利用Van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线

利用Van Genuchten模型对用砂性漏斗测量中砂的吸湿过程和脱湿过程土壤水分特征曲线进行拟合,结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好,并得出Van Genuchten模型中的残余含水量、特性参数α和n,模拟计算表明,中砂有αw=1.69αd的关系,为研究水分和污染物在非饱和土壤中运移问题提供土壤水分运动键参数.     

用遗传算法优化估计Van Genuchten方程参数

描述土壤水分特征曲线的Van Genuchten方程是一个非线性复杂方程,采用传统的方法对方程参数进行估计往往因为计算复杂和人为因素的影响,而使估计结果带有较大的误差。遗传算法是当前处理一般非线性数学模型优化的一种新的优秀方法。为此,采用实数编码多子种群遗传算法对方程的参数进行优化估计。算例结果表明用遗传算法优化估计Van Genuchten方程参数具有求解速度快、计算精度和自动化程度高、人为干扰因素小、通用性强等优点。因此,遗传算法可作为计算Van Genuchten方程参数的一种新方法。     

校正系数对不同形式的Van Genuchten方程各拟合参数的影响

Van Genuchten模型应用十分广泛,但是参数m的不同形式以及是否加入校正系数会对Van Genuchten模型的拟合参数造成极大的影响。基于此,考虑m 3种取值(m不受限制、m=1–1/n、m=1–2/n)以及Van Genuchten模型中是否含有校正系数C_ψ,采用Matlab拟合67组砂土土-水特征曲线数据,分别研究残余基质吸力ψ_r、C_ψ对3个拟合参数a、m、n的影响。结果表明:m不受限制时,随着ψ_r增大,参数a、n减小,参数m增大;m受到限制时,随着ψ_r增大,参数a减小,参数n增大;m不受限制时,加入校正系数增大了拟合参数a、n的离散程度,但是减小了m的离散程度;m受到限制时,加入校正系数增大了拟合参数a的离散程度,但是减小了n的离散程度;几乎所有工况下的参数a都与无任何限制条件下的参数a呈线性关系;对于参数n,几乎不存在这类线性关系。     

修正Van Genuchten模型拟合干旱、半干旱地区遗址土颗分曲线的可靠性研究

不均匀系数、曲率系数在土力学中的应用很广,但对精确求解d_(10)、d_(30)、d_(60) 3个参数的方法研究较少。提出了一种修正Van Genuchten(MVG)方程描述颗分曲线。以Matlab编程语言中的cftool为拟合工具,以青海黄土、青海遗址土、甘肃遗址土和新疆遗址土等33组土为研究对象,对比拟合方程描述遗址土颗分曲线的效果,分析MVG模型中3个参数a、m、n对曲线的影响。结果表明:MVG模型在拟合33组土的颗分曲线时均具有较好的效果,相关系数2R(29)0.98;参数a导致曲线偏移并可以推测土粒中的最大粒径,参数m影响土中的各颗粒组分的比例,参数n影响曲线的斜率。提出的MVG方程能够精确地求解d_(10)、d_(30)、d_(60) 3个参数。     

干密度对路基性能的影响研究

通过滤纸法试验,测得3种干密度下的土-水特征曲线,拟合得到3种干密度下的Van Genuchten模型参数,分析干密度对土-水特征曲线及Van Genuchten模型参数的影响。通过室内回弹模量试验,分析压实度和含水率对回弹模量的影响,并建立回弹模量与压实度和含水率之间的关系式。基于水力耦合机制,结合试验结果建立地下水位变化作用下的路基湿度及变形的动态响应模型,计算地下水位从-6 m上升到-3 m后,路基的含水率和回弹模量分布以及路基的变形。计算结果表明,干密度对土-水特征曲线Van Genuchten模型参数产生显著影响,饱和体积含水率随着干密度的增大线性减小,残余体积含水率随着干密度的增大线性增大,参数a与进气值的倒数线性相关,参数n随干密度的增大线性增大;回弹模量随着含水率的增大而减小,随着干密度的增大而增大;地下水位上升导致路基土的含水率显著增加,回弹模量明显下降,引起不可忽视的路基变形;不同填筑压实度下,地下水位变化引起的路基变形差异很明显,控制路基土的压实度是提高路基土性能的有效途径。     

