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专利号: 2018115211075
申请人: 湖北工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-10-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种预测非饱和相对渗透系数的方法,其特征在于:所述预测方法为:

1)通过试验测得在变形前初始孔隙比e0、不同基质吸力下土样的非饱和相对渗透系数kr实测数据,进而得到非饱和相对渗透系数kr与基质吸力Ψ的关系图;根据非饱和相对渗透系数分形模型Ⅱ,拟合得到变形前的指数λ0和变形前初始孔隙比e0的进气值Ψa0,土样变形前后分维数D不变,根据非饱和相对渗透系数分形模型Ⅱ中指数λ是与分维数D线性相关的系数,则变形后的指数λ=变形前的指数λ0;

其中,分形模型Ⅱ为 Kr(Ψ)为非饱和相对渗透系数,指数λ是与分维数D线性相关的系数,Ψa为变形后的进气值,Ψ为基质吸力;

2)由步骤1)变形前初始孔隙比e0的Kr‑Ψ关系图中得出,在小于进气值Ψ的低吸力阶段,Kr‑Ψ曲线为一重合的水平线,在大于进气值的高吸力阶段,Kr‑Ψ曲线为一组平行的直线;通过进气值预测公式Ⅲ计算得到变形后进气值Ψa,结合步骤1)中变形后的指数λ=变形前的指数λ0,在Kr‑Ψ关系图中,对于小于进气值Ψ的低吸力阶段,Kr‑Ψ曲线为一重合的水平线;对于大于进气值Ψ的高吸力阶段,对原有的Kr‑Ψ直线朝右方向作平行直线,以此来预测任意变形条件下的非饱和相对渗透系数kr;

其中,进气值预测公式Ⅲ为 Ψa0为步骤1)中变形前初始孔隙比e0的进气值,e1为变形后的孔隙比,D为分维数,且D在变形过程中为定值;

所述步骤1)中,根据已有的三种渗透系数模型和SWCC分形模型推导非饱和相对渗透系数分形模型 具体推导过程为:三种渗透系数模型和SWCC分形模型为:

Tao&Kong模型非饱和相对渗透系数

其中,公式(1)中,ψ为基质吸力、θr表示残余体积含水率、θs表示饱和体积含水率、θ表示体积含水率;

Mualem模型非饱和相对渗透系数

其中,公式(2)中,ψ为基质吸力、θr表示残余体积含水率、θs表示饱和体积含水率、θ表示体积含水率、Se为有效饱和度;

Burdine模型非饱和相对渗透系数

其中,公式(3)中,ψ为基质吸力、θr表示残余体积含水率、θs表示饱和体积含水率、θ表示体积含水率、Se为有效饱和度;

SWCC分形模型表达式用体积含水量表示如下:

公式(4)中,θ为体积含水率,θs为饱和体积含水率,ψa0为变形前初始孔隙比e0的进气值,ψ为基质吸力,D为分维数;

采用SWCC分形模型表达式公式(4)中ψ≥ψa0的式子两边同时求导可得采用公式(5)对公式(1)、公式(2)及公式(3)分别推导得到公式(6)、公式(7)及公式(8):将Tao&Kong模型、Mualem模型及Burdine模型的非饱和相对渗透系数的分形公式(6)、公式(7)及公式(8)统一为分形模型Ⅱ分形模型Ⅱ中指数λ是与分维数D线性相关的系数,在Tao&Kong模型中λ=5‑D、在Mualem模型中λ=9.5‑2.5D、在Burdine模型中λ=11‑3D;Kr(Ψ)为非饱和相对渗透系数,Ψa为变形后的进气值,Ψ为基质吸力;

所述步骤2)中进气值预测公式Ⅲ的推导过程具体如下:

利用已提出的SWCC分形模型表达式用质量含水量表示如下:

公式(9)中:w表示质量含水量,e为孔隙比,Gs表示土粒相对密度,Ψ表示基质吸力,Ψa表示进气值,D为分维数;

在将变形前的土‑水特征曲线转换为质量含水量的形式下,高吸力阶段Ψ≥Ψa变形后的土‑水特征曲线几乎与变形前重合,当变形后孔隙比变为e1时,于是作水平线w=e1/Gs,与变形前初始孔隙比e0时的土‑水特征曲线的交点横坐标便可近似认为是变形后孔隙比e1时的进气值Ψa1,在公式(9)的基础之上计算得到公式Ⅲ。

2.根据权利要求1所述预测非饱和相对渗透系数的方法,其特征在于:所述步骤1)中通过试验测得在变形前初始孔隙比e0、不同基质吸力下土样的非饱和相对渗透系数kr实测数据具体过程为:通过变水头法测得在变形前初始孔隙比e0、不同基质吸力下土样的饱和渗透系数ks实测数据,利用瞬态剖面法或稳态试验法测得在变形前初始孔隙比e0、不同基质吸力下土样的非饱和渗透系数k实测数据,通过公式Ⅰ计算得到在变形前初始孔隙比e0、不同基质吸力下土样的非饱和相对渗透系数kr实测数据;

kr=k/ksⅠ。