искать
Геотехника

О компьютерном моделировании состояния и поведения грунта в неводонасыщенной зоне


Южнокорейская компания MIDAS IT была основана в 2000 году в Сеуле. Компьютерные программы, разработанные в этой компании, используются в 136 странах мира для моделирования, комплексного проектирования и анализа в области транспортного, геотехнического, промышленного и гражданского строительства и обеспечивают безопасность, эффективность и конкурентноспособность инженерных проектов. В том числе с помощью продуктов MIDAS IT был спроектирован знаменитый небоскреб Бурдж Халифа в Дубае ОАЭ и прекрасный трехкилометровый вантовый мост Русский в российском Владивостоке. В 2013 году было открыто российское представительство этой компании – ООО «МИДАС». На территории РФ сейчас представлено три конечноэлементных расчетных комплекса MIDAS IT, адаптированных для соответствия требованиям российских нормативных документов, – midas GTX NX, midas FEA NX и midas Civil.

На официальном сайте ООО «МИДАС» опубликовано очень полезное руководство по механике грунтов [1], переведенное с английского языка, в котором рассказывается о моделировании состояния грунта в неводонасыщенной области выше уровня грунтовых вод и о влиянии учета его свойств на результаты расчетов с использованием программных продуктов MIDAS IT. Представляем вниманию читателей адаптированную и сокращенную версию указанной публикации.

Полную версию руководства можно скачать по ссылке в конце статьи.

 

 

ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ. О МЕХАНИКЕ ГРУНТОВ ВОДОНАСЫЩЕННОЙ И НЕВОДОНАСЫЩЕННОЙ ОБЛАСТЕЙ

 

В классической механике грунтов обычно по умолчанию принимается, что грунт является либо сухим (с влажностью 0%), либо водонасыщенным (с влажностью 100%), а также что поведение грунта регулируется исключительно принципом эффективных напряжений Терцаги, устанавливающим взаимосвязь между напряжениями в массиве. Но в действительности сухие и водонасыщенные условия – это два предельных частных случая в отношении содержания в грунте воды. В остальных ситуациях влажность грунта находится в пределах от 0 до 100%, то есть в большинстве случаев грунт не бывает ни полностью сухим, ни полностью водонасыщенным. И это надо учитывать при решении многих инженерных задач.

Классическую механику грунтов для удобства часто подразделяют на две части – для водонасыщенных и неводонасыщенных материалов. Хотя в этом искусственном делении нет необходимости, все же может быть полезно использовать знания о водонасыщенных грунтах в качестве эталона, а затем распространить их на неводонасыщенную зону с более сложным поведением (рис. 1). Для простоты можно разделить две рассматриваемые области механики грунтов уровнем грунтовых вод (УГВ). В этом упрощенном случае ниже УГВ давление воды в порах является положительным, грунт в целом – водонасыщенным, а его поведение определяется эффективным напряжением (σ – uw). Выше УГВ поровое давление воды, как правило, является отрицательным по отношению к атмосферному давлению, грунт – неводонасыщенным, а его поведение определяется такими двумя независимыми переменными, как чистое нормальное напряжение (σ – ua) и каркасное всасывающее давление (ua – uw).

 

Рис. 1. Схема, дающая обобщенное понимание границ между частями механики грунтов для водонасыщенной и неводонасыщенной областей
Рис. 1. Схема, дающая обобщенное понимание границ между частями механики грунтов для водонасыщенной и неводонасыщенной областей

 

Если сосредоточить внимание на зоне выше УГВ, то может быть полезно классифицировать состояния грунта в соответствии с его объемной влажностью (объемным содержанием воды). Ранее рассматривали две фазы в грунте – твердые частицы и воду. Хотя точнее было бы говорить о четырех «фазах»  – твердых частицах, воде, воздухе и поверхности раздела между воздухом и водой.

Вся область грунта над уровнем грунтовых вод называется зоной аэрации. Рассмотрим ее подробнее. Непосредственно над УГВ находится так называемая капиллярная зона (кайма) толщиной от долей метра до примерно 10 м (в зависимости от типа грунта), в которой объемная влажность близка к 100%. Внутри нее водная фаза обычно является непрерывной, а воздушная – прерывистой. Выше располагается двухфазная зона, в которой и водная, и воздушная фаза могут быть в идеальном случае представлены как непрерывные. Внутри нее объемное содержание воды может варьировать примерно от 20 до 90% (в зависимости от типа и состояния грунта). Еще выше грунт становится более сухим, а водная фаза – прерывистой, тогда как воздушная фаза остается непрерывной (рис. 2).

