岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (1): 119-126.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0685

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于最小作用原理的Richards方程变分解

朱悦璐1,陈磊2   

  1. 1. 南昌工程学院 水利与生态工程学院,江西 南昌 330099;2. 西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048
  • 收稿日期:2021-05-07 修回日期:2021-09-09 出版日期:2022-01-10 发布日期:2022-01-06
  • 通讯作者: 陈磊,男,1993年生,博士研究生,主要从事水文学方向的研究。E-mail: ahchchenlei@163.com E-mail:zhuyuelu@nit.edu.cn
  • 作者简介:朱悦璐,男,1984年生,博士,讲师,主要从事水文与水资源、边坡稳定方向的研究。
  • 基金资助:
    江西省科技厅自然科学基金资助项目(No. 20202BABL204066);国家重点研发计划项目(No. 2017YFC1502701)

Variational decomposition of Richards equation based on the minimum action principle

ZHU Yue -lu1, CHEN Lei2   

  1. 1. College of Water Conservancy and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang, Jiangxi 330099, China; 2. State Key Laboratory of Eco-Hydraulics in Northwest Arid Area, Xi’an University of Technology, Xi’an, Shaanxi 710048, China
  • Received:2021-05-07 Revised:2021-09-09 Online:2022-01-10 Published:2022-01-06
  • Supported by:
    This work was supported by the Natural Science Foundation of Jiangxi Provincial Department of Science and Technology (20202BABL204066) and the National Key R & D Projects (2017YFC1502701).

摘要: 经典的Richards入渗控制方程属于偏微分方程,具有强烈的非线性,难以求得解析解。以入渗时间为最小作用量,基于Richards方程建立关于入渗路径的时间泛函,将考虑重力项的非饱和土垂直入渗问题转化为泛函极值问题,并构造等价的Euler-Lagrange方程进行求解。计算结果表明,扩散系数D(?)与概化湿润锋距离具有函数关系,当扩散系数D(?)形式已知时,可求得最优路径下湿润锋处含水率、较远处湿润锋最小含水率、土壤含水率最大熵分布3个问题,并基于最优路径检验了本研究条件下,Boltzmann变换和线性变换求解Richards方程的精度。求解过程未引进新变量化简Richards方程,不改变原方程结构,因此其解具有普遍性,可作为非饱和土力学计算的一个补充。

关键词: Richards方程, 非饱和土入渗, 泛函极值, 变分法

Abstract: The classical Richards infiltration control equation belongs to partial differential equation and is strongly nonlinear, that it is difficult to obtain analytical solution. In this study, taking infiltration time as the minimum action, the time functional of infiltration path was established based on Richards equation to transform the vertical infiltration problem of unsaturated soil considering gravity into functional extremum problem, which was solved through the constructed equivalent Euler-Lagrange equation. The calculation results reveal a functional relationship of the diffusion coefficient D (? ) with the distance of the generalized wetting front. Three solutions can be found when the form of diffusion coefficient D (? ) is known: the moisture content at the wetting front under the optimal path, the minimum moisture content at the distant wetting front and the maximum entropy distribution of soil moisture content. Meanwhile, the accuracy of solving Richards equation by Boltzmann transformation and linear transformation is tested by examples. In the solving process, there is no new variable introduced to simplify the Richards equation, and the structure of the original equation remains, so that the solution is universal and can be used as a supplement to the mechanical calculation of unsaturated soil.

Key words: Richards equation, unsaturated soil infiltration, functional extremum, variational method

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[1] 朱帅润, 吴礼舟, . 加速型改进迭代法在非饱和土渗流中的应用研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(3): 697-707.
[2] 周航, 李籼橙, 刘汉龙, 王增亮, . 均质土中竖向受荷X形混凝土桩的三维弹性变分解[J]. 岩土力学, 2021, 42(4): 1012-1024.
[3] 杨亮, 杨永涛, 郑宏, . 相场数值流形法模拟岩石裂纹扩展[J]. 岩土力学, 2021, 42(12): 3419-3427.
[4] 李纪伟, 林法力, 韦昌富, 汪华斌, 陈盼, 朱赞成, 刘子振, . 非饱和土中水平入渗方程显式求解[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 203-210.
[5] 陈建功, 杨扬, 陈彦含, 陈小兵. 考虑抗拉强度的黏性填土挡土墙主动土压力计算[J]. 岩土力学, 2020, 41(6): 1829-1835.
[6] 年庚乾, 陈忠辉, 张凌凡, 包敏, 周子涵. 边坡降雨入渗问题中两种边界条件的 处理及应用[J]. 岩土力学, 2020, 41(12): 4105-4115.
[7] 陈建功, 李 会, 贺自勇, . 基于变分法的均质土坡稳定性分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 2931-2937.
[8] 刘 杰,姚海林,卢 正,胡梦玲,董启朋. 非饱和土路基毛细作用的数值与解析方法研究[J]. , 2013, 34(S2): 421-427.
[9] 陈 曦 ,于玉贞 ,程勇刚 . 非饱和渗流Richards方程数值求解的欠松弛方法[J]. , 2012, 33(S1): 237-243.
[10] 雷国辉 ,詹金林 ,洪 鑫 ,施建勇 . 水平受荷壁板桩群桩的变分法分析[J]. , 2008, 29(2): 303-309.
[11] 韩昌瑞,白世伟,张 波. 正交各向异性岩体钻孔周围应力分布的应力变分法分析[J]. , 2007, 28(12): 2593-2597.
[12] 雷国辉,詹金林,洪 鑫. 壁板桩群桩竖直荷载沉降关系的变分法分析[J]. , 2007, 28(10): 2071-2076.
[13] 许锡昌,陈善雄,徐海滨. 对挡墙后无粘性填土中破裂面的研究[J]. , 2005, 26(S2): 91-94.
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[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .
[10] 马 亢,徐 进,吴赛钢,张爱辉. 公路隧道局部塌方洞段的围岩稳定性评价[J]. , 2009, 30(10): 2955 -2960 .