Моделирование свойств грунта в неводонасыщенной области выше уровня грунтовых вод

В прошлой статье мы рассмотрели характерные особенности механики насыщенной и неводонасыщенной области грунта. Теперь давайте разберем, как средствами расчетных комплексов midas GTS NX и midas FEA NX смоделировать корректное поведение грунта в неводонасыщенной области выше уровня грунтовых вод.

Для задания свойств грунта в неводонасыщенной области нам потребуется найти во вкладке материала «Porous» параметр «Unsaturated Property» и активировать его.

Активация «Unsaturated Property» во вкладке «Porous» описания материала
Рисунок 1. Активация «Unsaturated Property» во вкладке «Porous» описания материала

По умолчанию, свойства ненасыщенной области грунта не заданы и необходимо описать их через две функции — зависимость проницаемости и водосодержания от отрицательного порового давления. Что из себя представляет отрицательное поровое давление, мы рассмотрели ранее.

Выбор способа описания функции свойств грунта в неводонасыщенной области

Рисунок 2. Выбор способа описания функции свойств грунта в неводонасыщенной области

Характеристика неводонасыщенного материала определяет зависимость для коэффициента фильтрации и водосодержания (степень водонасыщения) в неводонасыщенной области в зависимости от величины отрицательного порового давления воды. Доступно два метода задания характеристики неводонасыщенного материала: прямое («Individual») определение функции проницаемости и функции водосодержания в зависимости от величины напора (отрицательного порового давления воды) или задание соотношения между давлением, объемным водосодержанием (степенью водонасыщения) и водопроницаемостью («Relation»).

«Individual» — Прямое задание характеристики неводонасыщенного материала

Данные, основанные на испытаниях неводонасыщенного грунта, могут быть заданы напрямую, а также могут быть определены коэффициенты уравнений функций с использованием функции аппроксимации «Curve Fitting». Если экспериментальные данные вводятся напрямую, то значения отрицательного порового давления задаются по абсолютной величине, а отношение проницаемости «permeability ratio» определяется делением величины коэффициента фильтрации для грунта в неводонасыщенном состоянии на ту же величину для грунта в водонасыщенном состоянии.

Прямое задание характеристики неводонасыщенного материала
Рисунок 3. Прямое задание характеристики неводонасыщенного материала

При данном способе описания кривых зависимости проницаемости и водосодержания от отрицательного порового давления они могут быть описаны различными функциями «Function Type», и ниже приведены основные переменные для их построения.

formula-01.png
formula-02.png
formula-03.png
formula-04.png

«Relation» — Задание соотношения между давлением, объемным водосодержанием (степенью водонасыщения) и водопроницаемостью)

Данные о свойствах неводонасыщенного грунта могут быть заданы с учетом типа грунта в соответствии с критерием JICE (Японского института инженеров-строителей (Japan Institute of Construction Eng.)). Функция соотношения между давлением, объемным водосодержанием (степенью водонасыщения) и отношением проницаемости для каждого из типов грунтов представлена ниже. Для нестационарного расчета отрицательный напор (поровое давление воды) рассчитывается для каждого временного шага (или стадии) и применяется, обновляя коэффициент относительной проницаемости. Находится объемное водосодержание (степень насыщения) по расчетному напору и обновляется относительная проницаемость по найденному объемному водосодержанию (степени насыщения) для каждого шага.

Задание соотношения между давлением, объемным водосодержанием (степенью водонасыщения) и водопроницаемостью
Рисунок 4. Задание соотношения между давлением, объемным водосодержанием (степенью водонасыщения) и водопроницаемостью

Формирование свойств ненасыщенной области на основе гранулометрического состава грунта

Кривая водосодержания в грунте может быть построена по кривой гранулометрического состава выбором «Est. Unsaturated Property» из «User Defined» в выпадающем меню «Function Type».

Формирование свойств ненасыщенной области на основе гранулометрического состава грунта
Рисунок 5. Формирование свойств ненасыщенной области на основе гранулометрического состава грунта

Перед вводом функции неводонасыщенного грунта необходимо задать функцию распределения частиц по размерам «Grand-Size Distribution Function». Кривая гранулометрического состава будет создана автоматически после ввода размера частиц «Particle Size» и накопленной степени распределения «Accumulative Rate of Transmission».

Окно задания «Grand-Size Distribution Function» и преобразование в «Unsaturated Property»
Окно задания «Grand-Size Distribution Function» и преобразование в «Unsaturated Property»
Рисунок 6. Окно задания «Grand-Size Distribution Function» и преобразование в «Unsaturated Property»

Далее при создании функций, описывающих водосодержание в ненасыщенной области, будут учитываться следующие зависимости:

formula-05.png

Данная зависимость была представлена в работе «Estimation of Soil Water Characteristic Curve for Weathered Granite Soils Considering Structural Characteristics, Lee, Hyeji (KAIST), 2005». Распределение частиц получено на основе уравнения кривой распределения частиц. Для учета кривой водонасыщения выветренных грунтов были использованы поправочные коэффициенты (χ, β), которые были применены для модели Arya-Paris.

База данных для задания неводонасыщенных свойств грунтов

Свойства водонасыщенного грунта задаются с помощью введения данных испытаний. Такой способ задания несколько затруднителен, т. к. проведение необходимых испытаний требует времени и материальных средств. Также выше рассмотрены и другие варианты задания свойств грунта ненасыщенной области с применением эмпирических коэффициентов или гранулометрического состава грунта. Для удобства пользователей в midas GTS NX / midas FEA NX встроена база данных, по которой в зависимости от типа грунта можно получить необходимые значения эмпирических коэффициентов и автоматически построить кривые зависимости проницаемости и водосодержания от отрицательного порового давления. Эта база данных может использоваться в качестве справки.

«Database» при задании «Unsaturated Property»
Рисунок 7. «Database» при задании «Unsaturated Property»

В данном случае для пользователя доступно два списка:
1. Van Genuchten Data (1980) — Источник — A Closed-form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils — M. TH. VAN GENUCHTEN, 1980
2. Van Genuchten Data (1988) — Источник — Developing Joint Probability Distributions of Soil Water Retention Characteristics — ROBERT F. CARSEL and RUDOLPH S. PARRISH, 1988

Содержание встроенной базы данных при задании Unsaturated Property
Рисунок 8. Содержание встроенной базы данных при задании «Unsaturated Property»

Как мы видим из данной статьи, вариантов описать кривые зависимости проницаемости и водосодержания от отрицательного порового давления для учета свойств грунта в ненасыщенной области довольно много, и все они различаются. Выбор того или иного варианта, в первую очередь, будет зависеть от наличия исходных данных для каждого из способов. При этом, если никаких данных нет, инженер может воспользоваться встроенной базой данных и, в зависимости от типа грунта, получить необходимые коэффициенты для построения эмпирических кривых. Выбор того или иного способа описания свойств грунта в ненасыщенной области определяет пользователь.

В следующей статье мы рассмотрим, как в midas GTS и NX midas FEA NX учет свойств грунта в ненасыщенной области влияет на результаты расчетов.

midas GTS NX

Скачайте демо-версию midas GTS NX

Начните пользоваться уже сегодня! После скачивания демо-версии вам будут доступны обучающие материалы по началу работы.