 

Рис. 2. Разделение толщи грунта на зоны по характеру присутствия газообразной и жидкой фаз
Рис. 2. Разделение толщи грунта на зоны по характеру присутствия газообразной и жидкой фаз

 

Положение уровня грунтовых вод в первую очередь зависит от разницы между нисходящим потоком влаги (количеством осадков) и ее восходящим потоком (суммарного испарения в атмосферу из грунта и с поверхности растений) и, соответственно, от климатических условий. Исключительно восходящий фильтрационный поток вызывает постепенное высыхание, уплотнение и растрескивание грунта, тогда как исключительно нисходящий фильтрационный поток в конечном итоге насыщает грунт водой. Если регион является засушливым или полузасушливым, УГВ со временем медленно снижается. Если климат умеренный или влажный, УГВ может оставаться довольно близко к поверхности земли. На глубину водного зеркала влияют среди прочего поверхностные потоки.

Грунты, особенно в зоне аэрации, подвергаются различным меняющимся во времени условиям окружающей среды, а также техногенным воздействиям. Это вызывает изменения в распределении порового давления воды, которое может принимать самые разные формы и приводить, например, к усадкам или набуханию грунта.

С зоной аэрации из-за ее нарушенной структуры связано много сложностей.

В инженерной геологии и геотехнике традиционно стремились сильно упрощать анализ этой зоны или даже избегать его, если это было возможно. Однако во многих случаях понимание реального поведения грунтов именно этой зоны является ключом к характеристикам проектируемых зданий и сооружений и решению геоэкологических проблем. Например, такие сооружения, как фундаменты легких конструкций или земляное полотно автодорог, обычно располагаются значительно выше УГВ, то есть в грунтах зоны аэрации, на состояние которых, как уже говорилось, сильно влияют сезонные, погодные, климатические изменения и техногенные воздействия, а также рельеф. Само строительство и эксплуатируемые здания и сооружения, в свою очередь, оказывают серьезные воздействия на грунтовые условия, особенно в зоне аэрации (например, асфальтированные дороги препятствуют испарению с поверхности земли), что также требует точных оценок. И тут рамки классической механики водонасыщенного или сухого грунта становятся тесными. В связи с этим в ряде стран мира появилась всеобъемлющая механика насыщенных и ненасыщенных грунтов.

В решении соответствующих геотехнических задач сегодня могут помочь улучшенные вычислительные возможности.

 

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ГРУНТА В НЕВОДОНАСЫЩЕННОЙ ОБЛАСТИ ВЫШЕ УГВ

 

Корректно смоделировать состояние грунта в неводонасыщенной области выше УГВ можно с использованием расчетных комплексов midas GTS NX и midas FEA NX.

Для задания свойств дисперсного грунта в неводонасыщенной области необходимо в окне Material («Материал») выбрать вкладку Porous («Пористый») и в ней выбрать свойство Unsaturated Property («Неводонасыщенный») (рис. 3).

 

Рис. 3. Выбор (активация) свойства Unsaturated Property («Неводонасыщенный») во вкладке Porous («Пористый») окна Material («Материал»)
Рис. 3. Выбор (активация) свойства Unsaturated Property («Неводонасыщенный») во вкладке Porous («Пористый») окна Material («Материал»)

 

Свойства грунта в неводонасыщенной области по умолчанию не заданы. Их необходимо описать через зависимость коэффициента водопроницаемости и объемной влажности от отрицательного порового давления воды. Способ описания функции выбирается в окне Add/Modify Unsaturated Function («Добавить/модифицировать функцию для грунта в неводонасыщенной области»): либо Individual («Прямое задание функций коэффициента водопроницаемости и объемной влажности в зависимости от отрицательного порового давления»), либо Relation («Задание соотношения между поровым давлением, объемной влажностью и коэффициентом водопроницаемости») (рис. 4).

 

Рис. 4. Выбор способа описания функций зависимости коэффициента водопроницаемости и объемной влажности от отрицательного порового давления в неводонасыщенной области
Рис. 4. Выбор способа описания функций зависимости коэффициента водопроницаемости и объемной влажности от отрицательного порового давления в неводонасыщенной области

 

Прямое задание характеристик неводонасыщенного грунта (Individual)

 

Данные, основанные на испытаниях неводонасыщенного грунта, могут быть заданы напрямую. Также могут быть определены коэффициенты в уравнениях с использованием функции Curve Fitting («Аппроксимация кривой»).

