李 強(qiáng) ，李同錄 ，李 華 ，沈 偉 ，李 萍 ，張常亮

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054；2.黃土高原水循環(huán)與地質(zhì)環(huán)境教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 甘肅 正寧 745399；3.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué)裝備管理與保障學(xué)院, 陜西 西安 710086）

微結(jié)構(gòu)演化是土體變形破壞的本質(zhì)，掌握其動(dòng)態(tài)演化規(guī)律是深入認(rèn)識(shí)土體宏觀變形破壞機(jī)制的關(guān)鍵。壓汞技術(shù)（MIP）、掃描電鏡（SEM）、CT掃描系列是當(dāng)前研究土體微觀變形的主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)。一些學(xué)者利用MIP或SEM對(duì)荷載作用前后的黏土[1]、混合黏土[2]和黃土[3-4]觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，荷載主要改變較大的粒間孔隙。但這2種觀測(cè)技術(shù)對(duì)土樣都有擾動(dòng)，不能追蹤觀測(cè)荷載作用前后某一位置微結(jié)構(gòu)的具體變化。Yu等[5]結(jié)合μ-CT，嘗試設(shè)計(jì)出了微型土樣加載裝置，觀察土樣變形過程中顆粒的位置變化。但觀察時(shí)需暫停加載，將土樣取出，因此對(duì)土樣造成較大擾動(dòng)。同樣的問題也存在于MIP和SEM中。普通CT觀測(cè)室較大，可以在加載過程中同步觀察微結(jié)構(gòu)的變化。利用普通CT對(duì)黃土[6]、膨脹土[7]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的增加，土體孔隙逐漸分布均勻，不規(guī)則大孔隙演變成圓形小孔隙，小孔隙不壓縮。但普通CT分辨率相對(duì)較低，很難捕獲到清晰的微結(jié)構(gòu)特征。綜合來(lái)看，前人對(duì)土體變形前后的微結(jié)構(gòu)變化研究較多，認(rèn)識(shí)較深，但對(duì)變形過程中微結(jié)構(gòu)演化尚缺乏直接的觀測(cè)手段，現(xiàn)有的微觀試驗(yàn)技術(shù)很難克服這一問題。因此，將數(shù)值方法引入土的微觀結(jié)構(gòu)分析，是目前較為現(xiàn)實(shí)的一種途徑。

土在微觀上是由顆粒構(gòu)成的離散體系，可以用離散介質(zhì)力學(xué)方法研究其微觀力學(xué)性質(zhì)。非連續(xù)變形分析方法[8]（Discontinuous Deformation Analysis，DDA）是常用的離散介質(zhì)力學(xué)分析方法之一。該方法起初是用于宏觀塊體的分析，例如塊狀結(jié)構(gòu)巖體的滑坡穩(wěn)定性[9]、圍巖變形與破壞[10]和壩基滑移穩(wěn)定性等[11]。近幾年，一些學(xué)者初步嘗試將DDA擴(kuò)展到分析土體微觀力學(xué)性質(zhì)中。例如張國(guó)新等[12]利用規(guī)則的多邊形塊體構(gòu)建砂土DDA 模型，研究了砂土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；郭培璽等[13]將多邊形顆粒隨機(jī)填充，構(gòu)建了粗粒料的 DDA 模型，研究粗粒料的力學(xué)特性；郭龍驍?shù)萚14]通過人為構(gòu)建干燥黃土DDA模型，模擬了黃土的單向固結(jié)試驗(yàn)。然而這些研究都基于原有DDA模型，只考慮了粒間摩擦、咬合等作用，并沒有考慮毛細(xì)作用的影響。對(duì)于非飽和土，毛細(xì)作用是基質(zhì)吸力的主要來(lái)源，也是工程問題關(guān)注的重點(diǎn)。巖土工程領(lǐng)域也提出一些考慮毛細(xì)作用的離散介質(zhì)分析方法[15-16]，但這些方法一般在相同大小球形或圓形顆粒之間添加一個(gè)等大的或者與距離有關(guān)的應(yīng)力表征毛細(xì)作用，這很難有效地考慮毛細(xì)水分布狀態(tài)對(duì)非飽和土力學(xué)性質(zhì)的影響。

