Влияние свойств грунта в неводонасыщенной области на результаты расчетов

В прошлых статьях мы рассмотрели характерные особенности механики насыщенной и неводонасыщенной области грунта , а также какими способами можно задать эти самые свойства в среде midas GTS NX и midas FEA NX. 

Теперь давайте рассмотрим эффект, который оказывает учет свойств грунта в неводонасыщенной области на результаты расчетов. Рассмотрим демонстрационную модель — однородный склон, сложенный из супеси. По левой границе расчетной области задан напор на 5 метров ниже от дневной поверхности, по правой — на 1 метр ниже дневной поверхности, также по откосу задано условие поиска точки высачивания, а левее откоса устраивается дренажная система.

Общий вид демонстрационной модели
Рисунок 1. Общий вид демонстрационной модели

Расчет начальной стадии фильтрации в установившемся режиме, где определяется расчетное равновесное положение кривой депрессии в массиве грунта без учета свойств грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property»

Полученное положение кривой депрессии, приведенное на рисунке 2, выглядит логичным. Однако давайте обратимся к другим компонентам результатов для данного расчета, а именно оценим степень насыщения «degree of saturation», объемное водосодержание «volumetric water content», и результирующие скорости тока «seepage flow velocity resultant».

На рисунке 3 показаны изополя степени насыщения «degree of saturation» для начальной стадии при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property».

Мы видим, что ниже кривой депрессии степень насыщения равна «1», т. е. грунт считается полностью водонасыщенным, а выше кривой депрессии степень насыщения равна «0», т. е. грунт считается полностью сухим. Об этом допущении, два крайних состояния, упоминалось в статье (Механика грунтов насыщенной и неводонасыщенной области грунта).

На рисунке 4 показаны изополя объемного водосодержания «volumetric water content» для начальной стадии при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property». Мы видим, что по всей расчетной области выше и ниже кривой депрессии значение объемного водосодержания одинаковое, что также является условным допущением. В этом случае, если свойства грунта в ненасыщенной области «Unsaturated Property» не заданы, программа вычисляет объемное водосодержание, исходя из значений коэффициента пористости (для демонстрационной задачи коэффициент пористости e = 0.6):

formula-01.png

На рисунке 5 показаны векторы результирующих скоростей тока «seepage flow velocity resultant» для начальной стадии при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property». Мы видим, что выше кривой депрессии имеет место движение воды, которое обусловлено наличием водосодержания в данной области. Это, в свою очередь, приведет к погрешности, если стоит задача оценить приток/отток в рамках выполнения фильтрационного расчета.

Расчетное положение кривой депрессии (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property»
Рисунок 2. Расчетное положение кривой депрессии (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property»

Степень насыщения (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property»
Рисунок 3. Степень насыщения (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property»

Объемное водосодержание (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property»
Рисунок 4. Объемное водосодержание (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property»

Результирующие скорости тока (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property»
Рисунок 5. Результирующие скорости тока (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации без учета «Unsaturated Property»

Расчет начальной стадии фильтрации в установившемся режиме, где определяется расчетное равновесное положение кривой депрессии в массиве грунта с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property»

Для описания свойств грунта в ненасыщенной области воспользуемся встроенной базой данных и выберем материал, соответствующий супеси. В результате построены зависимости проницаемости и водосодержания от отрицательного порового давления, приведенные на рисунке 6.

Свойства грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property» принятые для супеси из встроенной базы данных
Рисунок 6. Свойства грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property» принятые для супеси из встроенной базы данных

Полученное положение кривой депрессии, приведенное на рисунке 7, является аналогичным тому, что мы получили без учета свойств грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property». Однако прочие компоненты результатов для данного расчета, которые мы рассматривали выше, имеют отличия.

