一种土水特征曲线获取方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种土水特征曲线获取方法，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-△R，Ri+△R]；

S3、根据S1和S2的结果，计算每个组分对应的土粒数量n

S4、根据土粒数量n

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

S8、根据基质吸力和体积含水率θ

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]。

优选的，土粒数量n

其中，ρ

优选的，任意孔隙半径ri的计算公式为：

其中，e为孔隙比；ρ

优选的，利用Young-Laplace方程计算基质吸力

其中，σ为水的表面张力，取72.0mN/m；

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

其中，e为孔隙比；ω

优选的，根据基质吸力和体积含水率θ

其中，S为土体饱和度；θ

一种土水特征曲线获取系统，包括：

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)；

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]；

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

任意孔隙半径计算模块、用于根据土粒数量n

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；

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；

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

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

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征曲线获取方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述土水特征曲线获取方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过规定土体质量为单位质量(1g)，解决现有AP模型预测土体的基质吸力的大小受土样的质量影响的问题，计算结果不受土体质量的影响；通过结合诸多研究人员提出的20-30个离散化的△R与对应的颗粒粒径Ri的比值，通过非线性拟合，得到了Ri-△R/Ri的非线性方程，使颗粒粒径的粒组划分具有连续性和确定性，解决现有AP模型预测的结果受颗粒级配粒组的划分不统一影响的问题，消除了随机粒组的划分进而引起的计算结果的差异；通过任意颗粒粒径计算得到的孔隙半径进行排序，然后建立了孔隙半径与累计百分数之间的关系，进而得到了饱和度与基质吸力单调连续的土水特征曲线，解决了由于颗粒级配曲线斜率的不同，计算得到的土水特征曲线不一定单调连续的问题。本发明通过可以不进行大量的土体基质吸力室内试验，仅通过试验土体的级配曲线和基本的物理力学等参数便可以预测相应的不同土体、不同颗粒级配、及不同压实度的连续性的土水特征曲线，节省大量的试验工作量。

附图说明

图1为本发明的土水特征曲线获取方法的AP模型流程图；

图2为本发明的△R/Ri-Ri非线性拟合示意图；

图3为本发明的粒径级配曲线示意图；

图4为本发明的累积百分数与任意颗粒粒径Ri的函数关系示意图；

图5为本发明的AP模型预测的砂土土水特征曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，为本发明所述的土水特征曲线获取方法，AP模型是先将土体的颗粒级配(GSD)按照颗粒粒径大小分为n个组分，设定所有组分都具有相同的颗粒密度ρ

具体过程为：

1、建立累积百分数与颗粒粒径R的函数关系F(R)。

对所预测土水特征曲线的试验土体进行筛分试验，得到累积百分数与颗粒粒径R之间关系的级配曲线，进一步建立累积百分数与颗粒粒径R的函数关系F(R)。

2、确定任意颗粒粒径Ri所属的组分[Ri-△R，Ri+△R]。

将颗粒粒径范围按照每0.002mm的间隔取点(0.002mm、0.004mm、0.006mm…0.960mm…)，每个颗粒粒径R都对应一个所属的组分[R-△R，R+△R]。在求解任意颗粒粒径Ri对应的基质吸力Ψ(Ri)之前，需要从级配曲线中划分出任意颗粒粒径Ri所属的组分[Ri-△R，Ri+△R]。

为了解决△R取值不统一，进而造成AP模型计算结果具有差异性的问题，本发明结合诸多研究人员提出的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，得到了Ri-△R/Ri的非线性方程，见图2。

通过Ri-△R/Ri的非线性方程，可以计算每个平均粒径R对应的△R，也就可以得到任意颗粒粒径Ri所属的组分[Ri-△R，Ri+△R]。

3、计算每个组分对应的土粒数量n

第i个组分范围[Ri-△R，Ri+△R]内的颗粒体积V

其中，ρ

/>

4、计算任意颗粒粒径Ri对应的任意孔隙半径ri。

利用公式(2)除以公式(1)得到颗粒半径Ri与任意孔隙半径ri之间的关系为：

其中，L

进而将公式(5)代入公式(4)可得土粒粒径R

5、计算出的任意孔隙半径ri小于或等于某一孔隙半径r的累积百分数。

通过公式(6)得到的不同组分对应的任意孔隙半径ri，需要对孔隙半径进行由小到大重新排列。对小于某一孔隙半径r的颗粒组分进行统计，得到相应的百分数F

由于颗粒粒径范围是按照每0.002mm的间隔取点，所以每个颗粒半径R

6、计算土体的基质吸力。

利用Young-Laplace方程计算基质吸力

其中，σ为水的表面张力，取72.0mN/m；

7、计算任意孔隙半径ri对应的土体的体积含水率θ

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(cm

/>

8、建立基质吸力与饱和度之间的关系。

结合公式(6)和公式(7)可以建立颗粒半径Ri与对应的基质吸力ψ

其中，S为土体饱和度；θ

根据基质吸力与饱和度之间的关系，从而得到土水特征曲线。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。此实施例进行的是对中国西北地区典型的路基风积沙土的土水特征曲线进行预测。

1、根据《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)，如图3和表1所示，通过室内试验测得试验用土的基本物理指标，如比重、最佳含水率和最大干密度，及粒径级配。试验用土的形状系数α＝1.5。

表1.试验用土的基本物理性质

2、如图4所示，建立累积百分数与任意颗粒粒径Ri的函数关系F(Ri)。

3、将颗粒粒径范围(0.001-1mm)按照每0.002mm的间隔取点，求解每个任意颗粒粒径Ri对应组分的质量百分数ω

表2.基质吸力计算

4、如表3所示，由于颗粒级配斜率的差异，颗粒的尺寸与孔隙半径不一定是单调正相关的问题，所以也不是颗粒尺寸越小，通过AP模型计算的基质吸力越大。

表3.颗粒尺寸与孔隙半径不是单调正相关的情况

此时，需要对计算的任意孔隙半径ri重新由小到大排序，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

5、结合公式(9)建立土体饱和度S与基质吸力Ψ的对应关系，如图5所示，并绘制土体饱和度S和基质吸力Ψ的关系的土水特征曲线。

下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。

本发明再一个实施例中，提供了一种土水特征曲线获取系统，该土水特征曲线获取系统可以用于实现上述土水特征曲线获取方法，具体的，该土水特征曲线获取系统包括函数关系建立模块、组分确定模块、土粒数量计算模块、任意孔隙半径计算模块、累积百分数计算模块、基质吸力计算模块、体积含水率计算模块以及土水特征曲线获取模块。

其中，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)。

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]。

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

任意孔隙半径计算模块用于根据土粒数量n

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。

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。

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

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

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于土水特征曲线获取方法的操作，包括：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-△R，Ri+△R]；S3、根据S1和S2的结果，计算每个组分对应的土粒数量n

再一个实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关土水特征曲线获取方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：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-△R，Ri+△R]；S3、根据S1和S2的结果，计算每个组分对应的土粒数量n

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本专利的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主题内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。