著名的土物理学家van Genuchten入选2024年国家工程院 | 非饱和土力学SWCC

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1. 引言

2024年2月6日，美国国家工程院(NAE)宣布，2024年度NAE已选出114名新成员和21名国际成员。至此，美国会员总数达到 2310人，国际会员总数达到332人，其中巴西里约热内卢联邦大学(Federal University of Rio de Janeiro)核工程系、工程模拟与方法实验室合作教授Van Genuchten, Rien(M.Th.)入选NAE，以表彰他在饱和及非饱和土流动和传输的实验分析和模拟方面做出的贡献(For contributions to experimental analysis and modeling of flow and transport in saturated and unsaturated soil)。

2. 杰出的职业生涯

van Genuchten 是土物理学领域德高望重的人物，他在理解饱和和非饱和土的流动和传输方面做出了重大贡献，他的工作对用于预测地下水和污染物流量的模型产生了深远的影响。

了解渗流区(vadose zone)，即地下水位以上的非饱和土带水的运动对于农业、污染物输送和洪水控制至关重要。他在非饱和土中水流和溶质输运的基本理论的发展、理想化解析解的平行推导和创新数值技术的发展方面的研究被高度引用，是当今世界上首屈一指的水文学家之一。由于非饱和带的流动和输运过程具有高度非线性性质，用于分析该带的定量工具发展缓慢。van Genuchten在他职业生涯的早期阶段的科学贡献是重大突破，使非饱和带水文学进一步发展，没有它，今天的科学现状就不可能实现。

在过去的45年里，van Genuchten 在土水文学领域取得了堪称典范的职业生涯，从1978 年至 2008 年，van Genuchten是加州大学河滨分校(UCR)的研究科学家，同时也是美国美国盐度实验室的土物理学家，后来，他在巴西圣保罗州立大学环境研究中心任职，目前就职于巴西里约热内卢联邦大学。

为了表彰他的杰出贡献，van Genuchten 被授予 2023 年沃尔夫农业奖(Wolf Prize)，该奖被许多人认为相当于该领域的诺贝尔奖。

3. 对岩土工程的重大影响

van Genuchten是一位土物理学家而不是一位岩土工程师，但他的非饱和土理论SWCC对岩土工程的非饱和土力学发展产生了重大影响，其中最著名的是下面这篇论文：

van Genuchten, M.Th. (1980) A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, 44: 892–898. 这篇论文的引用次数目前已经超过3万3千次。van Genuchten目前在GeotechSet的出现篇数是289，足见其影响力之大。

van Genuchten方法内置在几乎所有的岩土工程软件中，包括：

(1) Geostudio: Slope/W, Seep/W, Vadose/W【Geostudio新增三维极限平衡软件SLOPE3D】

(2) Plaxis2D和Plaxis3D【Plaxis 2D/3D操作实战视频(Plaxis Training Videos)】

饱和土中的流动通常使用达西定律(Darcy's law)来描述，其中通过土体的水流速率与水头梯度成正比。在非饱和状态下，导水率(hydraulic conductivity)取决于土的饱和度。相对渗透率k定义为给定饱和状态下的渗透率与饱和状态下的渗透率之比：

k = k_rel/k_sat

由于非饱和带的水流取决于土饱和度，因此该区域的地下水流模拟需要一个将水力传导率与饱和度水平相关联的函数。Plaxis有五种类型的水力模型，可将水力传导率与土饱和度联系起来。

(1) Van Genuchten

(2) Mualem(简化的Van Genuchten）

(3) 线性化的Van Genuchten

(4) 样条(spline)

(5) 完全饱和(fully saturated)

对于全耦合的流动和变形分析，根据Biot固结理论，使用更通用的公式，能够同时计算饱和和非饱和土中具有时间变化边界条件的变形和地下水流。水力模型和全耦合流动变形分析的方程可以在以下研究报告中找到：《(2010) Groundwater flow, fully coupled flow deformation and undrained analyses in PLAXIS 2D and 3D (PLAXIS 2D 和 3D 中的地下水流、全耦合流动变形和不排干分析》。

(3) Plaxis LE【完了, Seequent 宣布停止销售Plaxis LE软件】

(4) FLAC2D和FLAC3D【FLAC3D 7.0 新特性简介(P4)---软件集成】

(5) Slide2和Slide3【同一模型在不同工具之间的快速转换】

Slide2内置了5种水力性质设置方法：

(a) Brooks and Corey

(b) Fredlund and Xing

(d) Simple

(e) van Genuchten

(6) RS2和RS3【地下水在岩石边坡稳定性中的考虑】

(7) OptumG2和OptumG3【塌陷载荷和边坡稳定性极限原理分析(FEM Limit Analysis)】

(8) Diana【Rocscience宣布收购有限元软件DIANA | DIANA计算流程】

(9) ZSoil【岩土应力和变形分析 ZSoil V2024】

在ZSoil V2024中，修改后的Bishop有效应力原理(该原理在ZSoil V23.50中引入)成为水-力(hydro-mechanical)分析的默认公式，它依赖于Van Genuchten土水分保持曲线(SWRC, Genuchten Soil Water Retention Curve)的完整形式；