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水土耦合

/water and soil coupling/
条目作者鲁晓兵

鲁晓兵

最后更新 2024-12-04
浏览 239
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水和土之间相互作用并共同承受外部环境载荷的作用。

英文名称
water and soil coupling
所属学科
力学

水土耦合包括土体孔隙中存在的水与土颗粒之间的耦合作用,又包括土体与外部水之间的耦合作用。

水在土中以黏结水、毛管水、自由水的形式存在于土颗粒周围。黏结水分为强黏结水和弱黏结水。水吸附在土体中矿物晶体内部或直接吸附在土粒表面几个水分子厚的范围内成为强黏结水,性质与固体类似。土颗粒表面带有的负电荷使强黏结水层外形成双电层,该层内的水称为弱黏结水,具有半结晶水的性质,当水力梯度克服了弱黏结水的黏滞阻力,就可以变为自由水而移动,这导致土体的非线性渗透性。毛管水依靠水-气界面凹形弯月面的表面张力吸附于土体孔隙中。随着毛管水增加,土的吸力减小,强度降低,渗透性增加。自由水与土粒间没有直接的相互作用,在重力下自由流动,但在外力作用时,与土颗粒间产生耦合作用。在外力作用下,孔隙中自由水受到挤压而排出,孔隙水压减小,粒间应力增加,粒间接触处变形,从而影响粒间电化学力,于是强度和刚度也发生变化。如果孔隙水来不及排出,则土粒承受的载荷将逐渐转移到孔隙水,粒间应力减小,甚至为零,即土体液化。

土粒矿物含量、土体微结构决定黏结水的厚薄、毛管力的强弱、自由水渗透性大小。黏结水阻碍土粒间的真正接触,但传递和影响土粒间的电化学力(范德瓦耳斯力和库仑力),使土体具有抵抗外力的剪阻力即抗剪强度。黏结水和毛管水的存在也直接影响粒间变形,从而影响土体刚度。严格地讲,只有当水和土对扰动的响应特征时间是同一数量级时,才可称为耦合的;否则,有些情况下,比如土体变形和渗流的特征时间相差几个数量级,二者完全可以解耦分析,则应该认为二者不是耦合的。

土体与外部水的耦合作用时,水体运动可按照流体运动方程(例如纳维-斯托克斯方程)进行分类。如果重点关注土体滑移引起的水体运动,土体可视为刚体;如果要考虑土体本身的变形甚至解体,则将其视为弹塑性体进行分析。在土体和水体界面上,由于两者间流速差异,会存在水流对土体的表面剪切力、压力、波浪力、升力等。当滑坡体进入河流或海底,引起附近水体的运动,导致涌浪、海浪等。反过来,流体的运动又影响土体的运动和变化,两者之间的运动是耦合在一起的。这种耦合运动可引起土体发生位移、变形、冲刷,甚至解体,从滑坡转化为泥流、泥石流等,广泛地涉及水土流失、山地灾害、库岸稳定等工程问题。

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