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本书通过不同含水量梯度、温度和迁移时间条件下水分迁移试验，研究气态水及气、液混合水迁移作用下的含水量变化规律，并探讨黏土矿物吸水前后的微观结构特征，基于分子动力学方法揭示水分迁移与微结构的内在关系，进而构建数值分析方程，并将试验结果与数值计算结果进行比较，验证其有效性。研究路线如图1.1所示。
图1.1 研究路线
（1）土体基本物理性质和土水特征曲线测定。了解土样基本物理特性，测定最大干密度、最优含水量、液限、塑限、塑性指数、自由膨胀率、矿物成分及土水特征曲线等，为后续试验提供基本参数。
（2）水分迁移试验。考虑不同的含水量梯度、温度（恒温和变温）及迁移时间的影响，研究非饱和膨胀土气态水和气、液混合水的迁移规律。通过试验对比，研究气态水迁移量与气、液混合水迁移量的关系。同时，对不同吸力下水分迁移稳定后的膨胀土试样进行场发射扫描电子显微镜扫描，定性和定量分析颗粒与孔隙类型、颗粒接触方式、孔隙数量、等效直径、扁平度、复杂度及定向分布分维数的变化规律。
（3）微观研究。基于分子动力学模拟，建立黏土矿物微观分子动力学模型。考虑土体实际温度条件，进行不同温度（5℃、20℃、40℃）和含水量（6%、12%、18%、24%、33%和43%）条件下的黏土矿物水化动力学过程模拟。通过水化过程中的均方位移和径向分布函数分析，深入探讨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，从而深刻认识黏土水化的微观动力学机制。
（4）理论与数值分析。基于质量守恒原理，建立时间分数阶非饱和土气、液迁移方程，并探究极坐标下的分数阶气、液迁移方程的数值解法。引入Caputo型分数阶和Conformable分数阶定义，对分数阶阶次进行敏感性分析，采用有限差分法来模拟土壤水分的瞬态变化。此外，为了提高计算模型的精度，将土体脱湿和吸湿过程分阶段选定参数计算，并将计算结果与实测结果进行比较，分析温度和含水量梯度对水汽输送的影响。