為此，李強(qiáng)等[17]提出了考慮粒間毛細(xì)水作用的DDA方法，能夠計(jì)算不同含水率下的粒間毛細(xì)水分布和相應(yīng)毛細(xì)力，可用于模擬靜態(tài)條件下非飽和土的持水特性。在此基礎(chǔ)上，本文考慮進(jìn)一步擴(kuò)展該分析方法，將其用于研究荷載作用下非飽和土微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化機(jī)制。

本文參考黃土骨架粒的大小及形態(tài)建立了理想的非飽和土骨架結(jié)構(gòu)模型，并設(shè)置自動(dòng)加載系統(tǒng)，模擬了非飽和土側(cè)限壓縮試驗(yàn)。根據(jù)模擬結(jié)果，分析了壓縮過程中孔隙比、吸力和飽和度的變化規(guī)律；通過追蹤孔隙的演變得到了不同含水率下孔隙的變形特征。

1 土粒間毛細(xì)水算法

1.1 算法思路

在非飽和土中，當(dāng)相互距離較近的顆粒被毛細(xì)水黏連起來(lái)，將會(huì)形成一個(gè)相互作用的系統(tǒng)，此系統(tǒng)中包含毛細(xì)吸力和表面張力2 個(gè)作用力[18]。所以在顆粒間施加毛細(xì)力時(shí)，關(guān)鍵在于如何將這2個(gè)力施加于土粒之間。

為提出該算法，先作以下假設(shè)：①只考慮粒間毛細(xì)力；②忽略不同顆粒土-水的接觸角差異，即所有接觸角都相同；③假定體系處于平衡狀態(tài)，即模型內(nèi)部沒有水力梯度；④土體中的顆粒均為凸多邊形。

算法的思路是：先給定含水率ww，假定該含水率下土顆粒之間的毛細(xì)水彎液面半徑為rw，基于假設(shè)①～③，所有彎液面半徑都相同，若求得該半徑，根據(jù)Young-Laplace方程，可計(jì)算毛細(xì)吸力為：

式中：ua——孔隙氣壓力/kPa；

uw——孔隙水壓力/kPa；

Ts——表面張力/（mN·m-1）；

R——彎液面半徑/μm；

α——接觸角/（°）。

根據(jù)毛細(xì)水在顆粒上的浸潤(rùn)面積，計(jì)算作用在顆粒表面毛細(xì)吸力的合力。將該合力與表面張力疊加，嵌入DDA的運(yùn)動(dòng)方程組中。

計(jì)算某一確定含水率的彎液面半徑rw時(shí)可用黃金分割法逼近。首先假定彎液面初始半徑區(qū)間為[a,b]，利用圓心軌跡交匯法分別確定a和b對(duì)應(yīng)的所有土粒之間的彎液面。彎液面和所連接的土粒邊界構(gòu)成封閉的毛細(xì)水分布區(qū)。統(tǒng)計(jì)毛細(xì)水分布區(qū)的面積，得到與a和b分別對(duì)應(yīng)的毛細(xì)水含水率wa和wb。若wb＞ww＞wa，可采用黃金分割法逼近ww。若wa＞ww或wb＜ww，調(diào)整半徑區(qū)間[a，b]的范圍，重新求解。最終得出與給定含水率ww對(duì)應(yīng)的毛細(xì)水彎液面半徑rw。

