[发明专利]一种变形条件下土-水特征曲线的分形预测方法

说明书

本发明公开一种基于分型理论的预测变形条件下土‑水特征曲线(SWCC)的计算方法。该方法以初始孔隙比e0的SWCC为参考状态，确定变形后的分维数D和进气值，从而预测变形后任一孔隙比e条件下的SWCC。本发明基于分型理论，通过孔隙孔径分布密度函数得到含水量与分维数的关系式，从而推导出分形模型。基于分形模型，本发明认为不同初始孔隙比的SWCC主要受进气值控制，分维数几乎不变。然后以分形理论为基础给出了基于SWCC试验数据的分维数计算方法，建立了不同初始孔隙比下进气值的预测方法。试验表明，此种方法预测的SWCC均与实测值吻合较好。本发明提供的分形预测方法，对于非饱和土水力‑力学耦合分析、变形条件下土体渗流特性研究等方面都具有极其重要的意义。

技术领域

本发明涉及到研究非饱和土水-力耦合以及变形条件下土体的渗流特性的技术领域，更加具体来说是一种变形条件下土-水特征曲线的分形预测方法。

背景技术

土广泛分布于自然界,自然界中绝大多数土体都处于非饱和状态。随着社会的发展和科学技术的进步,对于非饱和土的研究已经成为岩土力学学术界的研究重点。研究非饱和土就不可避免的会接触到土-水特征曲线,土-水特征曲线是非饱和土土力学理论研究的重要基础,土-水特征曲线在非饱和土的理论和力学性质的研究中占有举足轻重的地位。

获取土-水特征曲线有两种方法：实验法和预测法。实验法需要通过一套精准的实验方案，并且消耗大量的人力、物力以及时间才能得到若干个孤立的点，然后经过数据处理才能得到一条完整的土-水特征曲线。因此近年来许多国内外学者慢慢将研究方向转向预测法。预测法只需要依据土的自身性质以及孔隙分布函数等确定出预测模型。

在这一方面，张雪东(2011)以概率论为基础建立了描述变形对土-水特征曲线影响规律的经验模型；Zhou A N(2012)通过分析有效饱和度和孔隙比的关系建立了描述初始孔隙比对土-水特征曲线影响的方法；张昭(2013)引入“水土体积比”的概念建立了不同孔隙比条件下土-水特征曲线经验预测方法；陶高梁(2014)结合孔隙分布变化规律阐释了压缩变形条件下土-水特征曲线演化机理、并提出了简化表征方法。但是现有的方法都比较复杂，精确性一般。

现有的与土-水特征曲线相关的专利不是很多，但大致分为两种:

1、基于试验的直接测定法：如《砂性土土-水特征曲线测试装置及测试方法》、《多功能土-水特征曲线试验仪》、《非饱和粗颗粒土土-水特征曲线和渗透系数的试验装置》、《高精度土-水特征曲线自动测量系统》、《一种测量土-水特征曲线的双层压力板仪》、《获得土壤水分特征曲线Van Genchten模型参数的方法》、《粗颗粒土双进气值土-水特征曲线的测试装置》、《一种可测体变的土-水特征曲线测试装置》，这一类专利提出的方法只能测定某一孔隙比条件下的土-水特征曲线，无法达到预测其他孔隙比条件下的土-水特征曲线的目的。若要知道特定孔隙比条件下的土-水特征曲线，则必须通过试验方法，这样会耗费更多的时间和人力。

2、基于公式或模型的间接测定法：如：①、《一种基于多重分形的土壤水分特征曲线模拟方法》,该发明基于多重分形方法，充分考虑土壤结构对水分特征曲线模拟的影响，提高了土壤水分的模拟精度，但计算模型和计算过程较为复杂，不能预测任意孔隙比条件下的土-水特征曲线，且该发明属于农业技术领域。②、《对基于轴平移技术测试的非饱和土土-水特征曲线的修正方法》，该发明提供了一种提高轴平移技术在测试非饱和土土-水特征曲线方面准确性的方法，使其测试结果与真实结果更加接近，但是该方法达不到预测土-水特征曲线的目的。③、《一种基于亚甲蓝值的细集料土-水特征曲线预估方法》，该发明利用亚甲蓝值得到模型中的四个参数，从而快速测得土-水特征曲线。该发明只能预某一孔隙比条件下的土-水特征曲线，若要预估任意孔隙比条件下的土-水特征曲线则需再测一次细集料的亚甲蓝值。与本发明相比，其参数较多，且只适用于细集料。本发明提出的模型中只有两个参数，且只需通过一次压力板仪试验，即可预测任意孔隙比条件下的土-水特征曲线。

发明内容