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Wasserströmung

Mit dem Programm können Sie zwischen der Berechnung der stationären oder instationären Strömung im Massiv wählen. Die Berechnung der instationären Strömung erlaubt es, die Entwicklung der Porendrücke (Druckhöhe) und den aktuellen Sättigungsgrad über die Zeit zu bestimmen. Die Zeit, nach der sich die Porendruckverteilung nicht mehr ändert, kann als die Zeit bezeichnet werden, die erforderlich ist, um einen stationären Zustand zu erreichen. Diese Zeit hängt sowohl von den Materialeigenschaften der Umgebung (Wert des Permeabilitätskoeffizienten, Modellparameter, die die Retentionslinie beschreiben - die Abhängigkeit des Sättigungs- oder Feuchtigkeitsgrads von der negativen Druck- oder Saughöhe) als auch von der Art der Aufgabe (z. B. Durchfluss) ab. Bei einer stationären Strömung sind die einzelnen Bauphasen völlig unabhängig voneinander. Im Falle eines instationären Strömung ähnelt die Berechnungsmethode der Spannungsanalyse. Die einzelnen Berechnungsphasen folgen dann aufeinander. Die erste Phase der Berechnung ist unabhängig und dient zur Einstellung der Anfangsbedingungen, d. h. der Einstellung der anfänglichen Werte der Porendrücke / Druckhöhen und des Sättigungsgrades zu Beginn der zeitabhängigen Berechnung, sowohl in gesättigten (positive Werte der Porendrücke) als auch in teilweise gesättigten Böden (negative Werte der Porendrücke - Saugung). In den nachfolgenden Berechnungsphasen müssen die Dauer der jeweiligen Phase und die Belastungshistorie (Zeithistorie der hydraulischen Randbedingungen) eingegeben werden. Die aktuelle Programmversion geht davon aus, daß entweder die gesamte Belastung zu Beginn der Phasedauer eingetragen wird oder über die Phasedauer linear ansteigt.

In der beiden Fällen (stationäre / instationäre Strömung) ist dies im Allgemeinen eine Beschreibung der Strömung in der ungesättigten oder teilweise gesättigten Umgebung. Die Strömung in einer voll gesättigten Umgebung erfolgt nur unterhalb des Grundwasserspiegels. Oberhalb des Grundwasserspiegels (Strömung in einer teilweise gesättigten Umgebung) wird die Strömung durch ein geeignetes Materialmodell gesteuert. Für die Strömungsberechnung mit der freien Wasserfläche ermöglicht das Programm drei Materialmodelle einzuführen: das Log-Linearmodell, das Gardner-Modell und das van Genuchten-Modell. Bei der Lösung des Problems der instationären Strömung empfehlen wir die Verwendung des van Genuchten-Modell, durch dem die Retentionseigenschaften von Böden zuverlässig beschrieben werden können. Da die Wahl des Modells die Einstellung der Anfangsbedingungen (anfänglicher Sättigungsgrad) beeinflusst, kann das Materialmodell in den folgenden Schritten nicht geändert werden. Ebenso ist es in der aktuellen Version des Programms nicht möglich, die Modellgeometrie von der Anfangsphase an zu ändern.

Bei der Lösung der Aufgabe der instationären Strömung muss zunächst der Anfangswert des Porendrucks / der Druckhöhe zum Zeitpunkt t = 0 eingegeben werden, insbesondere oberhalb des Grundwasserspiegels im Bereich ungesättigter oder teilgesättigter Böden (Saugfläche). Das Programm ermöglicht die Einstellung der anfänglichen Saugwerte auf drei Arten, entweder durch Lösung der Aufgabe der stationären Strömung unter der Annahme der Gleichgewichtsverteilung, die durch die Gleichung p = -γwz gegeben ist, wobei die z-Ordinate vom aktuellen Grundwasserstand aus gemessen wird, oder es ist möglich, die anfänglichen Saugwerte direkt einzugeben. Bei der Lösung der praktischen Aufgaben empfehlen wir nicht, daß der Maximalwert der negativen Druckhöhe hp niedriger als -10m (p >-100 kPa) ist, insbesondere bei grobkörnigen Böden. Zum Beispiel für die Sande ist schon bei der Druckhöhe hp < -1m die Retentionslinie praktisch horizontal und bei massiven Änderungen der Druckhöhe ist die Änderung der Sättigungsgrad nahezu Null. Dies gilt auch für den Wert des relativen Koeffizienten Kr, um den wir den Permeabilitätskoeffizienten des ungesättigen Bodens im ungesättigten oder teilweise gesättigten Bereich verringern. Die generelle Empfehlung zur Einstellung der Mindestdruckhöhe ist jedoch sehr kompliziert, da für die feinkörnigen Böden können die negativen Druckhöhen bis zu Hunderten und für Tonen bis zu Tausenden von Metern erreicht werden.

Der nächste Punkt ist die Eingabe der Randbedingungen (in Punkten oder Linien) immer zu Beginn der neuen Berechnungsphase. Im Massiv können die Balken- bzw. die Kontaktelemente modelliert werden. Das Berechnungsergebnis ist dann die Verteilung von Porenspannungen, Gesamtdruckhöhe, Saugung (negativen Porendruck), Geschwindigkeit und die Strömungsrichtungen sowie die Informationen zur Größe der Einströmung oder Abflüsse in bzw. aus dem Massiv und im Fall der instationärer Strömung auch der Sättigungsgrad im Massiv.

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