一种土水特征曲线获取方法、系统、设备及存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种土水特征曲线获取方法、系统、设备及存储介质，建立累积百分数与颗粒粒径R的函数关系F(R)；确定任意颗粒粒径Ri所属的组分[Ri

【技术实现步骤摘要】
一种土水特征曲线获取方法、系统、设备及存储介质


[0001]本专利技术属于土水特征研究领域，涉及一种土水特征曲线获取方法、系统、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]在水文学中，土水特征曲线(SWCC)是定义非饱和土中土壤吸力和含水率之间关系最基本的概念之一，也是描述非饱和土水、温度和溶质运移建模的基本工具。通过室内试验获得完整的SWCC通常是非常耗时耗力的，因此从基本的非饱和土性质中建立SWCC数学模型是目前最可行的方案。现有的数学模型一般通过两种方式得到：经验模型(Van Genuchten和Fredlund&Xing模型)和理论模型(Chen、Mohammadi&Meskini
‑
Vishkaee模型)。经验模型往往是通过拟合许多离散的试验数据，形成一个连续的函数得到。这类模型通过许多拟合参数，往往可以很好的拟合试验数据。然而这些经验模型依赖于模型校准和试验数据的准确性，而且诸多拟合参数在物理上是没有意义的。因此许多学者提出了基于土壤物质属性，如矿物含量、类型，土壤的密度和孔隙形状大小的预测土水特征曲线。与经验模型相比，该类模型能普遍反映土壤性质对SWCC的影响，且不依赖大量的试验时间和数据。其中，一种考虑颗粒级配(GSD)对土水特征曲线预测的模型Arya and Paris模型，以下简称AP模型，已被广泛运用。AP模型是基于颗粒级配和孔隙条件对不同土样的土水特征曲线进行预测的概念和数学模型。虽然AP模型已经被许多学者所采用，但是在使用的过程中发现了许多问题，比如利用AP模型预测土体的基质吸力的大小与土样的质量密切相关，土样的质量越大，预测值则越大；AP模型的结果与颗粒级配粒组的划分密切相关，目前没有确定一个合理且统一的划分方式；AP模型没有实现土水特征曲线的连续化处理；从而会对得到土水特征曲线产生结果偏差，并且土水特征曲线精度较差。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种土水特征曲线获取方法、系统、设备及存储介质，消除了随机粒组的划分进而引起的计算结果的差异，可以预测不同土体、不同颗粒级配、及不同压实度的连续性的土水特征曲线。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0005]一种土水特征曲线获取方法，包括以下过程：
[0006]S1、建立累积百分数与颗粒粒径R的函数关系F(R)；
[0007]S2、确定任意颗粒粒径Ri所属的组分[Ri
‑△
R，Ri+
△
R]；
[0008]S3、根据S1和S2的结果，计算每个组分对应的土粒数量n
i
；
[0009]S4、根据土粒数量n
i
，计算任意颗粒粒径Ri对应的任意孔隙半径ri；
[0010]S5、计算任意孔隙半径ri小于或等于某一孔隙半径r的累积百分数；
[0011]S6、根据任意孔隙半径ri计算土体的基质吸力；
[0012]S7、根据累积百分数计算任意孔隙半径ri对应的土体的体积含水率θ
vi
；
[0013]S8、根据基质吸力和体积含水率θ
vi
，建立基质吸力与饱和度之间的关系，得到土水特征曲线。
[0014]优选的，取20
‑
30个离散化的
△
R与对应的任意颗粒粒径Ri的比值，
△
R/Ri与任意颗粒粒径Ri的关系，通过非线性拟合，得到Ri
‑△
R/Ri的非线性方程，通过Ri
‑△
R/Ri的非线性方程，计算每个平均粒径R对应的
△
R，得到任意颗粒粒径Ri所属的组分[Ri
‑△
R，Ri+
△
R]。
[0015]优选的，土粒数量n
i
的计算公式为：
[0016][0017]其中，ρ
s
为颗粒密度；m
i
为i组分土体的质量，m
i
＝
s
·
ω
i
，m
s
为土体的质量，m
s
＝1g，ω
i
为组分i的质量百分数。
[0018]优选的，任意孔隙半径ri的计算公式为：