該方法構(gòu)建的毛細(xì)水分布在顆粒接觸或接近的區(qū)域，毛細(xì)水呈凹透鏡狀，見圖1。在這個(gè)透鏡形區(qū)域內(nèi)毛細(xì)水產(chǎn)生毛細(xì)吸力(ua-uw)和表面張力Ts2 個(gè)作用力。在二維平面上，將這2個(gè)力對(duì)土顆粒的作用進(jìn)行簡(jiǎn)化。其中，作用在土粒邊界上的毛細(xì)吸力合力按其作用段分段計(jì)算，第i段毛細(xì)吸力的作用長(zhǎng)度為L(zhǎng)i，其合力fsi為：

圖1 單顆粒上毛細(xì)作用力計(jì)算Fig.1 Calculation of the capillary force on the single particle

該力的作用點(diǎn)位于浸濕段中點(diǎn)，方向指向該段的外法線。表面張力Ts僅作用于固、液、氣三相交界點(diǎn)處，在溫度等條件確定的情況下，其值為常量，方向沿彎液面的切線由兩端指向中間。而后分別將2 個(gè)力在笛卡爾坐標(biāo)系下分解到x、y兩個(gè)方向：(Tsx，Tsy), (fsix,fsiy)，將分解后的力分別以顆粒為單元求和，再嵌入到DDA的運(yùn)動(dòng)方程中。

先利用理想模型驗(yàn)證毛細(xì)水算法的有效性。構(gòu)建2 個(gè)半徑同為10 μm的圓盤，上面圓盤固定，下面圓盤可移動(dòng)，初始狀態(tài)下2 圓盤不接觸，見圖2。分別用理論解和以上算法計(jì)算不同間距下的粒間毛細(xì)力。

圖2 不同水量下兩圓盤模型中的毛細(xì)水分布Fig.2 Capillary water in the double-disk model at different water content

不考慮圓盤的重力。在二維平面上，當(dāng)粒間間距為d時(shí)，計(jì)算不同填充角δ對(duì)應(yīng)的毛細(xì)水彎液面半徑r[15]：

單位厚度水量Vw為：

粒間毛細(xì)力(ua-uw)為：

利用式（3）—（5）計(jì)算得，間距d為0.50，0.25，0.05 μm的粒間毛細(xì)力，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 不同間距下的毛細(xì)力理論和模擬計(jì)算結(jié)果Fig.3 Capillary pressure calculated with theory and simulation

毛細(xì)力作用的數(shù)值模型中，顆粒的重度、接觸角與理論計(jì)算一致，均設(shè)為0，模型所需的其余參數(shù)（密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力）與表1中的土顆粒一致。該方法計(jì)算結(jié)果見圖3。理論解與模型結(jié)果吻合很好，說明毛細(xì)作用模型是可靠的，還可將其進(jìn)一步擴(kuò)展到土體的微結(jié)構(gòu)演化分析中。

2 非飽和土壓縮過程模擬

2.1 骨架結(jié)構(gòu)生成

參考黃土骨架顆粒的形態(tài)和大小，建立理想的具有大孔隙結(jié)構(gòu)的非飽和土體微觀骨架模型。圖4為用于構(gòu)建模型的實(shí)測(cè)黃土粒度分布曲線。由圖4可知，該土樣的骨架大多以粉粒為主，這部分顆粒粒徑集中分布在20～30 μm，因此本文只選取該范圍粗顆粒建立理想土骨架模型。

圖4 樣品粒度分布曲線Fig.4 Particle size distribution curve

通過繪制放大100倍的黃土粗顆粒形狀，并用多邊形將其擬合，建立黃土粗顆粒形態(tài)庫(kù)。利用落體投放法建立模型，具體步驟為：①建立內(nèi)徑為540 μm×400 μm，盒壁為50 μm的樣盒模型；②從顆粒庫(kù)中隨機(jī)抽取350個(gè)在20～30 μm的顆粒，并將其隨機(jī)掉落于540 μm×400 μm區(qū)域內(nèi)，形成的微觀結(jié)構(gòu)模型見圖5（a）。

