مروری بر رویکردهای مختلف در مدل‌سازی تحلیلی منحنی نگه‌داشت آب خاک

منحنی نگهداشت آب خاک رابطه‌ی میان رطوبت خاک و مکش را تبیین می‌کند و کاربرد زیادی در مسائلی از قبیل پیش‌بینی مقاومت برشی یا تحلیل جریان دوفازه و پایداری شیروانی‌ها دارد. دسته‌ی منحنی‌های نگهداشت برای یک خاک با پارامترهای حالت مشخص، به دو منحنی مرزی خشک‌شدگی و تر شدگی محاط شده است و در نتیجه، مشخصه‌بندی این دو منحنی و متعاقباً پدیده‌ی هیسترزیس هیدرولیکی از اهمیت بسزایی برخوردار است. اندازه‌گیری مستقیم منحنی نگهداشت نیازمند تجهیزات پیشرفته و تخصص بالاست و خروجی آزمایش‌ها به صورت گسسته و محدود است که امکان استفاده‌ی مستقیم از آن در شبیه‌سازی‌های عددی را سلب و مدل‌سازی تحلیل را اجتناب‌ناپذیر می‌کند. بنابراین هدف اصلی این مقاله، مروری جامع بر رویکردهای مختلف مدل‌سازی تحلیلی موجود و طبقه‌بندی آنها در قالب هفت گروه است. پس از ارائه‌ی چارچوب نظری هر رویکرد و بحث بر روی نقاط قوت و ضعف آن، چالش‌های پیش روی مدل‌سازی در پژوهش‌های آتی پیشنهاد می‌شود.

A review of different approaches to analytical‌ modeling of soilwater retention curves

Soilwater retention curve describes the relationship between soil suction and soil water content. It has a wide range of applications from the predication of unsaturated shear strength to transient twophase flow and stability analyses. All physically possible sets of retention curves for a soil with specified state parameters are bounded by the two main drying and wetting curves corresponding to the upper and lower bounds, respectively. As a result, the characterization of these two boundary curves as well as the hydraulic hysteresis is of great importance in problems related to both geoenvironmental and hydrogeological fields of research. However, direct measurement of the soilwater retention curve requires advanced laboratory equipment and high expertise. In addition, the experimental output has discrete nature and is usually limited to low suction ranges compared with the theoretical full range. In other words, direct incorporation of experimental data to numerical flow and stability analysis becomes impossible; thus, continuous mathematical modeling is inevitable. Consequently, there has always been great interest in the analytical modeling of soilwater retention curves. No thorough study can be found in the literature so far to collect and revisit the pros and cons of various analytical modeling approaches to simulation of this key hydromechanical feature. Therefore, the main objective of the current study is to provide a comprehensive review of all available modeling philosophies with emphasis the capabilities and fundamental limitations of each approach. The paper is especially distinctive in classifying all current approaches under seven categories and in providing insights into the general framework of each one. Eventually, a discussion, highlighting the shortcomings and essential modelling needs, is provided to shed light on potential research directions in future.