前言

非饱和膨胀土吸水膨胀、失水收缩，故其工程特性受土体水分迁移影响显著，并可引起地基不均匀沉降、路基或房屋开裂及边坡失稳等工程灾害，造成巨大的经济损失，受到工程界的广泛关注。为确保膨胀土地区工程安全，深入探讨非饱和膨胀土体内的水分迁移机理，具有重要的理论意义和应用价值。

本书构建了可考虑温度和区分不同水分迁移形态的非饱和膨胀土迁移试验模型，系统探究了不同含水量梯度、温度（恒温和变温）与迁移时间下非饱和膨胀土的水分迁移规律，探讨了在不同迁移条件下，气态水所占气、液混合迁移比例变化规律。由水分迁移试验结果得出，水分迁移量随着两侧土体间含水量梯度的递增而加大，含水量梯度18%模型中的水分迁移量为含水量梯度12%模型的1.5～2倍，为6%模型的2～3倍；60天的水分迁移量为30天的1.07～1.4倍，表明后30天水分迁移速度变缓，水分迁移主要在30天内完成；在相同的含水量梯度和迁移时间下，温度对水分迁移量的影响明显，20℃的水分迁移量为40℃的40%～60%，5℃的水分迁移量为40℃的25%～40%，当含水量梯度较大时，恒温（20℃）的水分迁移量与变温（15～25℃）的水分迁移量差异较小，而当含水量梯度较小时，恒温的水分迁移量为变温的50%～70%。另外，试验结果也表明非饱和土水分迁移中气态水迁移是不可忽视的。在含水量梯度为18%的样本中，气态水所占比例均在57%以上，且随着时间的增加和温度的升高，占比有所增长；在含水量梯度为6%和12%的样本中，气态水所占比例不低于30%，但随着时间的增加，气态水所占比例有所下降。同时，本书对土样微观结构图像进行了定量和定性的分析，探讨了膨胀土水分迁移后结构特征、孔隙结构及颗粒特征的变化规律。结果发现，土样以中小孔隙为主，有利于土体的毛细水上升，也为结合水提供了存在的空间。随着水分含量的降低，颗粒的团聚性变强，结构单元体间的孔隙则为水分迁移提供了通道。

本书构建了黏土矿物的分子动力学微观分析模型，模拟分析了5℃、20℃和40℃条件下不同含水量的黏土矿物水化动力学过程，并探讨了不同含水量和温度条件下的膨胀性能，以及水化过程中的水分子和阳离子的扩散系数、配位数、相对浓度等分布与传导演化特征；同时拟合了等温下的扩散系数，并应用于数值计算和考虑温度的土水特征曲线模拟，进一步探讨了黏土微观特性对宏观水分迁移的作用。结果表明，随着含水量的增加，层间水逐渐形成一层、二层、三层、四层的分布结构，层间距逐步增大，说明了黏土矿物遇水膨胀的特性。同时，含水量43%模型的水分子相对浓度峰值较6%的模型降低了65%，但含水量43%模型的水分子较分散，分布空间大1倍。模拟分析获得扩散系数为1.80×10 ^-11 ～22.0×10 ^-10 m ² /s，扩散系数随着水分子的增加呈幂函数关系增加，20℃和40℃模型中的扩散系数为5℃模型的1～3倍，故高温可减弱阳离子的水合能力，降低对水分子的束缚，导致水分子的传导能力增强、扩散系数增加，显然分子动力学模拟可从微观角度解释水分迁移引起膨胀土的特性演变机理。

基于Caputo分数阶和Conformable分数阶定义，本书建立了分数阶非饱和土气、液迁移方程，并探究了极坐标下的分数阶气、液迁移方程的数值解法。根据Stokes-Einstein方程及分形理论，本书探讨了考虑温度变化的扩散系数的计算公式。经过敏感性分析发现，在分数阶阶次 α 为0.95时，数值解与实测值吻合度最高。此外，根据水分在土体中的迁移变化，分阶段选定参数，提高了数值计算的精确度。通过与实测值对比发现，标准整数阶控制方程数值解的误差占比为5.20%～28.14%，而本模型数值计算的误差占比为1.32%～9.05%，约为前者的30%。可见，这为模拟非饱和土中的水分迁移过程提供了一种有效的方法。

作者
2024年1月

➢ 安徽省高校重点自然科学研究项目“变温作用对非饱和膨胀土水分迁移及强度影响研究”（项目标号：2023AH050267）

➢ 技术服务合同“车时光汽车城EPC项目全过程关键质量风险管控研究”（项目标号：20231215）