一种非饱和土湿陷变形计算方法及系统

本技术涉及非饱和土湿陷变形研究，具体涉及非饱和土湿陷变形计算方法及系统。

背景技术：

1、受降雨和地下水活动等因素的影响，自然界中土壤通常被水部分饱和而处于非饱和状态。对于结构性较松散的土壤，如黄土，其在非饱和状态下的力学响应尤为复杂。当受到饱和度或基质吸力的变化时，黄土等土壤的体积、抗剪强度以及水力特性会发生显著的变化。在工程地质学中，这种由于饱和度增加导致的体积显著变形被定义为湿陷性变形，它是导致诸多地质工程问题的直接因素，包括边坡失稳、基础沉降和地下结构失效等。导致土体湿陷性变形的原因是多方面的，包括可溶性土壤成分的溶解、毛细水膜与粒间桥联作用的减弱、土体粒间接触胶结破裂以及由此引发的微观结构的重组与破坏。

2、具体而言，产生湿陷的机理是土体在浸水作用下，具有大孔隙结构的颗粒间接触胶结破裂，使得大孔隙结构破坏，土体孔隙度降低的一种现象。这些复杂的相互作用显著改变了土壤的宏观力学行为，从而增加了采用数学方法描述非饱和土力学行为的挑战性。而准确的描绘饱和度变化对土体结构性影响成为模拟非饱和土湿陷性变形的关键。

3、在土力学中，体积变化方程是描述土体在外部荷载作用下体积变化的数学模型，也是构建土体本构模型的基础。对于饱和土，一个常见的方程形式是正常固结土的比体积(υ)和平均有效应力的对数(lnp′)之间的线性关系：

4、υ＝n-λlnp′

5、式中，λ为压缩系数，n为lnp′＝0时比体积υ的值。当将饱和土的体积变化方程扩展到非饱和土时，土体的体积变化还受到基质吸力的显著影响。在此情况下，有效应力应包含净平均应力和基质吸力两个组成部分，即：

6、

7、其中，为净平均应力，ps为基质吸力的函数，或者是基质吸力和饱和度的函数。如果有效应力确实有效地控制了土壤体积，则v应在常数p'下保持不变，参数n和λ应该与基质吸力无关。然而，在大多数的模型中λ通常被假设为s的函数。土体压缩路径表明，当λ为s的函数时，正常压缩线斜率随着基质吸力的增加而减小，即λ(s)<λ(0)。

8、然而，现有实验数据并不完全支持这一理论，如gallipoli等的研究中，λ随s的增加而增大，burton等的研究中，不同基质吸力下的正常压缩线的渐近线与饱和条件下的正常压缩线近似平行。因此，继续将λ认为是s的函数是不合理的。本专利将获取一种新的计算非饱和土湿陷变形体积的方法，方法继续考虑将n和λ视为常数，并通过引入一个基质吸力和饱和度的函数来反映土壤结构随饱和度变化的敏感性。

技术实现思路

1、本技术提供一种非饱和土湿陷变形计算方法及系统，可以解决现有技术中存在的将压缩系数假设为基质吸力的函数来计算获取非饱和土湿陷变形不合理的技术问题。

2、第一方面，本技术提供了一种非饱和土湿陷变形的土体变形量计算方法，包括以下步骤：

3、获取用于量化饱和度变化对土壤结构敏感性影响的结构参数；

4、引入结构参数至非饱和土的体积变化方程，构建非饱和土湿陷变形计算模型；

5、基于构建的非饱和土湿陷变形计算模型，计算获取非饱和土湿陷变形的土体变形量。

6、结合第一方面，在一种实施方式中，所述获取用于量化饱和度变化对土壤结构敏感性影响的结构参数中的结构参数和饱和度之间的函数关系式，如下式所示：

7、δ＝exp(<αln(1-sr)+β>)

8、式中，δ为结构参数，sr为饱和度，α为第一材料参数，β为第二材料参数，均通过曲线拟合确定；<>为麦考利括号。

9、结合第一方面，在一种实施方式中，所述引入结构参数至非饱和土的体积变化方程，构建非饱和土湿陷变形计算模型，如下式所示：

10、lnυ＝n*-λ*lnp′+λ*lnδ

11、式中，υ为比体积，p′为平均有效应力，λ*为压缩曲线在lnv-lnp′平面内的斜率，n*为lnp′和lnδ均为0时曲线的截距；

12、将所述非饱和土湿陷变形计算模型改写为增量形式，如下式所示：

13、

14、结合第一方面，在一种实施方式中，所述引入结构参数至非饱和土的体积变化方程，构建非饱和土湿陷变形计算模型之后，还包括以下步骤：

15、依据试验结果提取理想化的非饱和土正常压缩线；

16、根据获取的理想化的非饱和土正常压缩线，验证非饱和土湿陷变形计算模型的压缩线斜率有效性。

17、结合第一方面，在一种实施方式中，所述引入结构参数至非饱和土的体积变化方程，构建非饱和土湿陷变形计算模型之后，还包括以下步骤：

18、基于构建的非饱和土湿陷变形计算模型，模拟多组各向同性压缩试验，获取不同参数变化的模型响应结果；

19、根据不同参数变化的模型响应结果，验证非饱和土湿陷变形计算模型的土壤湿陷性特征模拟能力。

20、结合第一方面，在一种实施方式中，所述多组各向同性压缩试验包括不同基质吸力水平下的土体压缩曲线、不同第一材料参数下的土体压缩曲线以及不同第二材料参数下的土体压缩曲线。

21、结合第一方面，在一种实施方式中，所述引入结构参数至非饱和土的体积变化方程，构建非饱和土湿陷变形计算模型之后，还包括以下步骤：

22、开展非饱和粉质粘土的各向同性压缩试验，获取第一压缩试验结果；

23、开展非饱和土的压缩-润湿-压缩试验，获取第二压缩试验结果；

24、根据第一压缩试验结果和第二压缩试验结果，验证非饱和土湿陷变形计算模型的计算准确性。

25、第二方面，本技术提供了一种非饱和土湿陷变形计算系统，包括：

26、结构参数获取模块，用于获取用于量化饱和度变化对土壤结构敏感性影响的结构参数；

27、模型构建模块，与所述结构参数获取模型通信连接，用于引入结构参数至非饱和土的体积变化方程，构建非饱和土湿陷变形计算模型；

28、土体变形量计算模块，与所述模型构建模块通信连接，用于基于构建的非饱和土湿陷变形计算模型，计算获取非饱和土湿陷变形的土体变形量。

29、结合第二方面，在一种实施方式中，还包括：

30、正常压缩线获取单元，用于获取理想化的非饱和土正常压缩线；

31、压缩线斜率验证单元，与所述正常压缩线获取单元通信连接，用于根据获取的理想化的非饱和土正常压缩线，验证非饱和土变形量计算模型的压缩线斜率有效性。

32、结合第二方面，在一种实施方式中，还包括：

33、参数响应结果获取单元，用于基于构建的非饱和土湿陷变形计算模型，模拟多组各向同性压缩试验，获取不同参数变化的模型响应结果；

34、湿陷特征模拟验证单元，与所述参数响应结果获取单元通信连接，用于根据不同参数变化的模型响应结果，验证非饱和土湿陷变形计算模型的土壤湿陷性特征模拟能力。

35、本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

36、本技术提供的非饱和土湿陷变形计算方法，通过引入一个与饱和度相关的结构参数来反映土壤结构随饱和度变化的敏感性，有效地模拟了受到含水量控制的非饱和土的湿致坍塌行为，为预测地基沉降、评估边坡稳定性和解决工程地质问题等方面提供帮助。