[发明专利]基于分形理论的变形土体饱和、非饱和渗透系数预测方法

说明书

本发明公布了基于分形理论的变形土体饱和、非饱和渗透系数预测方法，以变形前土样的土‑水特征曲线为参考状态，利用土水特征曲线分形模型，拟合得到变形前的分维数D₀和进气值Ψ_a0，变形前后分维数不变，结合变形后的进气值预测模型得到变形后的进气值Ψ_a，通过饱和/非饱和相对渗透系数模型，结合变形后的分维数D₀和进气值Ψ_a，对变形土体饱和渗透系数、非饱和相对渗透系数预测，将饱和渗透系数、非饱和相对渗透系数相乘得到非饱和渗透系数。本发明克服了对渗透系数的预测以经验法为主，缺少理论支撑，计算繁琐的缺点，对饱和/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的优点。

技术领域

本发明涉及到岩土工程中饱和/非饱和土渗流分析及水力耦合研究的技术领域，更加具体来说是基于分形理论的变形土体饱和、非饱和渗透系数预测方法。

背景技术

研究表明：定量描述土体变形对饱和/非饱和渗透性系数的影响规律，是建立考虑水力、力学特性相互影响的土体本构模型，进行非饱和土流固耦合分析等研究的基础，因此建立变形条件下土体的饱和/非饱和渗透系数预测方法具有极其重要的意义。

对于变形条件下的饱和渗透系数，目前一般通过建立与孔隙比的经验关系进行预测，这种方法对相关机理研究不够深入，预测精度有待提高。

对于变形条件下的非饱和渗透系数，目前同样以经验法或半经验半理论预测为主，计算相当繁琐，缺乏理论支撑。非饱和渗透系数与饱和渗透系数的比值为非饱和相对渗透系数。

现有专利中(申请号：201410199064.9)是通过对初始孔隙比的土-水特征曲线，对SWCC方程中的参数进行标定，达到对任意孔隙状态对土-水特征曲线的预测，再次拟合出相应SWCC方程的两个参数，将其代入发明的关系式，完成对相应非饱和土的相对渗透系数的计算。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出基于分形理论的变形土体饱和、非饱和渗透系数预测方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来实施的：基于分形理论的变形土体饱和、非饱和渗透系数预测方法，它包括如下步骤；

①、结合土-水特征曲线分形模型和渗透系数模型，利用分形理论，推导出的饱和与非饱和相对渗透系数分形模型为：

其中：公式I表示饱和渗透系数模型，公式II表示非饱和相对渗透系数模型，式中k_c为综合渗透比例常数，对于同一土样，该值为常数，φ＝e/(1+e)，e为土体的孔隙比，D为分维数，Ψ_a为变形后的进气值，Ψ为基质吸力；

②、通过压力板试验测得变形前初始孔隙状态的土-水特征曲线；

③、根据土-水特征曲线分形模型，拟合得到变形前的分维数D以及进气值Ψ_a0，其土-水特征曲线分形模型表达式为：

其中：θ为体积含水量，e为孔隙比，Ψ_a为进气值，Ψ为基质吸力；

④、据步骤③中变形前的分维数D、进气值Ψ_a0，预测变形后的进气值Ψ_a，其公式为：

其中：Ψ_a0是相应于变形前初始孔隙比e₀的进气值，e₁为变形后的孔隙比，D为分维数，变形过程中为定值。

⑤、预测任意变形条件下的饱和/非饱和渗透系数；