[發明專利]一種統一的非飽和土相對滲透系數簡化預測方法

有效

• 申請號: 201810730592.0
• 申請日: 2018-07-05
• 公開（公告）號: CN109115664B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 陶高梁;陳陽陽;莊心善;肖衡林;胡其志;萬娟;何俊;朱志政;羅晨晨;彭彎
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 王和平;張繼巍

1.一種統一的非飽和土相對滲透系數簡化預測方法，其特征在于：所述預測方法包括如下步驟：

1)結合已有的四種相對滲透系數經典模型和已有的土-水特征曲線分形模型，提出一種統一的非飽和土相對滲透系數簡化預測模型及參數模型取值方法：

其中：K_r(ψ)表示非飽和土相對滲透系數、ψ_a為進氣值、ψ為基質吸力、S_r為飽和度；

參數D為分維數，模型取值方法如下：

當2.8≤D3時，f(S_r)取S_r³或S_r；

當2.6≤D2.8時，f(S_r)取S_r³；

當2.2≤D2.6時，f(S_r)取(8-2D/3-D)S_r-(5-D/3-D)S_r²、S_r^2.5或S_r³；

當D2.2時，f(S_r)取(8-2D/3-D)S_r-(5-D/3-D)S_r²或S_r^2.5；

2)基于壓力板試驗測得土-水特征曲線實測數據，得到測量基質吸力ψ₀和測量飽和度S_r0；

3)根據步驟2)中測量基質吸力ψ₀和測量飽和度S_r0并結合步驟1)中土-水特征曲線分形模型的表達式，擬合得到測量分維數D₀及測量進氣值ψ_a0；

4)根據步驟3)中擬合得到的測量分維數D₀在步驟1)中選取相應的f(S_r)，并將測量進氣值ψ_a0和f(S_r)帶入公式(1)進行非飽和土相對滲透系數的預測；

結合已有的四種相對滲透系數經典模型和已有的土-水特征曲線分形模型提出一種統一的非飽和土相對滲透系數簡化預測模型具體過程如下：

1a)已有的非飽和土相對滲透系數模型包括

TK相對滲透系數模型

CCG相對滲透系數模型

Mualem相對滲透系數模型

Burdine相對滲透系數模型

其中：K_r為非飽和土相對滲透系數、S_r為飽和度、θ為體積含水量、θ_s表示飽和含水量、θ_r表示最小體積含水量、ψ為基質吸力

已有的土-水特征曲線分形模型的表達式為

其中：K_r為非飽和土相對滲透系數、S_r為飽和度、ψ_a為進氣值、ψ為基質吸力；

1b)采用已有的土-水特征曲線分形模型的表達式(2)中ψ≥ψ_a進行推導，公式(2)兩邊同時求導可得：

d_x＝d_Sr＝(D-3)ψ_a^3-Dψ^D-4d_ψ (7)

將公式(7)帶入公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)中可得公式(8)、公式(9)、公式(10)、公式(11)：

K_r為非飽和土相對滲透系數、S_r為飽和度、S_{r min}為殘余飽和度、ψ_a為進氣值、ψ為基質吸力、ψ_d為最大基質吸力、D為分維數；

K_r為非飽和土相對滲透系數、φ為孔隙率、S_r為飽和度、S_{r min}為殘余飽和度、ψ_a為進氣值、ψ為基質吸力、ψ_d為最大基質吸力、D為分維數；

K_r為非飽和土相對滲透系數、S_r為飽和度、S_{r min}為殘余飽和度、ψ_a為進氣值、ψ為基質吸力、ψ_d為最大基質吸力、D為分維數；

K_r為非飽和土相對滲透系數、S_r為飽和度、S_{r min}為殘余飽和度、ψ_a為進氣值、ψ為基質吸力、ψ_d為最大基質吸力、D為分維數；

又由于ψ_dψ_a，所以忽略(ψ_a/ψ_d)^4-D、(ψ_a/ψ_d)^5-D、ψ_a/ψ_d)^8-2D，可將公式(8)、公式(9)、公式(10)、公式(11)簡化得到公式(12)、公式(13)、公式(14)、公式(15)：

由公式(12)～公式(15)提出一種統一的非飽和土相對滲透系數簡化預測模型

K_r為非飽和土相對滲透系數、S_r為飽和度、ψ_a為進氣值、ψ為基質吸力、D為分維數；

根據分維數D的大小，f(S_r)取S_r、(8-2D/3-D)S_r-(5-D/3-D)S_r²、S_r^2.5或S_r³。

2.根據權利要求1所述統一的非飽和土相對滲透系數簡化預測方法，其特征在于：所述步驟3)中，測量分維數D₀及測量進氣值ψ_a0擬合方法具體為：基于測得的土-水特征曲線實測數據，舍去含水量未改變的低基質吸力段數據，用-lnψ作為橫坐標、lnS_r作為縱坐標，繪制散點圖，然后作直線擬合，得到斜率k，則測量分維數D₀＝3-k；基于所得測量分維數D₀，采用公式(2)中ψψ_a對測得的土-水特征曲線實測數據進行擬合，得到測量進氣值ψ_a0。