Если экспериментальные данные вводятся напрямую (рис. 5), то задаются абсолютные значения отрицательного порового давления, а коэффициент водопроницаемости (Permeability Ratio) определяется соотношением коэффициентов фильтрации для грунта в неводонасыщенном и водонасыщенном состояниях.

 

Рис. 5. Прямое задание характеристик неводонасыщенного грунта
Рис. 5. Прямое задание характеристик неводонасыщенного грунта

 

Кривые зависимости водопроницаемости и объемной влажности от отрицательного порового давления могут быть описаны различными функциями (Function Type). Для этого используются формулы для получения коэффициента водопроницаемости и объемного содержания воды в соответствии с материальными моделями движения жидкости Гарднера (Gardner), Ван-Генухтена (Van Genuchten) или с помощью фронтальной функции (Frontal Function) (рис. 6).

 

Рис. 6. Получение коэффициента проницаемости и объемного содержания воды в соответствии с материальными моделями движения жидкости Гарднера, Ван-Генухтена или с помощью фронтальной функции
Рис. 6. Получение коэффициента проницаемости и объемного содержания воды в соответствии с материальными моделями движения жидкости Гарднера, Ван-Генухтена или с помощью фронтальной функции

 

Задание соотношения между поровым давлением, объемной влажностью и коэффициентом водопроницаемости (Relation)

 

Данные о свойствах неводонасыщенного материала могут быть заданы с учетом типа грунта в соответствии с критериями и обозначениями Японского института инженеров-строителей (JICE – Japan Institute of Construction Engineers) (рис. 7, 8).

 

Рис. 7. Критерии и обозначения Японского института инженеров-строителей (JICE), используемые при задании функций зависимости между показателями свойств для неводонасыщенного материала (Unsaturated Property Function) с учетом типа грунта. Некоторые из приведенных обозначений использованы, например, на рисунке 8
Рис. 7. Критерии и обозначения Японского института инженеров-строителей (JICE), используемые при задании функций зависимости между показателями свойств для неводонасыщенного материала (Unsaturated Property Function) с учетом типа грунта. Некоторые из приведенных обозначений использованы, например, на рисунке 8

 

Рис. 8. Пример задания функций зависимости между объемным содержанием воды в долях единицы (VWC) и пьезометрическим напором в метрах (Head,  m); объемным содержанием воды в долях единицы (VWC) и коэффициентом водопроницаемости (Permeability Ratio). Расшифровка всех нужных обозначений приведена на рисунке 7
Рис. 8. Пример задания функций зависимости между объемным содержанием воды в долях единицы (VWC) и пьезометрическим напором в метрах (Head,  m); объемным содержанием воды в долях единицы (VWC) и коэффициентом водопроницаемости (Permeability Ratio). Расшифровка всех нужных обозначений приведена на рисунке 7

 

Для нестационарного случая отрицательный пьезометрический напор (соответствующий отрицательному поровому давлению воды) рассчитывается для каждого временного шага и применяется с обновленным коэффициентом водопроницаемости. Последний обновляется для каждого шага по объемному содержанию воды (или же по коэффициенту водонасыщения), которое находится по вычисленному пьезометрическому напору.

 

Задание показателей свойств грунта ненасыщенной области на основе его гранулометрического состава

 

Кривая объемной влажности может быть построена по графику гранулометрического состава. Для этого предпринимаются следующие действия.

В окне Water Content Function Data («Данные функции влажности») выбирается выпадающее меню Function Type («Тип функции»), из него – пункт User Defined («Определяемое пользователем») и далее – действие Est. Unsaturated Property («Оценка свойства ненасыщенного грунта») (рис. 9).

 

Рис. 9. Задание показателей свойств грунта ненасыщенной области на основе его гранулометрического состава
Рис. 9. Задание показателей свойств грунта ненасыщенной области на основе его гранулометрического состава

 

Необходимо задать функцию гранулометрического состава (Grain-Size Distribution Function). Кривая гранулометрического состава будет создана автоматически после ввода размеров частиц (Particle Size) и данных для кумулятивной функции распределения, то есть кумулятивной кривой гранулометрического состава (Accumulative Rate of Transmission), ординаты которой соответствуют содержанию суммы фракций частиц менее данного диаметра, а абсциссы – диаметрам частиц в логарифмическом масштабе (рис. 10).

