武汉岩土所运用分子动力学计算非饱和土最低基质势能研究获进展

  土水之间的相互作用对土体许多宏观的力学响应、物质运移和传导行为起到决定性影响,而土水特征曲线就是描述这种非饱和土水相互作用的最重要本构之一。在诸多土水特征曲线的模型中,最低基质势能作为土水特征的重要参数,决定了土体在极低含水量条件下,土体颗粒对水分子的吸附能力。现有的模型都无法标书这一特征参数,或用人为给定的-106kPa,或用较低含水量的吸力线性外插值等。同时,现有的试验技术和手段,既很难实现土体的绝对干燥(尤其是黏土),也很难在物理上微观探测极微量水分子的吸附过程。

  中国科学院武汉岩土力学研究所副研究员董毅长期致力于包括非饱和土测试技术与理论在内的多相岩土介质力学与工程方面的研究,针对非饱和土的最低势能(或最高吸力),从热动力学原理出发,提出了基于系统自由能的势能计算理论框架,并运用分子动力学模拟技术,模拟了二氧化硅矿物晶体单元格表面的单层水分子膜吸附过程,并计算了该过程中体系自由能的变化。

  结果表明,二氧化硅矿物表面的最低势能可以达到-2.0GPa。该方法为非饱和土水特征曲线模型的最高吸力值提供了理论计算值,并为进一步计算模拟矿物表面的吸附过程提供了新的方法和手段。以上工作发表在Geophysical Research Letters 期刊上。

  图2:矿物表面与水分子体系的不同能量状态,以及确定体系自由能变化的示意图

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