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SEEP/W中的材料模型

2023-05-17 17:54:58 100

SEEP/W中的材料类型

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  1. 空材料本构模型(用于在分析中不需要参与计算的区域材料渗流本构的设定)

  2. 饱和/非饱和渗流本构

    ● 渗透系数函数,各向异性比值和方向

    ● 含水量函数

  3. 饱和渗流本构

    ● 饱和渗透系数 (Ksat),各向异性比值和方向

    ● 饱和含水量

 

       饱和土渗流本构对定义总是处于水位线以下的土层区域的材料很有用,但是它不能用于定义在分析中几个点会变得部分饱和的土。如果是这样的话,模型会继续求解,将非饱和区域定义与饱和区域一样的渗透速率,这会导致流量被高估,并且导致不切实际的水位线。

       如果对于一个土层区域(与界面区域相对应的)渗流本构选择有疑虑的话,应该选择饱和/非饱和渗流本构。并且,如果用户打算做与CRTRAN/W的耦合分析,那么必须选用完全指定土性函数的方法进行计算。

       对于非饱和土,储存在孔隙中的水的体积在很大程度上依赖于孔隙水的负压(或者吸力),基质吸力定义为空气压力(Ua)和水压力(Uw)的差值,即Ua-Uw。

       在时间和空间上并不存在固定的含水率,因此需要一个函数来描述土中含水率随(土的孔隙水)不同压力的变化。

体积含水量函数表达了基质吸力变化时土的储水能力的变化情况,干燥土的典型含水量函数如图所示,这个函数是空气压力为0的条件下测定。

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土的体积含水(储水)量函数


       对于瞬态渗流分析的一个必需的输入参数就是体积含水量函数。有时这个函数难以取得,或者不能及时取得,那么可以利用拟合参数的闭合解定义该曲线,或者使用测得粒径曲线估算的方法会更有利于获取一个估算的体积含水量函数。

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       对于大多数非饱和土的渗流分析,体积压缩系数并非必须精确定义,除非预计在模型的饱和区中,因孔压改变造成大量的水产生或者失去。对于大多数的问题,用户可以简单的定义一个值,如 1.0e-5 1/kPa(或者其它单位制下与之相等的值)。如果是要进行一个耦合或者非耦合的固结/渗流分析,体积压缩系数值就应该慎重考虑。

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       土体中水的流动能力依赖于土体中现含有的水量,而土体中现含有的水量可以通过体积含水量函数来表征。实际中测量渗透系数函数是一个费时耗钱的过程,但是这个函数的确可以利用众多方法中的某一个方法来得到,比如土颗分曲线,实测体积含水量函数,饱和渗透系数等。SEEP/W建立一个预测方法可以用来估计渗透系数函数,这个方法的前提是需要知道体积含水量函数和饱和渗透系数Ksat。

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       如果一个渗流分析中含有一个非饱和带,那么所有材料的渗透系数函数必须给出,即使这个函数是估计出来的,所得到的结果也较忽略这个函数或者函数为一条平坦的水平线要更符合实际。在负孔隙压力较为极端的地方存在负的表面流量(比如蒸发)的非饱和渗流分析中,渗透系数函数的定义范围应该超过孔隙压力范围,超过负孔隙压力几百或者几千kPa(其它单位制下相等的值)。如果渗透系数函数的定义范围没有超过整个孔隙压力范围,那么最低的值应当应用于任何一个增加的负孔隙压力所对应的渗透系数。

       在非饱和土中,采用一个理想水平的渗透系数函数(比如一个常系数函数)会导致不符合实际的结果,得出的地下水面可能位于一个不合符实际的位置,通过非饱和区的均衡流量可能太高。导致这些现象的原因是在水力渗透函数为水平线的情况下,水流经非饱和区和流经饱和区一样容易。换而言之,当非饱和区与饱和区的土体的渗透系数相等时,给定一个不变的水头增量,在非饱和区与饱和区的体积流量是相等的。通常,非饱和区的水流动不会像饱和区流动那么容易,因为非饱和土的渗透系数较饱和土的要低。

       渗透系数需要给定的精度由分析目的决定。如果初步的目地是计算出孔隙水压力分布,那么一个近似的渗透系数函数就已经足够。反之,如果分析目的是得到可靠的时间预测,那么有必要根据试验测试结果来定义含水率(storage)和渗透系数。

       定义材料(渗透系数)函数的工作可以根据进行一些不同的假定函数的分析结果来估计。进行一些敏感性分析可以大大增加对计算结果的信心。

       总之,在一个分析中,每一种材料的渗透系数函数都必须给定,即使只是个近似的函数。

       对于非饱和区的材料,一个近似的、曲线形的渗透系数函数所得到的分析结果要比用一条水平直线形状的函数所得到的结果好得多。

 

       在SEEP/W中,mw这个术语是一个表征当孔隙水压力改变时,系统(含水层)的可压缩性的参数。在应用中,它是体积含水量函数在正的孔隙压力范围内的函数的斜率,它经常被提及为mv,压缩系数采用标准固结试验来获取。

 

       在一个稳态分析中并不需要体积含水量函数,但是当进行一个敏感性分析时,经常改变体积含水量函数是一个很好的习惯。然后通过从饱和渗透系数和刚赋值的体积含水量函数重新计算渗透系数,这样改变AEV值所带来的变化便在渗透系数函数中体现出来。

 

       在一个稳态分析中,流入系统的量相应于流出系统的流速。但是,在一个瞬态渗流分析中,流入系统水的可以和流出系统的水不相同,因为系统中含有或者释放了水。这就有必要考虑在某一个时间段、某一个剖面上系统储含水量的变化。系统含有或者保持的水量是孔隙水压力和土构造特性的函数,并且可用体积含水量函数来描述。一个瞬态的分析可用来估计改变体积含水量函数(mw)的斜率所造成的影响。在任何一个瞬态分析中,都有两个主要考虑的地方:水到底渗流得多快(是渗透系数的函数)以及有多少水发生渗流(是系统中含水变化和水量的函数)。因此有两个材料参数函数必须予以定义。含水量是在负孔隙水压力下土中孔隙所保持的水量,如果 VWC 函数的斜率是平的,则增加负孔隙水压力所导致的体积含水量增加较函数斜率陡的要少。

       模拟非饱和系统时,适当地定义体积含水量函数是获取具有代表性解答的关键。知道改变体积含水量函数的主要特征时,对结果产生什么样的影响;当不能够确信自己采用的材料性质函数时如何进行敏感性分析,这些都非常重要。进行敏感性分析有助于我们获得对分析结果的确信,同时也使我们进一步理解当改变材料性质时,模拟系统如何产生相应的响应。

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饱和/非饱和材料下的渗流

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饱和材料下的渗流

       简而言之,稳态分析类型时,我们可以不定义体积含水量函数,这并不影响系统渗流。但是对于瞬态渗流,则必须定义定义体积含水量函数。

       同时注意到材料的饱和和非饱和,对于选择饱和材料类型,则不需要定义体积含水量,如果是饱和/非饱和材料类型,那么体积含水量和渗透系数函数就需要完整定义。

       一个好的做法是,如果可以定义体积含水量函数时,可以定义,SEEP程序会自动判断是否应用。



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