 

Рис. 10. Окно Grain-Size Distribution Function («Функция гранулометрического состава)
Рис. 10. Окно Grain-Size Distribution Function («Функция гранулометрического состава)

 

Далее при создании функций, описывающих объемное содержание воды в ненасыщенной области на основе кумулятивной кривой гранулометрического состава с использованием поправочных коэффициентов χβ (рис. 11), будут учитываться зависимости, представленные на рисунке 12. (Для более подробного ознакомления с этим вопросом можно обратиться к следующей работе: Lee H., Lee S.J., Lee S.-R. Estimation of soil water characteristic curve for weathered granite soils considering structural characteristics. Hyeji (KAIST), 2005.)

 

Рис. 11. Окно Estimation of Unsaturated Property («Оценка свойств грунта в неводонасыщенной области»)
Рис. 11. Окно Estimation of Unsaturated Property («Оценка свойств грунта в неводонасыщенной области»)

 

Рис. 12. Зависимости, учитываемые при создании функций, описывающих объемное содержание воды в грунте ненасыщенной области на основе кумулятивной кривой гранулометрического состава с использованием поправочных коэффициентов χβ (см. рис. 11)

 

База данных для задания свойств неводонасыщенных грунтов

 

Как уже отмечалось ранее, свойства неводонасыщенного грунта можно задать путем введения данных испытаний. Но такой способ довольно затруднителен, так как проведение необходимых испытаний требует затрат времени и средств. Чтобы пользователям было удобнее применять другие варианты задания свойств грунта ненасыщенной области (рассмотренные выше – с применением эмпирических коэффициентов или гранулометрического состава грунта), в программные комплексы midas GTS NX и midas FEA NX встроена база данных, из которой в зависимости от типа грунта можно получить необходимые значения эмпирических коэффициентов и автоматически построить кривые зависимостей коэффициента водопроницаемости и объемной влажности от отрицательного порового давления (рис. 13). В данном случае доступно два списка:

1) Van Genuchten Data (Van Genuchten, 1980) (источник: Van Genuchten M.Th. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1980. Vol. 44. P. 892–898);

2) Van Genuchten Data (Carsel and Parrish, 1988) (источник: Carsel R.F., Parrish R.S. Developing joint probability distributions of soil water retention characteristics // Water Resources Research. 1988. Vol. 24. P. 755–769).

 

Рис. 13. Выбор базы данных в окне Add/Modify Unsaturated Function («Добавить/модифицировать функцию для грунта неводонасыщенной области»), из которой в зависимости от типа грунта можно получить необходимые значения эмпирических коэффициентов и автоматически построить кривые зависимости коэффициента водопроницаемости и объемной влажности от отрицательного порового давления
Рис. 13. Выбор базы данных в окне Add/Modify Unsaturated Function («Добавить/модифицировать функцию для грунта неводонасыщенной области»), из которой в зависимости от типа грунта можно получить необходимые значения эмпирических коэффициентов и автоматически построить кривые зависимости коэффициента водопроницаемости и объемной влажности от отрицательного порового давления

 

Рис. 14. База данных Van Genuchten Data (Carsel and Parrish, 1988)
Рис. 14. База данных Van Genuchten Data (Carsel and Parrish, 1988)

 

Таким образом, есть разные варианты описания кривых зависимостей коэффициента водопроницаемости и объемной влажности от отрицательного порового давления для учета свойств грунта в неводонасыщенной области. Выбор того или иного из них в первую очередь будет зависеть от имеющихся исходных данных. Если последних нет, то пользователь может воспользоваться базой данных, встроенной в midas GTS NX и midas FEA NX, и в зависимости от типа грунта получить необходимые коэффициенты для построения кривых.

 

ВЛИЯНИЕ УЧЕТА СВОЙСТВ ГРУНТА В НЕВОДОНАСЫЩЕННОЙ ОБЛАСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

 

Рассмотрим демонстрационную модель однородного склона (откоса), сложенного супесью. По левой границе расчетной области задан пьезометрический напор на 5 м ниже дневной поверхности, по правой – на 1 м ниже поверхности. По склону задано условие поиска точки высачивания грунтовых вод на поверхность. Левее поперечного сечения, проходящего через бровку склона, устраивается дренажная система.

