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GeoStudio非饱和渗流关键问题探讨.pdf

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GeoStudio 软件使用体会交流 GeoStudio 软件使用体会交流 汇报题目:非饱和渗流关键问题探讨 罗红明 中国科学院武汉岩土力学研究所 2010年年66月月 2010
汇报提纲 汇报提纲 汇报提纲 一、非饱和土特性 二、非饱和渗流基本理论 三、非饱和数值求解关键问题 四、降雨数值分析中几个问题 五、应用实例分析
一、非饱和土特性 1、土水特征曲线 基质吸力直接影响着非饱和土的力学性质。对于非饱和土体,其基质 吸力的大小则是土体含水量的函数。非饱和土的基质吸力随着含水量 的变化而变化,含水量和基质吸力的关系曲线称为土水特性曲线。 土水特性曲线对于研究非饱和土的物理力学特性至关重要。根据土水 特性曲线可以确定非饱和土的强度和渗透系数,甚至可以确定地下水 面以上水分分布。因此,研究含水量对非饱和土力学性质的影响,就 是研究非饱和土力学性质与基质吸力以及土水特性曲线的相互关系。 土水特性曲线的研究,起源于土壤学和土壤物理学。当时主要着重于 天然状态下表层土壤吸力的变化、土壤的持水特性及水分运动特征的 研究,基质吸力值一般小于100kPa。 近年来,由于非饱和土力学理论在斜坡稳定性评价以及降雨型滑坡预 测等方面的广泛应用,对非饱和土的土水特性曲线进行了更加深入的 研究。
一、非饱和土特性 2、土水特征曲线数学模型-1 Fredlund等通过对土体孔径分布曲线的研究,用统计分析理论推导出 适用于全吸力范围的任何土类的土水特征曲线的表达式: θ θ s = F ( ) ϕ = C C ( ) ϕ −= 1 1 ( ϕ α / n } ) ] m ( ) ϕ + Ln e [ { Ln 1( ) + ϕϕ r Ln 10 1( + ϕ r / 6 / ) 公式中,体积含水量的取值范围为: ]sθθ ,0∈ [ [ ]max maxϕ ,0 ϕϕ∈ , 为土体含水量 =0时,所能达到的最大基质吸力。由 为: 此可见,公式适用于全吸力范围的任何土类。但公式形式较为复杂, 给实际应用者带来诸多不便。 θ ,基质吸力的取值范围
一、非饱和土特性 2、土水特征曲线数学模型-2 Van Genuchten通过对土水特征曲线的研究,得出非饱和土体含水量 与基质吸力之间的幂函数形式的关系式: θ θ r θ θ r − − s = F ( ) ϕ = 1 [1 ( + ϕα ) ] n m α n m 式中: , , 为拟合参数,其中 公式中,体积含水量的取值范围为: m 1 1 = − ]s r θθθ n [ ,∈ ]s [ ,∈ 。公式适用与描述基质吸力变化范围为 为 r θθθ 征曲线。 ,符号意义同前。 ,基质吸力的取值范围 的土水特 ]rϕϕ ,0∈ [
一、非饱和土特性 2、土水特征曲线数学模型-3 土水特征曲线的分形模型基于土体质量分布具有分形特征,以及孔隙 数目与孔径之间的具有分形关系的认识。依据分形孔隙数目与孔径之 间关系和Young-Laplace方程得到分形模型的通用表达式: θθ r θθ s r − − F ( ) ϕ = = ⎛ ⎜⎜ ⎝ ϕ ϕ b ⎞ ⎟⎟ ⎠ vD 3− 公式中,体积含水量的取值范围为: ]s ,基质吸力的取值范围 r θθθ ( ,∈ [ ∈ )r b ϕϕϕ , )r b ϕϕϕ , 为 特征曲线。实际上,公式也是一种幂函数形式的数学模型。 。公式适用于描述基质吸力变化范围为 ∈ [ 的土水
一、非饱和土特性 2、土水特征曲线数学模型-4 包承纲等通过对非饱和土气相形态的研究和划分,认为在实际工程应 用中,只有部分连通内部两种气相形态需要着重研究。对照Fredlund 等的土水特征曲线(Fredlund的公式),发现该曲线在进气值和残余 含水量两个特征点之间近乎为一条直线。于是用对数方程来表征土水 特征曲线,并将其简化为: θθ r θθ s r − − = F )( ϕ = lg ϕϕ r lg ϕϕ r b lg − lg − [ ]r b ϕϕϕ ∈ 公式中,体积含水量的取值范围为: ]s r θθθ ,基质吸力的取值范围 的土水特 为 征曲线。上式较公式前面的几个数学模型大为简化,其精度能满足一 般工程需求。 。上式适用于描述基质吸力变化范围为 [ ,∈ , ]r b ϕϕϕ ∈ [ ,
一、非饱和土特性 2、土水特征曲线数学模型-5 比较上面已有的土水特征曲线数学模型不难发现,体积含水量都是基 质吸力的函数,不妨考虑应用Taylor级数展开式将它们写成统一的模 型,并推导出以基质吸力为变量的土水特征曲线通用表达式。由于上 述四类数学模型的右项都是关于基质吸力的函数,可以写成: θ F = θ s ( )ϕ θθ r = θθ r s − − F ( )ϕ 黄润秋等将公式上述几种模型在处展开为Taylor级数: = F ( ϕ b ) θ θ s ( F ′+ ϕϕϕ b ) ( b − ) + F ) ( ′′ ϕ b !2 ( ϕϕ b − ) 2 +……+ F ) ( n )( ϕ b n ! ( ϕϕ b − ) n + Q n )( ϕ
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