На рисунке 8 показаны изополя объемного водосодержания «volumetric water content» для начальной стадии при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property». Мы видим, что значения объемного водосодержания совпадают со значениями, приведенными на рисунке 6 на графике «Water Content — Negative Pore Pressure Head» (данные для построения графика можно экспортировать в файл Excel). А именно, объемное водосодержание ниже кривой депрессии является максимальным и составляет 0.41, а выше кривой депрессии, например, в левом верхнем узле выше кривой депрессии на 5 метров объемное водосодержание составит 0.0797, что соответствует обозначенному выше графику.

На рисунке 9 показаны изополя степени насыщения «degree of saturation» для начальной стадии при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property». Мы видим, что ниже кривой депрессии степень насыщения равна «1», т. е. грунт считается полностью водонасыщенным, а выше кривой депрессии степень насыщения вычисляется исходя из значений объемного водосодержания, а именно: 

  • объемного водосодержания насыщенного грунта VWCsat = 0.41 (принимаем из графика «Water Content — Negative Pore Pressure Head»)
  • минимального объемного водосодержания VWCmin = 0.065 (принимаем из графика «Water Content — Negative Pore Pressure Head»)
  • текущего объемного водосодержания в искомом узле VWCcur = 0.0797 (принимаем из расчетного объемного водосодержания в искомом узле — рисунок 8)

Таким образом, степень насыщения в левом верхнем узле расчетной модели составит 0.0426, что видим на рисунке 9:

formula-02.png

На рисунке 10 показаны векторы результирующих скоростей тока «seepage flow velocity resultant» для начальной стадии при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property». Мы видим, что выше кривой депрессии движения воды практически не наблюдается, что обусловлено корректным описанием свойств грунта в ненасыщенной области выше кривой депрессии.

На рисунке 11 приведено сравнение объема воды, проходящего через сечение, проведенное в начале склона. Как видим, за счет некорректного учета свойств грунтов в ненасыщенной области выше кривой депрессии образовывается некорректное движение воды в пределах расчетной области, что приводит к завышению объема.

Таким образом, можно сделать вывод, что если инженера интересует определение расчетного положения кривой депрессии и порового давления, то учетом «Unsaturated Property» можно пренебречь. Но если в результате расчета необходимо оценить, гидравлический градиент, скорости тока или объем притока/оттока, то задание «Unsaturated Property» является обязательным, даже в стационарной задаче фильтрации.

Это актуально для задачи установившейся фильтрации. Далее рассмотрим влияние свойств грунта в неводонасыщенной области на результаты расчета задачи неустановившейся фильтрации.

Расчетное положение кривой депрессии (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property»
Рисунок 7. Расчетное положение кривой депрессии (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property»

Объемное водосодержание (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property»
Рисунок 8. Объемное водосодержание (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property»

Степень насыщения (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property»
Рисунок 9. Степень насыщения (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property»

Результирующие скорости тока (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property»
Рисунок 10. Результирующие скорости тока (начальная стадия) при установившемся режиме фильтрации с учетом «Unsaturated Property»

Объем воды, проходящий через условное сечение: слева без учета «Unsaturated Property», справа с учетом «Unsaturated Property»
Рисунок 11. Объем воды, проходящий через условное сечение: слева без учета «Unsaturated Property», справа с учетом «Unsaturated Property»

Расчет стадии работы дренажной системы в неустановившемся режиме, где определяется расчетное равновесное положение кривой депрессии в массиве грунта в каждый момент времени без учета свойств грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property» и с их учетом

Добавим вторую стадию, где активируется дренажная система левее откоса. В случае расчета данной стадии в установившемся режиме будет определяться новое расчетное равновесное положение кривой депрессии с учетом новых граничных условий, описывающих дренажную систему, а учет или неучет в расчете свойств грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property» даст ровно такой же эффект, как описывается выше. Однако в случае расчета данной стадии в неустановившемся режиме мы увидим дополнительные отличия от эффекта активации «Unsaturated Property».