[0019][0020]其中，e为孔隙比；ρ
s
为颗粒密度；m
s
为土体的质量，m
s
＝1g；α为土体颗粒的形状系数，α＞1。
[0021]优选的，利用Young
‑
Laplace方程计算基质吸力
[0022][0023]其中，σ为水的表面张力，取72.0mN/m；为接触角，因为是土体中是纯水，所以r为孔隙半径。
[0024]优选的，假设孔隙半径小于或等于ri的组分孔隙中充满了水，则孔隙半径小于或等于ri的土体的体积含水率θ
vi
可表示为：
[0025][0026]其中，e为孔隙比；ω
i
为组分i的质量百分数。
[0027]优选的，根据基质吸力和体积含水率θ
vi
，建立颗粒半径Ri与对应的基质吸力Ψ
i
之间的关系R
i
(Ψ
i
)，并与土体的饱和度方程建立联系可得：
[0028][0029]其中，S为土体饱和度；θ
res
为土体的残余含水率；θ
sat
为土体的饱和含水率；e为孔隙比。
[0030]一种土水特征曲线获取系统，包括：
[0031]函数关系建立模块、用于建立累积百分数与颗粒粒径R的函数关系F(R)；
[0032]组分确定模块、用于确定任意颗粒粒径Ri所属的组分[Ri
‑△
R，Ri+
△
R]；
[0033]土粒数量计算模块、用于根据函数关系建立模块和组分确定模块的结果，计算每个组分对应的土粒数量n
i
；
[0034]任意孔隙半径计算模块、用于根据土粒数量n
i
，计算任意颗粒粒径Ri对应的任意孔隙半径ri；
[0035]累积百分数计算模块、用于计算任意孔隙半径ri小于或等于某一孔隙半径r的累积百分数；
[0036]基质吸力计算模块、用于根据任意孔隙半径ri计算土体的基质吸力；
[0037]体积含水率计算模块、用于根据累积百分数计算任意孔隙半径ri对应的土体的体积含水率θ
vi
；
[0038]土水特征曲线获取模块、用于根据基质吸力和体积含水率θ
vi
，建立基质吸力与饱和度之间的关系，得到土水特征曲线。
[0039]一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述土水特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土水特征曲线获取方法，其特征在于，包括以下过程：S1、建立累积百分数与颗粒粒径R的函数关系F(R)；S2、确定任意颗粒粒径Ri所属的组分[Ri
‑
ΔR，Ri+ΔR]；S3、根据S1和S2的结果，计算每个组分对应的土粒数量n
i
；S4、根据土粒数量n
i
，计算任意颗粒粒径Ri对应的任意孔隙半径ri；S5、计算任意孔隙半径ri小于或等于某一孔隙半径r的累积百分数；S6、根据任意孔隙半径ri计算土体的基质吸力；S7、根据累积百分数计算任意孔隙半径ri对应的土体的体积含水率θ
vi
；S8、根据基质吸力和体积含水率θ
vi
，建立基质吸力与饱和度之间的关系，得到土水特征曲线。2.根据权利要求1所述的土水特征曲线获取方法，其特征在于，取20
‑
30个离散化的ΔR与对应的任意颗粒粒径Ri的比值，ΔR/Ri与任意颗粒粒径Ri的关系，通过非线性拟合，得到Ri
‑
ΔR/Ri的非线性方程，通过Ri
‑
ΔR/Ri的非线性方程，计算每个平均粒径R对应的ΔR，得到任意颗粒粒径Ri所属的组分[Ri
‑
ΔR，Ri+ΔR]。3.根据权利要求1所述的土水特征曲线获取方法，其特征在于，土粒数量n
i
的计算公式为：其中，ρ
s
为颗粒密度；m
i
为i组分土体的质量，m
i
＝m
s
·
ω
i
，m
s
为土体的质量，m
s
＝1g，ω
i
为组分i的质量百分数。4.根据权利要求1所述的土水特征曲线获取方法，其特征在于，任意孔隙半径ri的计算公式为：其中，e为孔隙比；ρ
s
为颗粒密度；m
s
为土体的质量，m
s
＝1g；α为土体颗粒的形状系数，α＞1。5.根据权利要求1所述的土水特征曲线获取方法，其特征在于，利用Young
‑
Laplace方程计算基质吸力其中，σ为水的表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛雪松，张建勋，吴谦，向丹，运志辉，陈欣怡，来小勇，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：