数值计算方法在土力学中的应用

田源

（贵州电子信息职业技术学院，贵州 凯里　556000）

数值计算方法在土力学中的应用

田源

（贵州电子信息职业技术学院，贵州 凯里556000）

随着土木工程的研究不断完善，数值计算方法也随之加强。数值计算最早的领域是通过计算机来实现的。通过数字计算机中对某个工程的数值计算。了解土的性质与土壤渗透系数以及有效的利用原理和渗透力，可以有效地打造最坚固的地基，以及有效的生产农业化。

数值计算；土力学；渗透系数；渗透实验

1　数值计算概念和应用

数值计算是一种运用数字计算机来对某一工程或某一领域的深度研究物体进行数值转化计算求近似解的过程及方法。由相关理论的构成中主要研究的方向是：对某个数学模型及相关论述进行研究求近似解，并给出相对完善相对接近最终真理的数据结果。但是，数值计算的特点之一就是离散性，也就是不能给出完全准确性的答案，由于实验方法不够完善，实验的结果是通过计算数值来实现的所以难免会出现误差，而误差的大小也很难判断。所以，在运用数值计算的过程中，尽量将实验的方案做到各方面完善来减少最终数据的误差。

数值计算涉及到方方面面，生活中也在运用。但是，最早的领域是在计算机技术的兴起时期。而计算机正在改变着传统的生活方式及工作方式。所设计的领域有科学计算、数据处理、辅助技术、过程控制、人工智能、网络应用、而科学计算是最直观的数值计算的应用。利用计算机来完成科学实验研究计算与工程技术所提出的相关的复杂性数学问题，它能够快速而准确地进行计算，为实验研究做出了相当大的贡献。

2　数值计算在土力工程中的应用介绍

（1）实验描述。首先研究的目的是了解土力学中通过数字计算的方法来了解土壤的渗透性，主要掌握常水头以及变水头的实验方法及原理，来了解和解析土壤的渗透力度的最终结果。通过实验的整个过程来了解土力学中渗透实验的原理。在实验中有很多值得注意的地方，比如土壤渗透物理性质与其他物理性质的变化范围就很大，甚至两者相差十几倍以上，所以测定实验就不能完全靠一种或两种方法来完全得出结论。在进行选择性实验设计时，测定渗透系数一种是直接测定其流量，还有一种就是参考其他实验资料进行实验指标的推算。当然这些方法都要经过周密的考量以后才可实行，以免造成过大的离散性。

（2）词汇解析。什么是渗流模型呢？渗流模型就是由于实验颗粒间流通缝隙的不确定因素的影响，从而假定一个或多个主体来帮助实验进度的可行性。因为在实验的过程中土壤颗粒大小形状不均匀而导致其之间的流通缝隙不同，因此要进行观察土壤颗粒流动的主要轨迹路线，进行假想为土体渗流。将其称为渗流模型。

方程式：N=△A/A=V/Vo

式中：N为一般情况下，无特殊说明，均只渗流模型的平均流速；A为实验设计中，所设过水断面面积；V为所设流速；Vo为真实流速。

土层流渗透定律，业内称为达西定律。它是法国的一位学者（H.Darcy）根据砂土测定的实验结果所得出的，是指水在土壤中的渗流速度与水梯度成正比。即反映水在岩土空隙中水的渗流规律的实验定律。使用条件是岩土间的渗流系数必须是已知或者固定的参数，能够用于测量环境地下水流的渗透状态。因为达西定律是将整个渗流断面看成是没有土壤。

方程式：V=K*△h/L=ki

式中：V为断面平均渗透速度，在单位时间内通过与渗流的方向成直角的单位截面乘积的水量；K为土壤的渗透系数；L为土壤渗流的长度单位，也叫渗径；I为表示土中渗透推动力的大小。I=△h/L

水头其实是水的压力的专业术语。而伴随水压也有常水头与变水头，也就是相同高度水压和不同高度下的水压测定。成层土是渗透性不同的层土所形成的沉积土渗透的系数。

（3）阐述影响土壤渗透的因素。在一项实验中，如不周全的考虑到能够影响实验的一些因素，有可能就会造成实验数据的偏差度过大，从而导致实验的失败。在本次实验中，影响土的渗透性有五个方面。①土的矿物成分以及粒度成分：土的颗粒大小、均匀度，以及形状和不同成分都会影响土空隙间的轨迹没有规律，因而影响土的渗透性。②结合水膜的厚度：黏性土中土颗粒在结合水膜的厚度也会影响土的渗透性。③土的结构构造：土颗粒的结构构造不同是只在渗透系数的方向不同。竖直方向或是水平方向都会影响土的渗透性。④水的黏滞度：土的渗透性与水的密度以及黏度有关，而这两种又与温度有关，所以温度的把握尤为重要，否则偏差度就会增大。⑤土中气体：土中的缝隙间有大量的气体，会阻塞水的渗流从而影响流速。

3　渗透实验方法

本次实验根据不同的土质情况分别采用常水头和变水头两种形式实验测定土的渗透系数。而土的渗透系数变化范围很大，可通常为10-1～10-8cm/s。因此常水头是采用粗粒土渗透系数测定，变水头采用细粒土渗透系数来测定。而这里只进行详细描述常水头的实验过程，并进行计算。后续还可进行加荷渗透法也就是增加渗透压的方法来加快渗透系数的测定。