非饱和土土水特征曲线的拟合研究

在非饱和土土水特征曲线的表达式中,以Van Genuchten(1980)模型较为普遍使用。为了保证模型拟合的高精度性,介绍了应用Origin软件对脱湿与吸湿过程试验数据进行快速处理并绘制相应拟合曲线的详细步骤。并通过对不同类型非饱和土拟合曲线的比对分析,验证应用Origin软件的适用性。拟合相关系数平方均达到0.98以上,故应用Origin软件拟合曲线的精度较高,适用于土水特征曲线的研究。     

三峡库区黄土坡滑坡非饱和水力参数研究

非饱和水力参数在计算滑坡降雨入渗过程与稳定性时是至关重要的材料参数。在三峡库区黄土坡滑坡上进行双环渗透试验,获取黄土坡滑坡表土层的饱和渗透系数。对黄土坡滑坡表土层的含水率和基质吸力进行实时监测,采集了黄土坡滑坡表土层中含水率和基质吸力随时间的变化数据,采用van Genuchten土-水特征曲线模型拟合了4个实时监测剖面的土-水特征曲线及其拟合参数。将饱和渗透系数与土-水特征曲线拟合参数代入van Genuchten渗透系数函数模型,求出了黄土坡滑坡表土层在非饱和条件下的渗透系数函数,为黄土坡滑坡在降雨作用下的稳定性计算提供了可靠的水力参数     

参数m的形式和最大基质吸力点对Van Genuchten方程各参数的影响

Van Genuchten模型经常用于拟合土-水特征曲线,但拟合参数m、n之间的不同关系以及是否加入最大基质吸力点(10~6 kPa,0)会对Van Genuchten模型的拟合参数造成极大的不确定性。为此,考虑m 3种取值(m不受限制、m=1-1/n、m=1-2/n)以及数据中是否含有最大基质吸力点(10~6 kPa,0),探讨各工况3个拟合参数a、m、n之间的关系,同时选用各工况的拟合参数,求解基质吸力为10~6 kPa时的饱和度,分析各工况下该点处饱和度的相互联系。结果表明:当m受到限制时,加入最大基质吸力点减小了各拟合参数的离散程度和区间范围;而m未受限制时,加入最大基质吸力点减小了a的离散程度和区间范围,但增大了m、n的离散程度和区间范围。在各约束条件下拟合参数a与未受约束时的a呈线性关系;而对于n则不存在这类关系;对于在不同工况下最大基质吸力点处的饱和度,其值与m未受约束时最大基质吸力点处的饱和度呈线性关系。     

一种预测砂土土-水特征曲线的简化方法

土-水特征曲线是非饱和土力学中最基本的参数之一,可用于预测非饱和土的各种性质。但是,测量土-水特征曲线耗时费事。为了解决这一问题,提出使用一点测量法和土的颗分参数相结合的方法预测Van Genuchten模型的3个参数。通过Van Genuchten模型的3个参数与43组(编号1～43)砂土的基本物理参数进行相关性分析,得出计算这3个参数的方程,进而通过一点测量法确定这3个参数的具体取值。结果表明：参数a_V与组合参数(P_{1 000}/P₅₀₀)呈指数函数关系,参数m_V与1/n_V呈指数函数关系。敏感性分析揭示了SWCC一点测量法选取的测量点的基质吸力应在1～10 kPa之间。采用4组(编号44～47)砂土数据验证了提出的预测砂土土-水特征曲线的方法。结果显示,其R~2=0.959,表明所提出的方法能够很好地预测SWCC。     

基于Matlab方法确定VG模型参数

根据中国科学院栾城试验站大田土壤剖面所采土样实测土壤负压h和土壤含水率θ实验数据,采用van Genuchten模型来描述土壤水分特征曲线(h-θ曲线),VG模型中的参数利用Matlab非线性拟合函数来确定,通过对四参数模型和三参数模型的比较表明,四参数模型拟合的参数与三参数模型中的参数非常接近,但四参数模型能够更好地拟合实测数据,误差比三参数模型相对较小。且计算值与实测值的残差平方和范数小于0.07%,拟合较好。     