計(jì)算三維模型的孔隙率n3d和孔隙比e：

該模型的初始二維孔隙率n2d為28.0%，孔隙比e為0.390。利用式（6）（7）可以估算出三維孔隙率n2d和孔隙比e分別為48.0%和0.910。

2.2 參數(shù)確定

土顆粒和樣盒參數(shù)見表1。土顆粒一般是物源區(qū)巖石風(fēng)化后的產(chǎn)物，所以密度、彈性模量、泊松比等基礎(chǔ)物理力學(xué)參數(shù)可以參考巖石中（花崗巖）的相應(yīng)參數(shù)。本文旨在探討毛細(xì)作用對(duì)土體的影響，沒有考慮細(xì)粒的作用，黏聚力設(shè)為0 kPa。摩擦角根據(jù)直剪實(shí)驗(yàn)確定。

表1 模型參數(shù)表Table 1 Parameters in the model

樣盒對(duì)土樣起到約束作用，因此為剛性體，物理參數(shù)參考銅的相應(yīng)參數(shù)，如表1。此外，為避免盒壁與土粒的摩擦等非土顆粒間作用力對(duì)土體變形的影響，將樣盒表面設(shè)置為光滑不浸濕，即分別設(shè)置內(nèi)摩擦角、黏聚力為0°，0 kPa，接觸角為179°，表面張力為0 mN/m。

2.3 加載系統(tǒng)的構(gòu)建

骨架模型建立以后，進(jìn)一步施加毛細(xì)作用。構(gòu)建的模型土樣初始含水率為5%、10%、18%。利用毛細(xì)水算法確定模型中相應(yīng)含水率下的毛細(xì)水面積及分布范圍，并計(jì)算出相應(yīng)毛細(xì)力，施加于土顆粒之間。各含水率下毛細(xì)水在土中的分布狀態(tài)如圖5（b）—（d），對(duì)應(yīng)的飽和度分別為18.0%、36.0%、68.0%。

加載控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法為：在上述模型上部設(shè)置一加載板，加載板向土樣逐級(jí)加載。加載板與樣盒的特性參數(shù)、厚度、親水性均相同，見表1。加載板與樣盒之間為光滑接觸，只能在豎直方向運(yùn)動(dòng)。在加載板上均勻布置4個(gè)荷載點(diǎn)，荷載點(diǎn)的間隔為加載板寬度的1/5，用于給土樣加載，如圖5所示。在加載板上布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔為1/4加載板寬度。

加載控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何確定施加下一級(jí)荷載的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)方法為：首先賦予系統(tǒng)預(yù)計(jì)施加的各級(jí)荷載值，荷載值可任意給定，但需按加載順序逐級(jí)遞增。開始加載后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)反饋位移信息。在當(dāng)級(jí)荷載下，若監(jiān)測(cè)點(diǎn)反饋的位移量穩(wěn)定（時(shí)步增加100步，位移量小于0.01 μm）且不是最終荷載，則自動(dòng)施加下一級(jí)荷載；若位移未穩(wěn)定，維持當(dāng)級(jí)荷載，直至穩(wěn)定；當(dāng)位移穩(wěn)定且為最后一級(jí)荷載，結(jié)束壓縮過程。每級(jí)荷載作用穩(wěn)定后，自動(dòng)輸出當(dāng)級(jí)荷載下的土樣變形量。本次試驗(yàn)的荷載序列為1 kPa→6.25 kPa→12.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa。

在土顆粒之間增加毛細(xì)作用力，結(jié)合加載系統(tǒng)，模擬非飽和土側(cè)限壓縮試驗(yàn)。在壓縮過程中，土顆粒將重新排列，孔隙結(jié)構(gòu)變形，毛細(xì)水重新分布。在每一時(shí)步，模型將重新計(jì)算毛細(xì)水彎液面半徑及毛細(xì)力，并更新荷載矩陣，而后進(jìn)入下一增量步。同時(shí)，模型將實(shí)時(shí)輸出圖像，通過圖像可直觀地觀察孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)及毛細(xì)水分布狀態(tài)。圖6為整個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的計(jì)算流程。

