[发明专利]一种计算后峰型雨水入渗作用下均质地基基质吸力的方法

说明书

本发明公开了一种计算后峰型雨水入渗作用下均质地基基质吸力的方法，包括如下步骤：确定均质地基初始基质吸力分布状态；计算后峰型雨水入渗过程地基瞬态非饱和渗透系数；计算后峰型雨水入渗过程地基基质吸力。本发明基于非饱和渗流控制方程，通过拉普拉斯变换，获得了深部存在地下水、表面遭遇后峰型雨水入渗作用的均质地基非饱和渗透系数和基质吸力的解析解，为快速获得地基基质吸力大小提供了方便快捷的计算方法。本发明可直观揭示后峰型雨水入渗过程地基基质吸力随降雨历时的非线性演化特性，为雨季地基非饱和力学性能评价和地基防灾减灾提供技术支撑。

技术领域

本发明属于非饱和地基基质吸力计算的方法技术领域，特别是涉及一种计算后峰型雨水入渗作用下均质地基基质吸力的方法。

背景技术

基质吸力是描述地基非饱和力学性质的重要指标，直接影响非饱和地基承载性能。雨水入渗是影响地基基质吸力变化的主要因素之一，因而，准确便捷地获得雨水入渗作用下地基基质吸力演化特性一直是热点研究问题。

目前主要采用数值模拟或现场原位监测来获得雨水入渗作用下土体基质吸力，这类方法分析过程往往较复杂、耗时长、成本较高。不少学者们尝试利用解析法计算雨水入渗作用下土体基质吸力，并取得了一些研究成果，为非饱和地基基质吸力解析解研究提供了借鉴和参考。譬如，吴礼舟等假定推导了恒定均匀雨强入渗作用下土层基质吸力解析解，并研究了降雨过程土体基质吸力演化特性(吴礼舟,张利民,黄润秋.成层非饱和土渗流的耦合解析解[J].岩土力学,2011,32(08):2391-2396)；邱清文采用傅里叶变换，推导了覆盖层表面遭遇后峰型雨水入渗，覆盖层底部为自由排水情况下的基质吸力的解析解，研究了雨水入渗过程覆盖层基质吸力演化规律(邱清文.黄土/碎石覆盖层水气耦合运移规律及填埋气减排性能[D].浙江大学,2016)。

地基深部存在地下水的情况在岩土工程中非常普遍，其底部水力边界条件可简化为定水头边界。现有雨水入渗作用下土体基质吸力解析解成果，尚不能用于该类地基表面遭遇后峰型雨水入渗作用下的基质吸力求解。

发明内容

针对现有方法存在的问题，本发明提供了一种准确便捷的后峰型雨水入渗作用下均质地基基质吸力计算的方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下。

基于非饱和渗流控制方程，通过拉普拉斯变换，获得了深部存在地下水和表面遭遇后峰型雨水入渗作用的均质地基瞬态非饱和渗透系数和基质吸力的解析解，为快速获得地基基质吸力大小提供了方便快捷的计算方法，所述方法步骤如下。

(1)确定地基初始基质吸力分布状态：对深部存在地下水的均质地基，将前期等雨强q_A入渗形成的稳定渗流场对应的基质吸力分布作为地基初始状态，对应的基质吸力计算公式为：

式中：h_m,0为z处初始基质吸力，单位为cm；β为去饱和系数，单位为/cm；h₀为地下水位处的基质吸力值，通常h₀取0cm；z为研究点相对地下水位的位置，单位为cm；k_s为饱和渗透系数，单位为cm/h。

(2)计算后峰型雨水入渗过程地基瞬态非饱和渗透系数：对深部存在地下水的均质地基，基于非饱和渗流控制方程，以后峰型降雨的雨强q_B＝at+q₀为雨水入渗边界，通过拉普拉斯变换，得到了后峰型雨水入渗作用下地基瞬态非饱和渗透系数解析解，并用于计算地基瞬态非饱和渗透系数k，公式如下：

式中：q₀为后峰型降雨的起始雨强，单位为cm/h；a为雨强变化系数，大于0，单位为cm/h²；t为降雨历时，单位为h；l为地下水位与地表距离，单位为cm；