甘肃永靖黑方台地区黄土滑坡土的力学性质

与地下水位以下的饱和黄土力学性质相比,包气带黄土力学性质具有不同的表征参数和测试方法,其对黄土斜坡渗流场和稳定性的影响不容忽视.以甘肃黑方台地区黄土为例,分别采用张力计和轴平移技术量测了黄土的部分区段土-水特征曲线,依据Gardner、Van Genuchten和Fredlund and Xing 3种经验公式对轴平移测试数据进行拟合,获取了完整的土-水特征曲线.基于GDS多功能三轴仪,通过控制基质吸力的三轴剪切试验,获取了考虑基质吸力的黄土强度参数.结果显示:张力计和轴平移技术量测的部分区段土-水特征曲线具有相近的曲线形态,但张力计曲线位于轴平移技术曲线的上方;当基质吸力由100kPa减小至20kPa时,黄土内摩擦角减小约1°,粘聚力下降近22kPa;拟合所得的黑方台地区黄土的基质吸力摩擦角为15.6°.试验为进行黑方台黄土斜坡的非饱和渗流和稳定性分析提供了参数.     

砂性漏斗法测定土壤水分特征曲线

土壤水分运动参数是模拟水分和污染物在非饱和土壤中运移的关键参数.本文根据张力仪原理设计的砂性漏斗实验装置测定了中砂的土壤水分特征曲线,曲线呈很好的滞后性,实验结果采用Van公式进行拟合,结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好,所得出的土壤水分运动参数可为模拟水分和污染物在非饱和土壤中运移问题提供关键参数.     

基于Fredlund粒度分布曲线方程的中国黄土粒度分析

粒度分布曲线是土壤最基本的土性参数之一,通过数学方程预测粒度分布曲线将为工程勘察节省大量成本。Fred? lund建立在Fredlund和Xing土水特征曲线方程基础上的粒度分布曲线方程已被证明适用于多种土类,但其对中国黄土的有 效性很少得到验证。本文采用Fredlund粒度分布曲线方程对黄土高原7个地区18个黄土样的粒度分布曲线进行了拟合,结 果表明Fredlund粒度分布曲线方程与中国黄土的粒度分布曲线拟合度高,拟合参数稳定且呈规律性变化,能够很好地反映 中国黄土的地域性。本文得到的参数可用于各个地区的粒度分布曲线预测,并对黄土粒径分析及分类具有指导意义。     

重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究

采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪,详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和重塑黏土土-水特征曲线的影响。并采用Van Genuchten模型、Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型,通过最小二乘法对所测土-水特征曲线进行拟合。结果表明,这3种模型均可对土-水特征曲线进行较好的拟合。通过对这个5种不同影响因素的分析,发现不仅试样本身物理状态而且试样外部应力状态都对土-水特征曲线有重要的影响,即击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高,则试样的进气值越高,水越难从试样中排出。在较高的基质吸力范围内,各种因素对土-水特征曲线的影响作用有减小的趋势。通过Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型的残余含水率对比分析可知,残余含水率对模型的参数值影响不大,即假定残余含水率 为0是合理的。     

不同影响因素下非饱和红土土-水特征曲线的试验研究

以江西典型的红土为研究对象,利用GEO-Experts压力板仪进行不同影响因素下红土的土-水特征曲线试验研究。研究内容包括不同粒径、不同干密度、不同含水率、不同预固结压力、脱湿和吸湿循环以及反复脱湿和吸湿循环对土-水特征曲线的影响;通过三种常用的SWCC模型(Brooks和Corey模型、van Genuchten模型及Fredlund和Xing模型)对试验数据进行拟合和分析,找出适合江西典型红土的土-水特征曲线方程,并提出了模型中参数的取值范围;本文还提出了土-水特征曲线的双曲线模型,该模型对计算残余含水率非常方便,参数变化范围小,容易选取。     