 

Рис. 15. Общий вид демонстрационной модели
Рис. 15. Общий вид демонстрационной модели

 

Расчеты для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с определением равновесного положения кривой депрессии без учета свойств материала в неводонасыщенной области

 

Положение расчетной кривой депрессии на разрезе слагающего склон материала, полученное без учета свойств грунта в неводонасыщенной области (без учета Unsaturated Property) и приведенное на рисунке 16, выглядит логичным.

 

Рис. 16. Положение расчетной кривой депрессии на разрезе слагающего склон материала на начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области
Рис. 16. Положение расчетной кривой депрессии на разрезе слагающего склон материала на начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области

 

Но если оценить другие компоненты результатов для данного расчета, то ситуация будет выглядеть иначе.

На рисунке 17 показаны изополя коэффициента (степени) водонасыщения (Degree of Saturation) для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области. Ниже кривой депрессии коэффициент водонасыщения равен единице, то есть грунт считается полностью водонасыщенным, а выше этой кривой он равен нулю, то есть грунт считается полностью сухим. О таком допущении (двух крайних состояниях), уже упоминалось в самом начале.

 

Рис. 17. Изополя коэффициента водонасыщения для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области
Рис. 17. Изополя коэффициента водонасыщения для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области

 

На рисунке 18 представлены изополя объемного содержания воды (Volumetric Water Content, VWC) для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области. По всей расчетной области выше и ниже кривой депрессии объемная влажность одинакова, что также является допущением. В этом случае (если свойства грунта в ненасыщенной области не заданы) программа вычисляет объемное содержание воды исходя из значения(-й) коэффициента пористости (для демонстрационной задачи коэффициент пористости e=0,6 и VWC=e/(1+e)=0,375):

 

Рис. 18. Изополя объемного содержания воды для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области
Рис. 18. Изополя объемного содержания воды для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области

 

На рисунке 19 показаны векторы результирующих скоростей фильтрационного потока (Seepage Flow Velocity Resultant) для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области. Выше кривой депрессии имеет место движение воды, которое обусловлено наличием влаги в данной области. Это приведет к погрешности, если надо будет оценить приток/отток в рамках выполнения фильтрационных расчетов.

 

Рис. 19. Векторы результирующих скоростей фильтрационного потока для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области
Рис. 19. Векторы результирующих скоростей фильтрационного потока для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме без учета свойств грунта в неводонасыщенной области

 

Расчеты для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с определением равновесного положения кривой депрессии с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области

 

Чтобы учесть свойства грунта в неводонасыщенной области (Unsaturated Property) для той же модели однородного склона (см. рис. 15), надо воспользоваться встроенной базой данных и выбрать данные для супеси. В результате получаются зависимости коэффициента водопроницаемости (K Ratio) и объемной влажности (Water Content) от отрицательного порового давления, м (Negative Pore-Pressure Head, m), отложенного в логарифмическом масштабе (рис. 20).

 

Рис. 20. Зависимости коэффициента водопроницаемости (K Ratio) и объемной влажности (Water Content) от отрицательного порового давления, м (Negative Pore-Pressure Head, m), отложенного в логарифмическом масштабе, принятые для супеси со свойствами из встроенной базы данных
Рис. 20. Зависимости коэффициента водопроницаемости (K Ratio) и объемной влажности (Water Content) от отрицательного порового давления, м (Negative Pore-Pressure Head, m), отложенного в логарифмическом масштабе, принятые для супеси со свойствами из встроенной базы данных

 

В этом случае, с одной стороны, положение кривой депрессии (рис. 21), получается аналогичным тому, что было рассчитано без учета свойств грунта в неводонасыщенной области (см. рис. 16). Однако прочие компоненты результатов для данного расчета отличаются.

 

Рис. 21. Положение расчетной кривой депрессии на разрезе слагающего склон материала на начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области
Рис. 21. Положение расчетной кривой депрессии на разрезе слагающего склон материала на начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области

 

На рисунке 22 показаны изополя объемного содержания воды (Volumetric Water Content, VWC) для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области. Значения VWC совпадают с приведенными на графике зависимости объемной влажности от отрицательного порового давления на рисунке 20 (данные для построения этого графика можно экспортировать в файл Excel). Объемное содержание воды ниже кривой депрессии является максимальным и составляет 0,41. А, например, в левом верхнем узле выше кривой депрессии на 5 м величина VWC составляет 0,0797. Это резко отличается от представленного на рисунке 18, когда свойства грунта не учитывались.