（1）设备仪器。常水头渗透装置；70型渗透仪（①有底金属圆筒高40cm，直径10cm。②金属孔板，放在距离筒底5～10cm处。③测压孔3个中心距10cm，并与筒壁连接处有筛布。④玻璃测压管，内径0.8cm左右，用橡皮管和测压孔连接固定在直立的木板上面。三管的零点必须持平，旁有毫米尺来定水头）容积5000mL的供水瓶；容量500mL的量杯；刻度0～50℃、精度0.5℃的温度计；秒表；水质或金属击棒；其他、橡皮管、支架、管夹等等。

（2）实验步骤。为方便大家理解阅读，所有连接处于装置均采用序号进行记数。①砾石层；②试样；③温度计；④量杯；⑤止水夹；⑥供水管；⑦容量5000mL供水管；⑧滑动支架；⑨调节管；⑩渗水孔；⑪溢水孔；⑫玻璃测压管；⑬测压；⑭金属孔板；⑮试样筒。将9调节管与6供水管连通，让水流于仪器的底部并与网格持平后关闭5止水夹。接着称量风干试样准确到1g并测定其含水量，在将其置于金属筒的网格上且每层的厚度在2～3cm之间。用击棒捣实来控制孔隙比。考虑如试样黏土颗粒较多就必须在装试样前在网格上加厚2cm来防止细颗粒被水冲走。等到每层的试样装好后，慢慢开启5止水夹，让水顺着试样换换向上渗透，待其饱和后关闭5（其中注意的要点就是不要让水超过砾面，必须缓慢进行防止试样的流动）。同时注意12测压管中的水流情况，如发现弯曲部分有气泡，必须挤压测压控及12的橡皮管用橡皮吸球进行抽吸，保证实验额顺利进行。待分成试样饱和以后（试样表面测压孔高出3～4cm），并检查三根测压管水头是否持平。接着测量试样面与筒顶的剩余部分的高度，并减去网格与筒顶高度所得高度h。剩余质量进行称量得0.1g，计算所装的试样的质量并在试样上再加2cm左右的砾石面关闭5装置。9在8上移动让管孔高于11，关闭5，并将7与9分开，在放与圆筒的顶端，打开5直至水面与11齐平为止。直到水面齐平11溢水孔为止（多余水会从11流出）。

在监测测压管时发现不持平，这说明有漏水或者集气现象，必须较正。接着开始试验，进行降低9调节管位于试样的三分之一出，当产生水头差后进行实验记录，并等到水渗过试样从9流出，使圆筒中的水面保持平衡状态。此时测压管的水头稳定后开始测定，并计算测压管之间的水位差度。测定完毕后，接着开启秒表，在9调节管不没入水中的前提下，用量杯4接取9中的渗透水样进行测量。重复一次。开始测定进水量与出水量并进行渗透压力计算，并取平均值。然后再进行改变水力坡度（降低9到试样高度直到三分之一处），从计数开始，在重新试样一次并记录。

（3）计算结果。试样干密度及孔隙比计算公式：

mo=m/1+0.01ω

ρo=mo/Ah

e=Gsρω/ρo-1

式中：mo为试样干质量；m为风干试样总质量；ω为风干含水量；h为试样高度；e为试样孔隙比；Gs为土粒比重；A为试样断面面积；ρ为试样干密度。

常水头渗透系数计算公式：Kt=QL/AHt

式中：Kt为水温t℃时的试样渗透系数；Q为时间t秒内的渗透水量；L为两侧压孔间试样的长度：L=10cm；A为试样断面面积；H为平均水头差；t为时间。

水温为20℃的渗透系数：K2o=Kt*ηt/η2°

式中：K2°为水温20℃的渗透系数；Kt为水温t℃的渗透系数；ηt为t℃的动力黏滞系数；η2°为水温20℃的动力黏滞系数。

4　实验综述

由此试样可以观察并计算出水的渗透范围，在此实验中，水的渗透系数范围波动不是很大，但在变水头实验中，水的渗透系数的范围差度就相当大了。当然所有实验结论仅依据本次实验而定论的。仅供参考使用。

5　结语

在数值计算中首先要对某个相关问题研究进行实验设计并操作，然后根据实验结果在计算机中进行计算并比对实验结果。而土力学就是根据数值计算的这一特性来对地基的防震、防洪进行测定计算后，找到最有效的稳固建设方法，使地基更加牢固坚韧。

［1］孟云梅，曹云，张德恒，等.土力学实验［M］.北京：北京大学出版社出版，2014.

［2］朱长青.数值计算方法［M］.北京：科学出版社出版，2005.

［3］韩建刚，吕秀杰，李巨文，等.土力学与基础工程［M］.重庆：重庆大学出版社出版，2014.

Application of Numerical Calculation Method in Soil Mechanics

TIAN Yuan
（Guizhou Electronic Information Vocational Technology College，Kaili，Guizhou 556000，China）

With the constantly improved civil engineering research，numerical calculation method has been strengthened.numerical calculation is one of the earliest field realized by computer.Calculatingnumerically a projectthrough the digital computer and understanding the nature of the soil and soil permeability coefficient and effective use of principles and penetrationcan effectively build the solid foundation and effective agricultural production.

numerical simulation；soil mechanics；permeability coefficient；permeation experiment

TU43

A

2095-980X（2016）07-0168-02

2016-06-04

田源（1978-），男，贵州黄平人，硕士，讲师，主要研究方向：岩土工程。