圖6 非飽和土壓縮試驗(yàn)?zāi)M的計(jì)算流程Fig.6 Flow chart of simulation for the unsaturated soil compression test

3 模擬結(jié)果分析

3.1 e-lgp壓縮曲線

實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量點(diǎn)的豎向位移即模型土的豎向變形S轉(zhuǎn)換為二維孔隙比e：

式中：e0——初始孔隙比；

H——初始模型高度/μm。

根據(jù)式（6）（7）估算出三維孔隙比，三維孔隙比e與豎向荷載p之間的關(guān)系曲線（e-lgp）如圖7。

圖7 模擬壓縮曲線Fig.7 Simulated compression curves

從圖7的結(jié)果來(lái)看，不同含水率下的e-lgp曲線可分為平緩和陡降2個(gè)階段，且含水率高的試樣，同一荷載下的孔隙比小。平緩段和陡降段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載被稱為側(cè)限壓縮屈服應(yīng)力（Psc）[19]，模擬得到的Psc隨含水率的增大而減小。這些規(guī)律說明基質(zhì)吸力有利于土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易發(fā)生變形?，F(xiàn)有同工況下的試驗(yàn)曲線[20-21]也表現(xiàn)出與模擬結(jié)果同樣的規(guī)律。這說明，數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍从硥嚎s過程中土體宏觀變形特征。

3.2 壓縮過程中飽和度和基質(zhì)吸力的變化

分析在壓縮過程中，因顆?；疲紫蹲冃?，引起飽和度和吸力的變化。飽和度Sr和基質(zhì)吸力ψ隨荷載p增加的變化情況見圖8。

根據(jù)圖8，隨荷載的增加，Sr-p呈上升趨勢(shì)，ψ-p曲線呈下降趨勢(shì)。飽和度Sr的上升幅度隨初始含水率的增加而增加。說明土體結(jié)構(gòu)的變形與含水率有關(guān)。當(dāng)含水率相對(duì)較低時(shí)，土體抵抗變形的能力較強(qiáng)，壓縮終止后土體結(jié)構(gòu)變形很小。隨含水率的逐漸增加，土樣的變形量逐漸增大，這與圖7反映的結(jié)果一致。

圖8 壓縮過程中飽和度和基質(zhì)吸力的變化Fig.8 Variation of saturation and matric suction during compression

對(duì)于ψ-p曲線，壓縮結(jié)束后，各含水率條件下基質(zhì)吸力ψ降幅均較小，其中10%含水率下的降幅最小。原因在于：基質(zhì)吸力在壓縮過程中受到毛細(xì)作用與飽和度2個(gè)因素的控制，且這2個(gè)因素作用效果相反。隨著土樣壓縮，孔隙半徑減小，毛細(xì)作用增強(qiáng)，基質(zhì)吸力增大；另一方面由于孔隙體積變小，飽和度增大，導(dǎo)致基質(zhì)吸力減小。由壓縮曲線（圖7）可知，當(dāng)含水率較低為5%時(shí)，壓縮終止后，土體的孔隙比，或孔隙體積變化不大，所以毛細(xì)作用引起的基質(zhì)吸力變化不大；而含水率較高為18%時(shí)，孔隙體積變化大，但由于土樣在18%的含水率下已接近飽和，毛細(xì)作用對(duì)基質(zhì)吸力的影響很微弱。因此這2種狀態(tài)下，毛細(xì)作用影響微弱，基質(zhì)吸力主要隨壓縮過程中飽和度的增加而減小。當(dāng)含水率為10%時(shí)，毛細(xì)作用對(duì)基質(zhì)吸力的增強(qiáng)作用與飽和度對(duì)基質(zhì)吸力的減弱作用都有較大的影響，兩者相互抵消，因此基質(zhì)吸力變化量小于5%與18%的土樣。但3種含水率下基質(zhì)吸力總體呈下降趨勢(shì)，說明飽和度相較于毛細(xì)作用而言，是影響基質(zhì)吸力的主要因素。