 

Рис. 22. Изополя объемного содержания воды для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области
Рис. 22. Изополя объемного содержания воды для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области

 

На рисунке 23 представлены изополя коэффициента (степени) водонасыщения (Degree of Saturation, DS) для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области. Ниже кривой депрессии коэффициент водонасыщения равен единице, то есть грунт считается полностью водонасыщенным. А выше кривой этот коэффициент (в отличие от показанного на рисунке 17, когда свойства материала не учитывались) вычисляется исходя из:

  • объемной влажности насыщенного грунта VWCнас .= 0,41 (принятой по графику зависимости VWC от отрицательного порового давления на рис. 20);
  • минимальной объемной влажности VWCмин. = 0,065 (принятой по графику зависимости VWC от отрицательного порового давления на рис. 20);
  • текущей объемной влажности в искомом узле VWCтек. = 0,0797 (принятой по расчетной величине VWC в искомом узле на рисунке 22).

Например, в левом верхнем узле расчетной модели коэффициент водонасыщения DS составит (см. рис. 23):

DS = (VWCтек. – VWCмин.) / (VWCнас. – VWCмин.) = 0,0426.

 

Рис. 23. Изополя коэффициента водонасыщения для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области
Рис. 23. Изополя коэффициента водонасыщения для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области

 

На рисунке 24 показаны векторы результирующих скоростей фильтрационного потока (Seepage Flow Velocity Resultant) для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области. Выше кривой депрессии движения воды практически нет (что резко отличается от представленного на рисунке 19, когда свойства материала не учитывались), и это обусловлено корректным описанием свойств грунта в этой зоне.

 

Рис. 24. Векторы результирующих скоростей фильтрационного потока для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области
Рис. 24. Векторы результирующих скоростей фильтрационного потока для начальной стадии фильтрации при ее установившемся режиме с учетом свойств грунта в неводонасыщенной области

 

На рисунке 25 сопоставлены расчетные расходы грунтовой воды, которая протекает через сечение, проходящее через подошву склона, куб. м/сут (Flow Quantity). Видно, что расход при неучете свойств грунта получился завышенным (поскольку за счет некорректного учета свойств грунта в ненасыщенной области выше кривой депрессии получилось некорректное описание движения воды).

 

Рис. 25. Cопоставление расчетных расходов грунтовой воды, которая протекает через сечение, проходящее через подошву склона, куб. м/сут (Flow Quantity): слева – без учета свойств грунта в неводонасыщенной области, справа – с учетом
Рис. 25. Cопоставление расчетных расходов грунтовой воды, которая протекает через сечение, проходящее через подошву склона, куб. м/сут (Flow Quantity): слева – без учета свойств грунта в неводонасыщенной области, справа – с учетом

 

Таким образом, можно сделать вывод, что если инженера-геолога или геотехника интересует определение только расчетного положения кривой депрессии и порового давления, то учетом свойств грунта в неводонасыщенной области можно пренебречь. Но если необходимо оценить гидравлический градиент, скорость фильтрационного потока или объем притока/оттока, то задание свойств грунта в ненасыщенной области (Unsaturated Property) при решении задачи стационарной (установившейся) фильтрации является обязательным.

 

Расчет работы дренажной системы на стадии неустановившейся фильтрации с определением равновесного положения кривой депрессии в каждый момент времени без учета свойств грунта в неводонасыщенной области и с их учетом

 

Для принятой демонстрационной модели (см. рис. 15) рассмотрим вторую стадию, когда активируется дренажная система левее поперечного сечения, проходящего через бровку склона (или откоса).

В случае установившегося режима фильтрации при расчетах будет определяться новое равновесное положение кривой депрессии с учетом новых граничных условий, описывающих дренажную систему, а неучет или учет свойств грунта в неводонасыщенной области даст результаты, аналогичные таковым для первой стадии при стационарном режиме фильтрации (см. выше).

Однако в случае расчета неустановившейся фильтрации неучет и учет свойств грунта в неводонасыщенной области приведут к разным результатам, что будет показано далее.

Зададим для нестационарного расчета продолжительность фильтрации в 50 суток и оценим положение кривой депрессии на разрезе слагающего склон грунта в каждый момент времени.