Зададим для нестационарного расчета продолжительность в 50 дней и оценим положение кривой депрессии в каждый момент времени. На рисунке 12 показана анимация с изменением положения кривой депрессии для нестационарной задачи фильтрации в каждый момент времени на протяжении 50 дней без учета «Unsaturated Property». Мы видим, что практически сразу положение кривой депрессии приходит к равновесному состоянию, т. е. учитывается только изменение внешних граничных условий, например, уровней воды, напоров или заданного притока/оттока, но не учитывается движение воды в грунте во времени. Другими словами, полученное положение кривой депрессии на каждом шаге будет близким к результатам расчета установившейся задачи фильтрации при таких же внешних воздействиях без учета компоненты времени.

На рисунке 13 показана анимация с изменением положения кривой депрессии для нестационарной задачи фильтрации в каждый момент времени на протяжении 50 дней с учетом «Unsaturated Property». Мы видим, что положение кривой депрессии вычисляется равновесно на каждой стадии с учетом заданных свойств грунта, т. е. кроме изменения внешних граничных условий, например, уровней воды, напоров или заданного притока/оттока, учитывается еще и движение воды в грунте во времени.

Описанные в предыдущих пунктах данной статьи различия при учете или неучете в расчете свойств грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property» справедливы и для нестационарного фильтрационного расчета.

Изменение положения кривой депрессии для нестационарной задачи фильтрации в каждый момент времени на протяжении 50 дней без учета «Unsaturated Property»
Рисунок 12. Изменение положения кривой депрессии для нестационарной задачи фильтрации в каждый момент времени на протяжении 50 дней без учета «Unsaturated Property»

13. Изменение положения кривой депрессии для нестационарной задачи фильтрации в каждый момент времени на протяжении 50 дней с учетом «Unsaturated Property»
Рисунок 13. Изменение положения кривой депрессии для нестационарной задачи фильтрации в каждый момент времени на протяжении 50 дней с учетом «Unsaturated Property»

Заключение

Реальное поведение насыщенного и неводонасыщенного грунта возможно учесть при активации и задании свойств грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property».
«Unsaturated Property» оказывает следующий эффект на результаты расчета:

  • НЕ ВЛИЯЕТ на положение кривой депрессии в задаче установившейся фильтрации. Если стоит задача оценить положение кривой депрессии и получить значение порового давления, то в стационарной задаче фильтрации «Unsaturated Property» можно не учитывать.
  • ВЛИЯЕТ на положение кривой депрессии в задаче неустановившейся фильтрации. В нестационарной задаче фильтрации учет «Unsaturated Property» является обязательным для того, чтобы учесть движение воды в массиве грунта во времени.
  • Без учета «Unsaturated Property» степень насыщения ниже кривой депрессии равна «1», т. е. грунт считается полностью водонасыщенным, а выше кривой депрессии степень насыщения равна «0», т. е. грунт считается полностью сухим. В случае учета «Unsaturated Property» степень насыщения ниже кривой депрессии равна «1», т. е. грунт считается полностью водонасыщенным, а выше кривой депрессии степень насыщения вычисляется исходя из значений объемного водосодержания.
  • Без учета «Unsaturated Property» по всей расчетной области выше и ниже кривой депрессии значение объемного водосодержания одинаковое и вычисляется из значения коэффициента пористости. В случае учета «Unsaturated Property» значения объемного водосодержания принимаются по значениям графика «Water Content — Negative Pore Pressure Head».
  • Без учета «Unsaturated Property» выше кривой депрессии имеет место движение воды, что приводит к погрешности, при оценке объема воды притока/оттока в рамках выполнения фильтрационного расчета.
  • Результаты расчета фильтрационной задачи могут быть перенесены в расчет напряженно-деформированного состояния (совмещенный расчет), устойчивости, поэтому важно корректно выполнить расчет фильтрации и задать свойства неводонасыщенного грунта.
  • Часто необходимо учитывать свойства грунта в неводонасыщенной области «Unsaturated Property» для задачи консолидации.
  • Расчетные комплексы midas GTS NX и midas FEA NX обладают универсальными средствами и инструментами для анализа грунтовой среды и влияния воздействия и движения воды на грунт, которые имеют много разных настроек и режимов. Выбор этих настроек и их сочетание определяет пользователь в зависимости от целей задачи.

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.