论文摘要
天然土层和土工构筑物中广泛存在着断级配土,例如,河流沉积的砂砾土、土石坝反滤层与防渗体构成的滤层-土基系统以及油气开采时砾石防砂层与储层砂构成的滤层-土基系统。在渗流作用下,断级配土内部易发生细颗粒在粗骨架内的运移,引起土体细颗粒流失、优势渗流通道形成和土体强度弱化,进而诱发坝基管涌破坏、土石坝防渗体冲蚀以及砾石层防砂失效等重大工程灾害。渗流引起断级配土细颗粒运移机理涉及颗粒尺度的颗粒-颗粒相互作用以及粗骨架孔隙尺度的颗粒-流体耦合,物理试验和基于宏观本构的数值模拟难以深入理解上述细观机理。离散元（DEM）从颗粒尺度建模岩土体,基于离散元的颗粒-流体耦合分析方法为认识上述细观机理提供了有效的数值工具。然而,目前离散元中岩土颗粒细观参数的确定较为困难,现有的岩土颗粒细观参数标定方法未充分考虑细观参数之间的交互影响,导致参数标定过程需反复试错,耗时且准确性差。另一方面,现有基于离散元的颗粒-流体耦合分析方法无法兼顾流场求解尺度和耦合计算负担,限制了其在细颗粒运移模拟分析中的应用。针对上述问题,基于土工三轴试验和离散元模拟,在细观参数标定过程中考虑细观参数的交互影响。基于离散元和计算流体动力学（CFD）方法,开发在模拟渗流引起断级配土细颗粒运移时能够兼顾流场求解尺度和耦合计算负担的CFD-DEM耦合方法,并通过基于PIV分析的室内试验对其进行验证。同时,将所提出的细观参数标定方法和CFD-DEM耦合方法应用于管涌以及砾石层防砂的模拟和细观机理分析。基于上述工作,取得了如下研究成果:（1）针对带有滚动模型的Hertz-Mindlin非线性接触模型,提出了一种通过等值线图考虑细观参数交互影响的砂颗粒细观参数标定方法,避免了参数标定时的反复试错;同时,利用该方法确定了福建标准砂颗粒的细观参数。（2）采用虚区域法从粗骨架孔隙尺度精细求解骨架孔隙渗流,基于局部平均化理论,在局部平均化尺度上处理细颗粒-孔隙流体耦合以减轻计算负担,进而提出了可兼顾流场求解尺度和耦合计算负担的颗粒-流体耦合分析方法——半解流CFD-DEM耦合方法;该方法适用于粗细颗粒尺寸比大于10时渗流引起断级配土细颗粒运移的模拟分析。（3）通过对圆筒内断级配土柱管涌的模拟,论证了半解流CFD-DEM耦合方法能够克服全解流和非解流CFD-DEM耦合方法在模拟断级配土细颗粒运移时不能兼顾流场求解尺度和耦合计算负担的问题。同时,基于数值模型,揭示了土柱由局部管涌向剧烈管涌发展过程中,优势渗流通道逐渐由上至下贯穿土柱以及向土柱内部发展。（4）为了消除采用半解流CFD-DEM耦合方法时对网格细化的限制以及对粗细颗粒尺寸比的限制（即,要求尺寸比大于10）,提出了任意满足归一化和紧支性条件的权函数与半解流CFD-DEM耦合方法相结合的任意权函数框架,并基于此框架将高斯权函数与半解流CFD-DEM耦合方法相结合,进而得到了任意解流CFD-DEM耦合分析方法。通过基于PIV分析的细玻璃珠在粗骨架内运移室内试验和粗细颗粒尺寸比小于10的滤层-土基系统室内试验,分别验证了任意解流CFD-DEM耦合方法对网格细化和较小粗细颗粒尺寸比的适应性。（5）采用任意解流CFD-DEM耦合方法模拟了砾石层防砂。再现了室内试验中出砂量随砾砂中值粒径比的增大而呈指数增长的趋势,以及砾石层有效渗透系数随砾砂中值粒径比的增大而呈先增大后减小的趋势。从颗粒尺度揭示了储层砂颗粒在砾石层内的堵塞规律。随着与砾砂交界面距离的增加,砂颗粒在砾石层内分布的密集程度整体上呈减小的趋势,而局部会间隔出现相对密集和相对稀疏的分布。在砾石层孔隙尺度上揭示了储层砂堵塞引起砾石层渗透损伤的细观机理。储层砂堵塞引起堵塞区域附近的局部流速减小而压力升高,同时,堵塞处的局部压力梯度增加,导致砾石层有效渗透系数减小,即发生渗透损伤;距离砾砂交界面越近,储层砂堵塞对局部速度场和压力场的影响越明显,进而导致更严重的砾石层渗透损伤。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 程旷
导师: 杨庆,王胤
关键词: 断级配土,细颗粒运移,离散元,管涌,砾石层防砂
来源: 大连理工大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地质学,建筑科学与工程
单位: 大连理工大学
分类号: TU43
总页数: 260
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