一种基于含水率指标推算土-水特征曲线VanGenuchten模型参数的方法

文档序号:37682367发布日期:2024-04-18 20:55阅读:39来源:国知局
一种基于含水率指标推算土-水特征曲线Van Genuchten模型参数的方法

本发明涉及含水率和非饱和土持水特性关系研究的,具体涉及一种基于含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数的方法。


背景技术:

1、土-水特征曲线是研究非饱和土的关键内容,能够直接反映出孔隙情况和持水能力,也是分析非饱和土和边坡稳定性的重要本构关系,因此寻找到一种能够快速、便捷地获取土-水特征曲线方法迫在眉睫;不同的含水率指标可以反映土体内孔隙含水量的不同状态情况,土-水特征曲线可以反映土体孔隙内部水分分布的状况,二者之间必定存在一定的联系。

2、目前获得土-水特征曲线的方法主要是通过试验法结合模型拟合,试验法主要有压力板法、张力计法,电/热传导传感器法、滤纸法、盐溶液蒸汽平衡法和tdr基质吸力量测法等;van genuchten模型因其适用于绝大部分土体而被广泛应用,以往van genuchten模型参数大多也是通过对土-水特征曲线试验获得数据进行拟合得到的,但试验法代价较高、试验仪器昂贵、耗时较长、具有局限性,一般试验只能获取土体在某种特定状态下的土-水特征曲线;然而在对非饱和土进行研究时,随着环境的温度、湿度或者外力作用,土体所处条件往往会发生变化。


技术实现思路

1、本发明的目的就是针对上述技术的不足,提供快捷、有效且经济的一种基于含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数的方法。

2、为实现上述目的,本发明所设计的一种基于含水率指标推算土-水特征曲线vangenuchten模型参数的方法,包括如下步骤:

3、步骤s1:在n个不同干密度范围条件下,通过室内含水率试验,获得以下各n个含水率指标:n个饱和含水率ωs、n个毛管含水率ωm、n个田间含水率ωf;

4、步骤s2:在n个不同干密度范围条件下,利用蒸发试验,获取蒸发含水率ωz随蒸发时间t变化的n条蒸发曲线,进而得到n个残余含水率ωr指标;

5、步骤s3:土-水特征曲线模型的van genuchten模型为:

6、

7、式中:ω为含水率;为基质吸力(kpa);ωs为饱和含水率;ωr为残余含水率;α为近似对应于空气进气值的参数;m和n为曲线性状参数,m与模型的不对称性有关,m=1-1/n;

8、利用饱和含水率、毛管含水率、田间含水率和残余含水率推算土-水特征曲线vangenuchten模型参数m、n、α。n组含水率指标得到n组van genuchten模型参数。

9、根据权利要求1所述基于含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten参数的方法,其特征在于:所述步骤s1中,具体过程如下:

10、步骤s11:将所取的样品进行烘干后粉磨,统一过筛,先干拌后加水湿拌,静置24h待水分迁移均匀,制备不同初始干密度的n份样品,一份样品对应一个已知初始干密度;将装有样品的环刀放于盛水的容器内,水面较环刀上缘低1-2mm,制备三份同样的样品;

11、步骤s12:第一份吸水8h后取出环刀内样品,烘干并计算毛管含水率ωm,n份饱和试样得到n个毛管含水率ωm;

12、步骤s13:第二份吸水24h后取出环刀内样品,烘干并计算饱和含水率ωs,n份饱和试样得到n个饱和含水率ωs;

13、步骤s14:第三份吸水24h后取出环刀,将其与滤纸一起放在沙盘上,经过8h吸水后,从环刀内取出样品,采烘干并计算田间含水率ωf,n份饱和试样得到n个田间含水率ωf。

14、根据权利要求1所述基于含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数的方法,其特征在于:所述步骤s2中,具体过程如下:

15、步骤s21:将所取的样品进行烘干后粉磨,统一过筛,先干拌后加水湿拌,静置24h待水分迁移均匀;制备不同初始干密度的n份样品,一份样品对应一个已知初始干密度;将n份样品均置于封闭环境内吸水24h;

16、步骤s22:n份饱和样品在相同环境内进行蒸发试验,观测试验过程中蒸发温度和湿度,直至所有样品表面完全干燥并发生开裂,在24h后样品的质量不发生变化时蒸发试验结束,其中,蒸发试验的室内温度保持在20~25℃、湿度为2~5%;记录蒸发试验中每一份饱和样品实测数据,每一份饱和样品的实测数据都包括蒸发时间t和与之对应的蒸发含水率ωz,并绘制蒸发时间t与蒸发含水率ωz的蒸发曲线,n份饱和试样得到n条蒸发曲线;在蒸发过程中曲线呈现3个阶段,并有明显的分界点,分别为常速率阶段、降速阶段和残余阶段。将常速率阶段与降速阶段的分界时间定义成临降时间tj,此时的含水率为临降含水率ωj;将降速阶段与残余阶段的分界时间定义成临残时间tr,将此时的含水率为残余含水率ωr,n份饱和试样得到n个残余含水率。

17、根据权利要求1所述基于含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数的方法,其特征在于:所述步骤s3中,具体过程如下:

18、步骤s31:利用含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数m:

19、当时

20、 ωq=2-m(ωs-ωr)+ωr (2)

21、式中:ωq为进气吸力含水率;

22、因进气吸力含水率与毛管含水率在统计学意义上相等,即

23、ωq=ωm(3)

24、 ωm=2-m(ωs-ωr)+ωr (4)

25、将公式(4)进行变形,得到参数m的推算公式(5)

26、

27、步骤s32:利用含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数n:

28、因m=1-1/n,根据参数m的计算式(5)得到van genuchten模型中参数n的推算公式(6)

29、

30、步骤s33:利用含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数α:

31、swcc的第一个拐点对应的是进气值点,以含水率为因变量,基质吸力的对数值为自变量,令van genuchten二阶导数为零,得到曲线拐点基质吸力,即进气基质吸力如公式(7),将公式(7)代入公式(1)得van genuchten模型拐点对应含水率ωh,求一阶导得此时拐点含水率的曲线斜率k的表达式(9),由k的定义,可变式为公式(10),其中c为常数;

32、

33、

34、

35、

36、swcc幂函数表达,如公式(11)所示;

37、

38、式中:p和γ为方程参数。

39、swcc拐点基质吸力通常取值为范围为:9.81kpa—32.36kpa,代入公式(10),计算含水率差值。

40、

41、 δωf=p(9.81γ-32.36γ) (13)

42、将公式(11)与公式(12)、公式(13)联合得到γ,见公式(14)

43、

44、将公式(7)代入公式(11)得到α的推算公式(15)

45、

46、与目前现存技术相比,本发明具有以下优点:本发明基于含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数的方法是以饱和含水率、毛管含水率、田间含水率和残余含水率指标推算van genuchten模型参数,仅需测得含水率指标就可推算van genuchten模型参数,方法简单且精度较高,其中van genuchten经验模型在对土-水特征曲线的数据拟合上体现出较高的精度且拟合参数较少而被广泛应用;通过试验获得含水率指标,操作简单、周期短,而土-水特征曲线测量耗时过长,用含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数,可以降低试验难度,减少试验工作量,从而更高效地预测土-水特征曲线;结合毛管含水率和田间含水率这两个土壤学物理指标与饱和含水率、残余含水率这两个土木工程领域的指标,利用含水率指标推算土-水特征曲线van genuchten模型参数,可以更全面地分析土体的水分特性,更好地指导土木工程中的水文水资源工程、地质工程、环境工程等领域的实际应用;这种学科交融的方法有助于提高工程施工效率和质量,推动土壤学和土木工程学科的交叉融合和发展。

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