На рисунке 26 показано изменение положения кривой депрессии при нестационарной фильтрации за 50 суток без учета свойств слагающего склон грунта в неводонасыщенной области. На каждом промежуточном шаге учитывается только изменение внешних граничных условий, например уровней грунтовых вод, пьезометрических напоров или заданного притока/оттока, но не учитывается движение воды во времени, и положение этой кривой практически сразу приходит к равновесному состоянию. Другими словами, положение кривой депрессии на каждом шаге будет близким к результатам расчетов, выполненных для случая установившейся фильтрации при таких же внешних граничных условиях без учета времени.

 

 

Рис. 26. Изменение положения кривой депрессии при нестационарной фильтрации за 50 суток без учета свойств слагающего склон грунта в неводонасыщенной области
Рис. 26. Изменение положения кривой депрессии при нестационарной фильтрации за 50 суток без учета свойств слагающего склон грунта в неводонасыщенной области

 

На рисунке 27 представлено изменение положения кривой депрессии при нестационарной фильтрации за 50 суток с учетом свойств слагающего склон грунта в неводонасыщенной области. Кроме изменения внешних граничных условий, например уровней грунтовых вод, пьезометрических напоров или заданного притока/оттока, учитывается еще и движение воды в грунте во времени, и положение кривой депрессии вычисляется равновесно на каждом промежуточном шаге с учетом заданных свойств грунта. Поэтому различия результатов расчетов при учете и неучете свойств грунта в неводонасыщенной области, описанные ранее для установившегося фильтрационного потока, будут справедливы и для случая нестационарной фильтрации.

 

 

Рис. 27. Изменение положения кривой депрессии при нестационарной фильтрации за 50 суток с учетом свойств слагающего склон грунта в неводонасыщенной области
Рис. 27. Изменение положения кривой депрессии при нестационарной фильтрации за 50 суток с учетом свойств слагающего склон грунта в неводонасыщенной области

 

 

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

 

Учет или неучет свойств грунта в неводонасыщенной области (Unsaturated Property) сказывается на результатах расчетов следующим образом.

1. Учет свойств грунта в неводонасыщенной области не влияет на положение кривой депрессии в задаче установившейся фильтрации. Если требуется только оценить положение кривой депрессии и получить величину порового давления воды, то в этом случае свойства грунта можно не учитывать.

2. Учет свойств грунта в неводонасыщенной области влияет на положение кривой депрессии в задаче неустановившейся фильтрации. Чтобы учесть движение воды в массиве грунта во времени, в этом случае учет свойств грунта обязателен.

3. Без учета свойств грунта в неводонасыщенной области коэффициент водонасыщения ниже кривой депрессии равен единице, то есть грунт считается полностью водонасыщенным, а выше этой кривой он равен нулю, то есть грунт считается полностью сухим. В случае учета свойств грунта в неводонасыщенной области коэффициент водонасыщения ниже кривой депрессии равен единице, то есть грунт считается полностью водонасыщенным, а выше этой кривой данный коэффициент вычисляется исходя из значений объемного содержания воды (объемной влажности).

4. Без учета свойств грунта в неводонасыщенной области значение объемной влажности по всей расчетной области выше и ниже кривой депрессии одинаковое и вычисляется по значению коэффициента пористости. В случае учета свойств грунта в неводонасыщенной области значения объемной влажности принимаются по графику зависимости «объемная влажность – отрицательное поровое давление» (Water Content – Negative Pore Pressure Head).

5. Без учета свойств грунта в неводонасыщенной области имеет место движение воды выше кривой депрессии, что приводит к погрешности при оценке объема притока/оттока в рамках выполнения фильтрационного расчета.

 

Результаты фильтрационных расчетов могут быть перенесены в расчеты напряженно-деформированного состояния, устойчивости (то есть могут выполняться совмещенные вычисления). Поэтому фильтрационные расчеты должны быть выполнены корректно, для чего необходимо задать свойства грунта в неводонасыщенной области.

Свойства грунта в неводонасыщенной области часто необходимо учитывать и для решения задач консолидации.

Для анализа состояния и поведения грунта и влияния на него содержания и движения воды хорошо подходят расчетные комплексы midas GTS NX и midas FEA NX. Они обладают универсальными средствами и инструментами, имеющими множество настроек и режимов, выбор которых (и их сочетаний) определяет пользователь в зависимости от поставленных целей. При задании свойств грунта в неводонасыщенной области (Unsaturated Property) можно более достоверно оценить и учесть поведение слагающего грунтовый массив материала.


Источник

Механика грунтов насыщенной и неводонасыщенной области грунта // Midasoft.ru. СКАЧАТЬ

 

 

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению