4 方法1和方法2对不同干密度土样持水曲线的预测结果分析 178
7.2.5 基于Brooks-Corey模型的预测结果分析 185
7.3 本章小结 192
参考文献 192
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