黏性浆液在小孔隙多孔介质中扩散的流固耦合分析

该文基于有效应力原理建立了描述黏性浆液在小孔隙多孔介质中扩散的流固耦合模型.通过对小孔隙多孔介质注浆过程中的浆液渗流场分布与固体骨架的应力应变特性的流固耦合分析,得到了各动态参数如孔隙率、应变率等的相互关系并在施工现场进行了试验.经过与施工现场试验数据对比,得到的数值分析结果与试验结果基本一致,验证了该流固耦合模型运用于注浆工程的可行性与实用性,可作为小孔隙多孔介质地层防渗注浆设计和注浆效果的初步评判.     

流固耦合对深覆盖层内防渗墙应力变形的影响

深厚覆盖层为多孔岩土介质,应力场与渗流场相互作用,存在流固耦合效应.基于比奥固结理论,建立了渗流场与应力场耦合的数学模型;计算分析了某闸坝工程深厚覆盖层基础内防渗墙的应力变形.研究结果表明,考虑流固耦合效应的防渗墙应力变形比不考虑流固耦合效应的要小.     

软弱土质劈裂注浆扩散机制

文章参照土体应力场与浆液流场的耦合作用,基于注浆劈裂扩散集约模型,对水利施工软弱土质劈裂注浆的扩散机制展开专题研究,分析获得注浆劈裂扩散的一般规律和重点技术参数,为水利软弱土质劈裂注浆施工应用提供研究参考,同时也探索出了可有效确定加固半径与注浆参数的策略。     

饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型

将基于多孔介质的有效应力原理引入流固耦合渗流中，并根据平衡条件得出了应力场方程；充分分析流固耦合渗流的物理特性，建立起孔隙度和渗透率动态模型；依据流体力学连续性方程，考虑流固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性，得到了孔隙流体的连续性方程，即渗流场方程。在以上诸方程的基础上辅助以定解条件，建立起了完备的饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型。本文还对模型进行了简化分析，并与经典一维固结理论作定性对比，分析表明，经典的固结理论可认为是本文模型的一种简化。进一步的算例求解和验证工作正在进行中。     

考虑流固耦合的复杂坝基土石坝稳定性分析

土石坝蓄水后存在渗流场与应力场的耦合效应,若简单将应力场和变形场分开考虑,其计算结果与实际情况相差较大,难以反映工程实际情况。采用大型三维有限差分软件建立复杂坝基的土石坝模型,并分别进行不同库水位下考虑流固耦合和未考虑流固耦合的坝体渗流和稳定性计算,分析流固耦合对土石坝稳定安全系数、最大沉降量以及最大拉应力的影响。结果表明,坝体蓄水后其应力场与渗流场耦合作用是不可忽视的,考虑流固耦合的土石坝更不安全。     

非饱和多孔介质应力渗流耦合分析研究

非饱和多孔介质进行应力场渗流场耦合分析时引入多孔介质有效应力原理,探究有效应力参数的确定。根据弹塑性理论,得到应力平衡方程,继而得到应力场方程。根据孔隙介质的连续性方程,得到渗流场方程。在以上控制方程组的基础上,加上定解条件,建立完整的非饱和多孔介质应力场渗流场耦合分析数学模型。通过土石坝的案例分析,得到数学模型在工程应用中的合理性。     

基于离散元模拟的黏土劈裂注浆扩散特性

为从细观角度研究劈裂注浆对富含黏土隧洞的加固效果,依托滇中引水工程伍庄村隧洞进口段,采用离散元软件PFC^2D,基于离散元流固耦合理论、平板窄缝流动模型与Fish语言的二次开发,实现了注浆过程中浆液和土体颗粒的相互作用,建立了颗粒流劈裂注浆数值模型。研究了注浆时步、注浆压力、颗粒粒径比及黏结强度对浆液扩散半径及土体孔隙率的影响。结果表明:注浆压力是影响土体加固效果的主控因素,随着注浆压力的增大,浆液扩散半径不断扩大,孔隙率持续增加,与注浆孔距离越远,对孔隙率影响越小,存在最优注浆压力。土体细观参数对注浆后宏观力学特性有较为明显的影响,随颗粒粒径比和黏结强度的增大,浆液扩散半径及孔隙率明显减小。将数值模拟结果与室内模型试验结果对比,发现二者趋势吻合较好,与实际相符,验证了所建立的注浆数值模型的正确性。     

基于CW环氧浆液流变性的注浆扩散理论研究

为建立更符合实际的化学注浆扩散模型,针对CW环氧浆液的流变性能进行了多组黏度时变性试验研究,结果表明温度不变时各种配比浆液的黏度和时间存在一定的指数函数关系。结合球形、柱形注浆扩散理论,对环氧浆液的注浆量和注浆扩散半径公式进行了时变性优化。通过分析优化公式,显示环氧浆液在渗透过程中呈减速运动;当各种环境系数保持不变时,注浆最大注浆量和最大扩散半径取决于黏度与时间函数关系中参数的乘积。对比了各组环氧浆液的函数参数乘积,得到黏度增长较慢的浆液具有更好的注浆扩散能力。     

裂隙岩体渗流场与应力场的耦合数值分析

裂隙岩体渗流场与应力场耦合是一个复杂的地质问题.本文基于裂隙-空隙双重连续介质对裂隙岩体渗流场与应力场进行耦合分析,推导建立了数学模型,并将该模型用于实际边坡工程的岩体裂隙进行数值模拟,分别对不考虑应力影响下的渗流场和不考虑渗流影响下的应力场以及两场相互耦合时的稳定性进行了研究,由于耦合作用下与任意单场作用下相比差异较大,因此考虑岩体裂隙多场耦合作用是必要的也是符合事实的[1].     

坝址温度场与变物性渗流场全耦合分析

在只考虑流体性质受温度的影响条件下,根据多孔介质渗透系数与温度之间存在的线性关系,利用相关数据,分析了渗流场对温度较为敏感的敏感性。从温度变化引起水的密度和黏度的变化来考虑温度场对渗流场的影响,建立了温度场和变物性渗流场的瞬态全耦合数学模型,并初步探讨了这种全耦合模型的求解思路。采用FEMLAB软件,在原有模型的基础上做了二次开发,从而实现了该全耦合问题的有限元求解。通过工程实例,对所建的坝址温度场与变物性渗流场全耦合模型做了数值验证。计算结果表明,采用全耦合模型求解渗流问题时,坝址区温度升高,渗流流速普遍降低;温度场变动比较小,而渗流场变动相对大一些。     

千米立井动水注浆特性研究

壁后注浆是治理煤矿立井突水最行之有效的手段,而注浆的最主要对象就是壁后岩层中的裂隙,为研究岩层裂隙中浆液的扩散规律,根据牛顿摩擦阻力定律及力的平衡定律推导出裂隙动水注浆模型。分析研究了水流对浆液扩散的影响,分别得出了顺水流方向与逆水方向浆液的扩散模型,通过模型得知顺水水流有利于提高注浆效果,逆水水流对浆液扩散半径的影响程度比顺水水流大,得出不同水流方向条件下浆液的扩散半径与注浆压力之间的关系及扩散半径与注浆时间的关系。     

速凝浆液岩体倾斜裂隙注浆扩散模型研究

针对以往渗透注浆扩散模型常以水平平板裂隙面为前提,未考虑岩体裂隙面产状对注浆扩散机制的影响问题,选取工程地质灾害处理中常用的水泥-水玻璃双浆液(C-S浆液)为速凝类注浆材料,将C-S浆液流型看成是具有黏度时变性的宾汉流体进行分析。基于流体力学理论及粗糙裂隙等效水力开度的确定方法,同时考虑了浆液自重作用的影响,建立了恒速率注浆条件下反映浆液黏度时空变化的倾斜裂隙注浆扩散模型。在此基础上,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,定量确定了注浆压力与注浆时间及浆液扩散距离的关系。最后,借助于室内试验和有限元分析程序,研究了恒速率注浆时不同裂隙面产状下的浆液扩散规律,并将数值模拟结果与理论计算值进行对比,进一步验证了所建立的注浆扩散模型的有效性和合理性。研究成果可为注浆工程速凝类浆液注浆参数的确定提供借鉴。     

基于非均质地层模型的桩基注浆数值模拟

桩周后注浆技术是提高桩基承载力的重要措施。结合某工程勘察获得的场地土层物理参数,基于随机分形方法,运用Diamond-Square算法构建随机非均质地层模型;考虑桩基周围注浆过程中土层孔隙率、渗透率以及其他参数的动态变化过程,结合流体运动方程进行数值模拟。分析注浆过程中桩基周围土层物理参数的实时动态变化,获得浆液扩散及结石体的不规则分布情况;注浆后桩侧和桩端周围土体、结石体力学特性显著改善,桩周注浆加固效果明显。基于非均质地层模型开展注浆数值模拟计算,可以指导和评价桩周注浆加固过程。     

基于LBM工作面瓦斯涌出仿真实现

为了掌握瓦斯在煤层中运移并涌出后在工作面扩散的规律,提出了对工作面瓦斯涌出进行仿真的方法.由于煤层流场是由多孔介质组成的空间,瓦斯在煤层中的运移属于渗流运动,而工作面空间为非多孔介质空间,瓦斯在工作面的扩散属于紊流运动,因此本方法基于双分布速度-浓度格子Boltzmann模型,分别建立了瓦斯在煤层中运移和涌出后在工作面扩散的LBM模型,并采用分块耦合算法,实现了煤层流场和工作面瓦斯流场的耦合.该模型结合生产过程中经常使用的U型通风系统,对瓦斯在煤层中的运移和瓦斯涌出后在工作面的扩散流动进行了模拟.通过模拟可直观地观察瓦斯涌出后在工作面的分布,并得出工作面瓦斯涌出规律,这为进一步探讨煤与瓦斯两相耦合机制、煤与瓦斯突出机制及瓦斯抽放方案的设计提供新的思路.     

