[发明专利]一种黄土浸水孔隙变化条件下持水特性的预测方法

权利要求书

1.一种黄土浸水孔隙变化条件下持水特性的预测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、确定浸水孔隙变化条件下黄土孔隙分布函数的变化规律

1.1：现场取得黄土试样，分别测定含水率w、密度ρ及土粒比重Gs，然后换算得到孔隙比e：其中：ρw是4℃时水的密度；

1.2：对多个黄土试样分别进行30％、50％、70％和90％饱和度的浸水，并采用第一步的方法分别测定其30％、50％、70％和90％饱和度状态下的孔隙比，同时采用SEM手段观测其微观结构，分析上述不同浸水状态下黄土试样微观孔隙结构变化规律，确定浸水孔隙变化条件下黄土试样孔隙分布函数的变化规律：其中：r为孔隙半径，孔隙半径全部位于最小半径r_min和最大半径r_max之间；

1.3：根据步骤1.2中确定的黄土不同浸水程度的孔隙分布函数变化规律，确定黄土浸水不会改变孔隙分布函数的整体形状，只改变孔隙分布函数的位置和大小；

步骤二、推导未浸水天然状态黄土的孔隙体积分布函数

2.1：定义黄土的孔隙体积函数，天然原状黄土可认为是由大小不同的孔隙及颗粒组成的多孔介质，f(r)为多孔介质的孔隙体积函数，根据Gabriele的定义有：其中：F^e(R)为孔隙半径小于R的孔隙对总孔隙比的贡献，表达式为F^e(R)＝e·F(R)＝e_w(R)，e_w(R)为水分比，S_r(R)为饱和度；

2.2：确定饱和度与吸力函数关系，根据土体饱和度定义，可得饱和度与孔隙分布的关系：其中：psd(r)为多孔介质的孔隙密度函数，表达式为根据Young-laplace方程，孔隙半径与吸力之间的关系为其中T为孔隙水表面张力，α为孔隙水与颗粒之间的接触角，则有G(s)为经典土水特征曲线模型；

2.3：根据步骤2.2中选择经典模型Gardner模型来推导天然状态的孔隙体积分布函数，根据第一步中进一步根据步骤2.2中孔隙密度分布函数有最终得到孔隙体积函数为：把天然状态作为初始状态，则天然状态的孔隙体积分布函数为

步骤三、推导任意浸水孔隙状态下孔隙体积函数的表达式

3.1：根据步骤1.3中浸水孔隙变化不改变孔隙分布函数的形状，通过引入平移因子ξ_1i和压缩因子ξ_2i，通过平均孔隙半径建立孔隙指标e与平移因子及压缩因子的关系，即可描述任意浸水孔隙变形下的孔隙体积函数，平移因子ξ_1i和压缩因子ξ_2i的表达式分别为

3.2：推导压缩因子ξ_2i，，结合步骤2.3中天然状态孔隙体积函数表达式进行求导：令进一步化简则可以得到r₀，将r₀带入孔隙体积分布函数可以得到同理可以得到任意状态下的孔隙体积分布函数由此可得压缩因子

3.3：推导平移因子ξ_1i，，结合孔隙体积分布函数则可以得到平均孔隙半径的表达式为：结合Young-Laplace方程，并带入体积含水率可得到：选择模型参数较少的B-C模型来求解以体积含水率和吸力来表示，其关系式为：换算可得：可得：式中r_a为平均孔隙半径指数，由平均孔隙半径指数与孔隙率的关系，结合孔隙率与孔隙比的关系式就得到平均孔隙半径与孔隙比的关系式：为孔隙率，进一步可得任意状态的平均孔隙半径：结合平移因子的公式可得：简化为：

3.4：推导任意不同浸水孔隙状态的孔隙体积分布函数，根据初始参考状态的孔隙体积分布函数f₀(r₀)，平移因子ξ_1i和压缩因子ξ_2i，得到任意状态的孔隙体积分布函数

步骤四、引入孔隙参数建立持水特性分析模型

4.1：得到比水容量曲线函数g(r)，根据孔隙体积分布函数与比水容量函数的关系得到任意浸水孔隙状态的比水容量曲线

4.2：对比水容量曲线函数进行积分，即可得到任意浸水状态下的持水特性分析函数：

化简整理得，带入平移因子表达式则有，上式即为任意浸水孔隙状态下持水特性分析模型；

步骤五、开展天然黄土的土水特性测试，并采用试验数据对所建模型的参数进行标定

5.1：开展天然黄土的土水特性试验，得到体积含水率θ和吸力s的关系，试验数据表如下：

5.2：根据步骤4.2步所建模型的表达式结合有效饱和度的定义其中θ_r为残余体积含水率、θ_s为饱和体积含水率，对表达式进行转换：

可看出考虑孔隙比时的持水特性分析模型包含饱和体积含水率θ_s、残余体积含水率θ_r、为孔隙水与颗粒之间的接触角α、拟合参数β、孔隙比e₀、拟合参数b共6个参数需要标定，饱和体积含水率θ_s通过初始状态饱和土体的饱和度进行换算得到，残余体积含水率θ_r根据Mualem提出的确定非饱和残余状态体积含水率的方法确定，e₀为孔隙比，通过孔隙与平均孔隙半径的关系确定拟合参数b，对于不同孔隙比时的土体拟合参数b也有所不同，通过拟合分别得到孔隙比为0.8时拟合参数b为0.15，孔隙比为0.75时拟合参数b为0.2，孔隙比为0.7时拟合参数b为0.25，孔隙比为0.65时拟合参数b为0.3，孔隙比为0.6时拟合参数b为0.35；只剩下孔隙水与颗粒之间的接触角α和拟合参数β，通过步骤5.1中试验曲线进行拟合确定；

步骤六、在步骤5.2标定得到模型参数的条件下，可运用模型对任意浸水孔隙比时的持水特性进行预测。