[發(fā)明專利]一種黃土浸水孔隙變化影響下的滲流特性的分析方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011012993.6
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112182872A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張玉偉;宋戰(zhàn)平;王軍保;田小旭;范勝元;衛(wèi)守峰
• 申請（專利權(quán)）人: 西安建筑科技大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G01N15/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 楊曄

1.一種黃土浸水孔隙變化影響下的滲流特性的分析方法，其特征在于：具體包括以下步驟：

步驟一、引入孔隙參數(shù)，建立考慮黃土浸水孔隙變形的持水特性分析模型；

步驟二、選擇Brooks和Corey給出的土水特征曲線與滲透特性參數(shù)的關(guān)系式，推導(dǎo)不同孔隙條件下黃土的滲流參數(shù)公式，形成滲流分析模型；

步驟三、采用天然原狀土體，開展?jié)B透特性參數(shù)測試，對滲透特性參數(shù)公式參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；

步驟四、采用天然孔隙狀態(tài)的模型標(biāo)定參數(shù)，進(jìn)行不同孔隙條件下黃土的滲流參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種黃土浸水孔隙變化影響下的滲流特性的分析方法，其特征在于：所述步驟一的具體方法為：

1.1：現(xiàn)場取得黃土試樣，分別測定含水率w、密度ρ及土粒比重Gs，然后換算得到孔隙比：

其中：ρw是4℃時(shí)水的密度；

1.2：對多個(gè)黃土試樣分別進(jìn)行30％、50％、70％和90％飽和度的浸水，并采用第1.1步的方法分別測定其30％、50％、70％和90％飽和度狀態(tài)下的孔隙比，同時(shí)采用SEM手段觀測其微觀結(jié)構(gòu)，分析上述不同浸水狀態(tài)下黃土試樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，確定浸水孔隙變化條件下黃土試樣孔隙分布函數(shù)的變化規(guī)律：

其中：r為孔隙半徑，土中孔隙半徑全部位于最小半徑r_min和最大半徑r_max之間；

1.3：根據(jù)第1.2步中確定的不同浸水條件下黃土試樣孔隙分布函數(shù)的變化規(guī)律，確定黃土浸水不會改變孔隙分布函數(shù)的整體形狀，只改變孔隙分布函數(shù)的位置和大??；

1.4：定義黃土的孔隙體積函數(shù)，天然原狀黃土可認(rèn)為是由大小不同的孔隙及顆粒組成的多孔介質(zhì)，f(r)為多孔介質(zhì)的孔隙體積函數(shù)，根據(jù)Gabriele的定義有：

其中：F^e(R)為孔隙半徑小于R的孔隙對總孔隙比的貢獻(xiàn)，表達(dá)式為F^e(R)＝e·F(R)＝e_w(R)；e_w(R)為水分比，S_r(R)為飽和度；

1.5：確定飽和度與吸力函數(shù)關(guān)系，根據(jù)土體飽和度定義，可得飽和度與孔隙分布的關(guān)系：

其中：psd(r)為多孔介質(zhì)的孔隙密度函數(shù)，表達(dá)式為

根據(jù)Young-laplace方程，孔隙半徑與吸力之間的關(guān)系為

其中：T為孔隙水表面張力，α為孔隙水與顆粒之間的接觸角，則有

G(s)為經(jīng)典土水特征曲線模型；

1.6：根據(jù)第1.5步中選擇經(jīng)典模型Gardner模型

來推導(dǎo)天然狀態(tài)的孔隙體積分布函數(shù)，根據(jù)第1.4步中

進(jìn)一步根據(jù)第1.5步中式(5)，孔隙密度分布函數(shù)有

最終得到孔隙體積函數(shù)為：

把天然狀態(tài)作為初始狀態(tài)，則天然狀態(tài)的孔隙體積分布函數(shù)為：

1.7：根據(jù)第1.3步中浸水孔隙變化不改變孔隙分布函數(shù)的形狀，通過引入平移因子ξ1i和壓縮因子ξ2i，通過平均孔隙半徑建立孔隙指標(biāo)e與平移因子及壓縮因子的關(guān)系，即可描述任意浸水孔隙變形下的孔隙體積函數(shù)，平移因子ξ1i和壓縮因子ξ2i的表達(dá)式分別為：

1.8：推導(dǎo)壓縮因子ξ2i，結(jié)合1.6步中天然狀態(tài)孔隙體積函數(shù)表達(dá)式(12)，進(jìn)行求導(dǎo)：

令進(jìn)一步化簡則可以得到r₀，將r₀帶入孔隙體積分布函數(shù)可以得到同理可以得到任意狀態(tài)下的孔隙體積分布函數(shù)：由此可得壓縮因子

1.9：推導(dǎo)平移因子ξ_1i，結(jié)合孔隙體積分布函數(shù)則可以得到平均孔隙半徑的表達(dá)式為：

結(jié)合Young-Laplace方程，并帶入體積含水率可得到：

選擇模型參數(shù)較少的B-C模型來求解其關(guān)系式(以體積含水率和吸力來表示)為：

其中：θ_r為殘余體積含水率、θ_s為飽和體積含水率，換算可得:

可得:

式中：r_a為平均孔隙半徑指數(shù)，由平均孔隙半徑指數(shù)與孔隙率的關(guān)系，結(jié)合孔隙率與孔隙比的關(guān)系式就可以得到平均孔隙半徑與孔隙比的關(guān)系式：

n為孔隙率，進(jìn)一步可得任意狀態(tài)的評價(jià)孔隙半徑:

結(jié)合平移因子的公式可得:

簡化為:

1.10：推導(dǎo)任意不同浸水孔隙狀態(tài)的孔隙體積分布函數(shù)，根據(jù)初始參考狀態(tài)的孔隙體積分布函數(shù)f₀(r₀)，平移因子ξ_1i和壓縮因子ξ_2i就可以得到任意狀態(tài)的孔隙體積分布函數(shù)

1.11：得到比水容量曲線函數(shù)g(r)，根據(jù)孔隙體積分布函數(shù)與比水容量函數(shù)的關(guān)系

可得到任意浸水孔隙狀態(tài)的比水容量曲線

1.12：對比水容量曲線函數(shù)進(jìn)行積分，即可得到任意浸水狀態(tài)下的持水特性分析函數(shù)：

化簡整理得：

帶入平移因子表達(dá)式：

則有，

上式即為任意浸水孔隙狀態(tài)下持水特性分析模型。