黏土水泥膏浆流变性能及其对灌浆的影响

黏土水泥膏浆性能优越,可广泛用于土木、水利等工程的防渗堵漏和基础加固,其流变性能对灌浆工程施工及灌浆效果有重要影响。利用Brookfield+R/S流变仪对其流变参数进行测试,研究固化剂掺量、温度及时间等因素对流变性能的影响。结果表明:膏浆的黏度及屈服应力均随时间增大;固化剂掺量为水泥质量的1.0%左右时的膏浆为Herschel-Bulkey流体,并且具有触变性,防渗堵漏效果最佳;温度在5～40 ℃之间,温度影响膏浆的黏度及屈服应力,但不影响膏浆的流型,温度越高,黏度越大,28 ℃下的屈服应力最大。室内灌浆模拟试验及抗冲试验,证明其扩散距离可控,抗水冲释性能强,与纯水泥膏浆相比,初始屈服应力及黏度更大,触变性可控,浆体的稳定性更好。黏土水泥膏浆是含水及大孔隙地层、松软地层等复杂地层灌浆防渗堵漏的优选材料。     

管线渗漏引发地面塌陷的DEM-CFD耦合数值模拟

基于流固双向耦合原理,在离散元软件PFC3D基础上使用DEM(离散元)与CFD(计算流体动力学)耦合模块,考虑流体高速渗流时的流体压力梯度力对流固耦合过程的影响,建立了土颗粒与流体双向耦合作用下的细观数值模拟力学模型,针对渗流发生和发展过程中土体力学性能和水力性质进行了研究,从而定性地揭示了地表塌陷过程的演化规律与灾变机理。结果表明,流体高速渗流时,流体压力梯度力数值大于拖曳力,且土颗粒半径越大,流体压力梯度力越大;地表塌陷过程中土体塌陷模式呈圆锥形变化。     

变态混凝土成孔注浆浆液扩散研究

为探究变态混凝土注浆浆液扩散情况,根据变态混凝土注浆的特点,建立注浆模型,分析影响注浆效果的主要因素,根据注浆扩散试验结果,用多元回归分析各个试验因素对试验结果的影响,得出各个参数之间的定量关系式。通过对公式中的自变量和因变量的相关系数分析,可知注浆扩散情况与受注介质的注浆压力、单孔注浆量以及浆液的水胶比具有较强的相关性。该研究所得公式可以指导变态混凝土注浆施工,优化变态混凝土注浆施工工艺。     

砂砾石土灌浆浆液扩散半径试验研究

砂砾石层灌浆施工中,水泥浆液的扩散半径决定着灌浆孔的布置和浆液消耗量,也是选择工艺参数、评价灌浆效果的重要依据,因此,水泥浆液的扩散半径是灌浆施工中非常重要的参数。通过设计正交试验,对影响水泥浆液扩散半径的几个因素(水灰比、孔隙比、灌浆压力)进行了试验研究。试验结果表明:水灰比是影响水泥浆液扩散半径最显著的因素,水泥浆液的水灰比越大,浆液中的多余水分越多,对水泥浆液流动性能的改善越显著。     

基于流固耦合试验的k-n表达式探讨

k-n关系是岩土工程流固耦合分析计算中的一个关键表达式,常规的室内渗透试验由于没有考虑到渗流过程中的流固耦合效应,因而得到的k-n关系与实际情况有偏差。为得到更精确的k-n关系,采用自主研发的SRS-1型渗流和蠕变耦合试验仪开展了各种不同固结压力下的三轴流固耦合试验,获得了渗流过程中土样孔隙率随时间的变化曲线,拟合得到了考虑流固耦合与不考虑流固耦合的k-n表达式,并对考虑流固耦合、不考虑流固耦合及Kozeny-Caman经验公式给出的3种k-n表达式进行了对比分析。将3种表达式分别用于考虑流固耦合效应的一维饱和地基固结的数值模拟,将计算结果与非流固耦合方法计算结果进行比较。结果表明:渗流过程中土的孔隙率是动态变化的,为得到更精确的k-n关系,应考虑渗流过程中的流固耦合效应;工程中的土体固结问题实际是一个流固耦合问题,不能按非流固耦合方法计算,否则产生的误差非常大;当前流固耦合数值模拟中被广泛使用的Kozeny-Caman经验公式不能很好地反映黏土k-n的关系,在数值计算中造成的误差非常大,因此不建议使用;为了提高数值模拟结果的准确性,建议采用考虑流固耦合效应的k-n表达式。