總的來(lái)說，隨荷載的增加，土樣飽和度上升，基質(zhì)吸力下降，飽和度漲幅隨土樣含水率增加而增加，基質(zhì)吸力在土樣干燥及近飽和時(shí)降幅較大。

3.3 微觀結(jié)構(gòu)變形分析

數(shù)值模擬可以直觀地觀察土壤微觀結(jié)構(gòu)的變化過程，并可以追蹤特定孔隙的在不同含水率狀態(tài)時(shí)的變形過程，這是實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以達(dá)到的。圖9展示了初始土樣（含水率0%）的孔隙分布與5%、10%、18%含水率下壓縮終止時(shí)的孔隙分布情況。并追蹤觀察了頂（孔隙a）、中（孔隙b）、底（孔隙c）部3個(gè)典型孔隙在不同含水率下的變化。

根據(jù)圖9，在荷載作用下，土樣的變形隨含水率的上升有顯著增加，且含水率較低時(shí)，顆粒接觸方式包括大量的點(diǎn)接觸和面接觸，見圖9（a），隨著含水率增高，土體在壓縮后點(diǎn)接觸數(shù)量明顯減少，以面接觸為主，見圖9（b）。這說明，含水率越高，土壤越易被壓縮。

圖9 初始孔隙分布與不同含水率條件下壓縮終止時(shí)孔隙分布Fig.9 Model pore distribution at the end of compression under different water content

對(duì)于上部孔隙a，在土樣含水率為5%時(shí)，孔隙a在壓縮終止時(shí)產(chǎn)生了變形，孔隙面積被壓縮，但孔壁顆粒位移較小，孔隙仍保持初始形態(tài)；含水率增大到10%和18%時(shí)，孔隙a均被壓扁，孔壁顆粒發(fā)生了明顯的位移，孔壁坍塌，孔壁顆粒進(jìn)入孔隙中，孔隙由1個(gè)大孔分解成幾個(gè)小孔隙。

對(duì)于中部孔隙b，在土樣含水率為5%時(shí)，孔隙b未發(fā)生明顯的變形，孔隙基本維持初始大小和形態(tài)；在含水率達(dá)到10%時(shí)，孔隙b面積被壓縮減小，但孔隙形態(tài)未發(fā)生明顯的改變，孔壁未坍塌；當(dāng)含水率進(jìn)一步增大達(dá)到18%接近飽和時(shí)，孔隙b孔壁顆粒發(fā)生較大的位移，孔壁坍塌，孔隙分解成多個(gè)小孔。

對(duì)于底部孔隙c，在土樣含水率為5%時(shí)，孔隙基本未產(chǎn)生變形；含水率達(dá)到10%時(shí)，孔隙面積有微弱減小，形態(tài)不變；含水率達(dá)到18%接近飽和時(shí)，孔壁坍塌，孔隙分解成若干個(gè)小孔，原始孔隙發(fā)生徹底改變。

在壓縮時(shí)，上部孔隙（孔隙a）在含水率低時(shí)即產(chǎn)生變形，隨著含水率增大孔隙變形隨之增大；中部孔隙（孔隙b）在含水率較小時(shí)基本不發(fā)生變形，隨含水率增大發(fā)生變形，接近飽和時(shí)孔壁坍塌；底部孔隙（孔隙c）在含水率較低或中等時(shí)均很難發(fā)生變形，含水率接近飽和時(shí)，孔壁坍塌孔隙分解。這說明，在土體壓縮時(shí)，靠近受壓位置的孔隙優(yōu)先發(fā)生變形，遠(yuǎn)離受壓位置的孔隙不易發(fā)生變形。曹亮等[22]利用改進(jìn)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)固結(jié)儀，觀察到了土樣變形過程中相似的現(xiàn)象；孔隙的變形形式與水分含量有關(guān)，隨含水率增大，孔隙變形逐漸由體積收縮變化演變?yōu)榭妆谔紫斗纸獬筛〉目紫丁?/p>

