[发明专利]一种基于VG模型预测非饱和土相对渗透系数的方法

说明书

本发明公开了一种本发明基于VG模型预测非饱和土相对渗透系数的方法是以土样的土水特征曲线为参考状态，结合土水特征曲线分形模型、TK相对渗透系数模型与VG模型，利用分形理论，推导出一种非饱和相对渗透系数模型，然后用VG模型拟合土水特征曲线，求得进气值，进而预测土样的非饱和相对渗透系数，本预测方法克服了对渗透系数的预测以经验法为主、缺少理论支撑、模型较复杂、计算繁琐的缺点，对于非饱和土的渗流理论、流固耦合研究及工程应用具有极其重要的价值。

技术领域

本发明属于土木、岩土工程中非饱和土相对渗透系数研究技术领域，具体涉及一种基于VG模型预测非饱和土相对渗透系数的方法。

背景技术

非饱和土的复杂性和多变性决定了其渗透特性明显不同于饱和土，无法根据土壤的基本性质从理论上分析得出，试验难度也较大。对于土体的非饱和相对渗透系数是研究饱和/非饱和土渗流的关键参数，与饱和土相比，对非饱和土渗透系数的实验测定要困难得多，尤其是在低饱和度情况下，土中的水极难排出，因此通过实验室试验直接测试非饱和土渗透系数将耗费大量时间。

而确定非饱和土的渗透系数很重要，因为非饱和土的渗透系数不仅在分析降雨对土坡稳定性影响时需要，而且在其他重要工程中，如地下水对垃圾填埋场和核废料填埋场的影响、地下污水的迁移、防洪堤渗漏等工程中都需要准确确定非饱和土的渗透系数。在实际工程(包括以上提到的工程)中所遇到的土体，不仅是处于非饱和或接近非饱和状态，而且还处于不同的应力状态下，因此，确定非饱和渗透系数是工程实践的需要，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种既准确又简便的基于VG模型预测非饱和土相对渗透系数的方法。

为实现上述目的，本发明所设计的基于VG模型预测非饱和土相对渗透系数的方法，包括如下步骤：

1)结合TK相对渗透系数模型、土水特征曲线分形模型及VG模型提出一种预测非饱和土相对渗透系数模型，预测非饱和土相对渗透系数模型为：

k_r(ψ)为预测非饱和土相对渗透系数，a、m、n均为VG模型拟合参数，ψ_a为进气值，ψ为基质吸力；其中，VG模型拟合参数a的单位为kPa^-1、其值为进气值ψ_a的倒数，VG模型拟合参数n与土的孔隙分布有关，VG模型拟合参数m与土体特征曲线的整体对称性有关；

2)基于压力板试验测得土水特征曲线实测数据，得到测量基质吸力ψ₁和测量饱和度S_r1；

3)根据步骤2)中测量基质吸力ψ₁和测量饱和度S_r1代入VG模型中拟合出土水特征曲线，得出测量拟合参数a₀、m₀、n₀，根据拟合参数a与进气值ψ_a的关系，计算测量进气值ψ_a0；

4)将设定的基质吸力ψ₀、计算出测量进气值Ψ_a0和步骤3)中测量拟合参数a₀,m₀,n₀代入公式Ⅳ中计算出非饱和土相对渗透系数，即为非饱和土相对渗透系数的预测值，其中ψ₀0。

进一步地，所述步骤1)中，结合TK相对渗透系数模型、土水特征曲线分形模型及VG模型提出的预测非饱和土相对渗透系数模型具体过程如下：

1a)TK相对渗透系数模型为

其中k_r(θ)为相对渗透系数、θ为体积含水率、ψ为基质吸力、θ_r为残余体积含水率、θ_s为饱和体积含水率；