非饱和土土-水特征曲线的温度效应

基于热力学的理论,利用van Genuchten的土-水特征曲线表达式,建立了一种能考虑温度影响的土-水特征曲线方程,并给出了推导过程。该表达式综合考虑了温度对表面张力和浸润系数的影响。相对于根据试验数据拟合的表达式,该表达式具有更加坚实的理论基础,更具适用性和一般性。选用MX-80斑脱土和黄土土样的试验结果,将该方程预测结果和试验结果进行了比较;可以看到,所提出的方程能较好地反映非饱和土土-水特征曲线随温度而变化的情况。     

土壤水分特征曲线在天然气水合物开采数值模拟中的应用探讨

在使用TOUGH+HYDRATE程序进行水合物开采数值模拟时常用van Genuchten模型计算毛管力,而毛管力大小直接影响水合物开采过程中的产气和产水,因此在数值模拟过程中正确选用模型参数尤为必要。我国某海域天然气水合物储层为未胶结泥质粉砂储层,常规的毛管力测定方法如压汞法、离心法等对该类岩心并不适用,如何测定该类岩心的毛管力并将其应用于van Genuchten模型参数选取具有重要意义。本文探讨了如何应用土壤水分特征曲线测定实验间接获取该类岩心的毛管力数据,为验证该方法的可行性,本文对参考文献[7]中公开的粉砂土壤水分特征曲线测定实验数据进行换算和拟合后得到T+H程序所需的van Genuchten模型参数,结果可为泥质粉砂储层水合物产能研究工作提供参考。     

基于混合遗传算法估计van Genuchten方程参数

van Genuchten(VG)方程是最常用的土壤水分特征曲线方程,其参数取值的精度直接影响到土壤水分运动方程计算的精度.该文建立了VG方程参数的优化模型,构建遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法对其进行求解,并进行了数值试验.结果表明采用混合遗传算法比普通遗传算法不但提高了收敛效率,而且收敛迭代次数也大大减少;采用混合遗传算法估计参数的精度比非线性单纯形法和阻尼最小二乘法要高一些,而且不需要给参数初值.因此,混合遗传算法可以作为估计VG方程参数的一种新方法.     

MK模型的拟合方程和预测方程在土-水特征曲线中的应用及参数敏感性分析

土-水特征曲线可以预测非饱和土的各种性质（如：非饱和渗透系数、剪应力和热学性能等）。但测量土-水特征曲线耗时久且花费昂贵。为了解决这一问题,目前,很多研究都致力于从基本的岩土工程性质预测土-水特征曲线。基于此,以MK（Modified Kovács）模型的2种形式（拟合方程和预测方程）为土-水特征曲线模型,以Matlab编程语言中的cftool为拟合工具,以西宁黄土、粉砂土、红黏土和冰碛土4种细粒土为研究对象,对比拟合方程和预测方程描述细粒土土-水特征曲线的效果和差异,分析MK模型中黏附饱和度 1解 的变化规律,提出了基于MK模型的饱和度进行参数敏感性分析的计算公式。结果表明：拟合曲线和预测曲线在描述4类典型细粒土土-水特征曲线时均具有较好的效果,但拟合曲线整体上优于预测曲线;土壤质地和黏粒含量影响 值;饱和度对拟合参数 的敏感性较大,对拟合参数 的敏感性较小。     

冷镜露点技术在非饱和成都黏土吸力测试中的应用

冷镜露点技术是一种快速测试非饱和土吸力的间接方法。本文简要介绍了冷镜露点仪的工作原理和试验方法,利用Decagon公司生产的WP4C冷镜露点仪测试非饱和成都黏土压实土样的总吸力,以Van Genuchten模型为基础,结合Origin软件对试验结果进行了曲线拟合,得到成都黏土的SWCC曲线,并给出拟合参数参考值。借助CT-3031型电导率仪测得土样的渗透吸力,由基质吸力等于总吸力减去渗透吸力,间接得到土样的基质吸力-含水率关系曲线。对比滤纸法测试相同土样得到的SWCC曲线,得出相同含水率时冷镜露点技术测得的吸力值低于滤纸法测得的值,和国外文献的相关结论一致,验证了冷镜露点技术测试吸力具有快捷、方便、准确等特点。指出冷镜露点技术在非饱和成都黏土吸力测试应用中是可行的,同时可推广到国内岩土工程相关领域的吸力测试中。