將土體在壓縮過程中的孔隙變形模式概化為圖10所示的概念模型，其規(guī)律為：在含水率較低的情況下，孔壁顆粒穩(wěn)定，孔隙以收縮變形為主，如圖10（b）。當(dāng)含水率升高后，孔壁顆粒坍塌進(jìn)入孔隙內(nèi)部，以分解變形為主，如圖10（c）。Xie等[3]和Wang等[4]通過實(shí)測(cè)試驗(yàn)對(duì)土體壓縮過程中孔隙、顆粒形態(tài)的統(tǒng)計(jì)表明，高含水率下加載過程中，土顆粒會(huì)失去穩(wěn)定，顆粒將重新排列，導(dǎo)致孔隙大小、形態(tài)和顆粒方向都發(fā)生了變化。這實(shí)際上也從側(cè)面證明了土體在高含水率下發(fā)生了分解變形，孔壁坍塌，較大的孔隙分解為小孔隙。

圖10 不同含水率下孔隙變形的主要形式Fig.10 Main forms of pore deformation under different water content

不同含水率下變形模式的差異本質(zhì)上與基質(zhì)吸力有關(guān)?；|(zhì)吸力的存在，增加了土顆粒之間的有效應(yīng)力，從而增強(qiáng)土顆粒之間的摩擦力，使得土顆粒之間更難發(fā)生滑移，利于維持土體結(jié)構(gòu)，土體孔隙以收縮變形為主。基質(zhì)吸力隨含水率的增加而減小，維持土顆粒穩(wěn)定的能力將隨之減弱，土顆粒之間易于滑移，孔隙的變形形式逐漸轉(zhuǎn)為分解變形為主。在基質(zhì)吸力很低，土體接近飽和時(shí)，土樣極易發(fā)生壓縮變形，顆粒極易發(fā)生位移，孔隙產(chǎn)生較大變形，土體表現(xiàn)出整體的軟化現(xiàn)象，土體強(qiáng)度喪失。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)際黃土骨架顆粒分布、形狀建立了理想非飽和土模型，將毛細(xì)力作用施加于土骨架顆粒間，在整個(gè)結(jié)構(gòu)上施加外荷載，模擬了非飽和土的常含水率壓縮過程。獲得的壓縮曲線與同工況下的試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致，表明本文的數(shù)值試驗(yàn)?zāi)軌蚍从惩馏w的宏觀變形特征，即隨荷載增加，孔隙比逐漸減小，并且同一荷載下，含水率越高，土壤的壓縮量越大。

（2）對(duì)壓縮過程中土水作用模擬結(jié)果表明，常含水率壓縮引起土壤飽和度增大，基質(zhì)吸力減小。隨含水率的升高，飽和度的增幅逐漸增大；基質(zhì)吸力的下降程度受毛細(xì)作用與飽和度2個(gè)因素影響，其在干燥與近飽和時(shí)降幅較大。

（3）追蹤土體特定孔隙的演變過程，結(jié)果表明在土體壓縮時(shí)，靠近受壓位置的孔隙優(yōu)先發(fā)生變形，遠(yuǎn)離受壓位置的孔隙不易發(fā)生變形；孔隙的變化形式與含水率有關(guān)，低含水率時(shí)，孔隙主要為體積減小的收縮變形，高含水率時(shí)，孔隙主要為孔壁坍塌、孔壁顆粒進(jìn)入孔隙內(nèi)部的分解變形。