基于管径指数分布的毛细管束模型

岩土类孔隙介质的渗透性及其随外部物理化学环境的改变而变化的性质对于各类工程而言是非常重要的,然而至今多数描述上述性质的理论多是基于唯象学观点,无法从本质上解释此类材料的渗流本质特性及其随环境而改变的性质.在前人总结的孔隙数量随孔径大小呈指数分布的基础上,在不改变函数数学特性的前提下对其进行调整,使之严格符合数学分布函数的要求,并在此基础上建立了一个用于描述孔隙介质细观渗流特征的变孔径毛细管束模型.运用该模型从理论上探讨了水温对渗流的影响、达西定律上限、超限后流量计算及孔隙率对渗流影响等问题,最后通过实例计算了孔隙介质的渗透系数和临界水力梯度,并对相关结果进行了分析.     

基于微流控芯片模型的渗流实验与数值模拟

基于微流控芯片加工技术，采用显微镜-微观模型实验装置，通过制作准二维微流控芯片模型来模拟多孔介质内部的骨架及孔隙结构，开展多孔介质渗流实验.通过测量芯片模型两端的压降并进行修正，计算芯片模型的渗透率.采用计算流体力学方法 (CFD)对渗流过程进行数值模拟，并与实验结果进行对比分析.结果表明：在相同条件下，相对于微柱方形排列的芯片模型，微柱错开排列的芯片模型在微观上表现为迂曲度增大，增大的幅值为5.1%～7.9%；在宏观上表现为流阻和压降更大，渗透率更低，降低的幅值为4.5%～7.4%.芯片模型渗透率不仅与内部孔隙通道结构和孔隙率有关，还与颗粒直径和颗粒排列方式相关.当模型孔隙率为0.327～0.900时，数值模拟方法所得的微流控芯片模型的渗透率与实验所测结果接近，误差为9.78%～28.43%. Kozeny-Carman (KC)公式不能准确预测实验结果，并且最大误差为73.97%.提出修正平行板间导管流（平板流）渗流公式预测准二维微流控芯片模型渗透率，预测渗透率曲线与数值模拟和实验数据具有很好的一致性.     

分形多孔介质的流动与传热格子Boltzmann模拟

针对多孔介质内孔隙的尺寸、分布及连通性等结构方面的复杂性和随机性,采用分形谢尔宾斯基地毯模型来实现不同孔隙率及孔隙构造,并利用双分布热耦合格子Boltzmann模型对工质的流动与传热过程进行了数值模拟。在此基础上,研究了同一孔隙结构物理模型下孔隙率和压降对渗透率的影响,探讨了同一孔隙率下压降与不同固相基质结构入口流量之间的关系,并探究了固相基质的热导率及孔隙结构在孔隙流动与传热过程所起的作用。结果显示：建立的数值计算模型能正确地描述多孔介质内的流场及温度场;不同孔隙结构及孔隙率的流线与速度云图反映了多孔介质内流线及流速的分布特征;通过增大压降及孔隙率,能够使渗透率得到提高;不同导热比及孔隙结构类型下的温度分布特征及其随时间的变化规律,能够为强化航空航天领域中相变储能材料的导热性能分析提供理论参考。     

考虑干湿循环影响的残积土μ–CT扫描与渗流模拟

花岗岩残积土广泛分布于中国东南沿海地区,其孔隙结构常因炎热多雨环境引起的干湿循环而发生扩张,改变土体的渗透性能,诱发工程事故。为了揭示干湿循环作用下花岗岩残积土细微观结构与渗透特性的演变规律,对原状样进行0到8次的脱湿–吸湿处理,开展微米计算机层析（μ–CT）扫描试验以获取土体的3维数字化模型,并结合扫描结果与AVIZO软件进行多通道渗流模拟,最后根据试验结果分别从定性和定量角度探究了土体孔隙体积分布与渗透系数的演化规律。结果表明：根据μ–CT扫描的图像结果,花岗岩残积土内部结构被划分为赤铁矿、石英、黏土和孔隙;3维重构模型反映了孔隙结构的扩张与连通模式,孔隙数量和尺寸在干湿循环过程中明显提高,孔隙率和孔隙连通率均与循环次数呈正相关;根据孔隙体积分布曲线可将土中孔隙分为微孔、中孔、大孔和裂隙4种类别,小体积微孔在干湿循环过程中逐渐转化为大体积的连通裂隙;3维渗流模型中的流线数量和分布密度随干湿循环次数增加而明显提高,由渗流模拟计算得到的绝对渗透率和渗透系数也不断增大;渗透系数的计算值总体上与实测值的演化规律相符,说明基于μ–CT扫描结果的渗流模拟可作为评价土体渗透特性的一种辅助手段。研...     

低温区孔隙混凝土细观损伤数值模拟分析

为探究孔隙混凝土在低温条件下孔隙内积留冰对其刚度下降率的影响,通过随机函数投放方法,借助MATLAB软件生成随机孔隙,随后导入ABAQUS中进行数值模拟分析;模型建立采用三因素三水平的正交试验方法,模拟不同参数的孔隙混凝土细观二维模型的破坏过程,最终得到孔径、孔隙率、温度与孔隙混凝土刚度下降率之间的损伤关系.结果表明:在低温区孔隙水冻结成冰的条件下,孔径的大小对孔隙混凝土刚度下降率影响较大,孔隙率对其影响较小,温度的影响力介于二者之间.     

饱和海床土渗流－应力耦合损伤及液化破坏规律（Ⅰ）

基于重正化群理论在临界突变问题分析中的优势和岩土体的自相似特性,从海床土微观结构入手,引入三维颗粒堆积模型来描述孔隙渗流临界行为,找到了土体渗流与临界孔隙率的关系,给出了海床介质孔隙率与渗流发生的物理判别准则。在土体二元介质理论基础上,分析了饱和海床土宏观液化与微观强度的定量关系,构建了海床土体微单元破坏的重正化群模型,并对结构面断裂损伤临界概率进行了研究。研究结果表明：海床土液化是渗流－应力耦合场共同作用的结果,微单元体断裂损伤导致液化贯通带形成,进而引起海床土的宏观液化,液化贯通带的提出对研究海床土液化破坏规律有极其重要的意义。     

孔隙结构渗透性能的数值模拟研究

以渗透系数为评价指标,利用ANSYS有限元程序模拟孔隙结构的孔隙率和平均孔径对其渗透性能的影响.通过建立渗流仿真模型计算不同孔隙率、不同孔径对应的等效渗透系数,并拟合数学表达式来分析孔隙率、孔径对孔隙结构渗透系数的影响程度.结果表明:孔隙结构的等效渗透系数与孔隙率呈线性正相关关系,与平均孔径呈二次幂函数正相关关系.     

土体SEM图像微观结构的识别和统计方法

基于图像处理软件PCAS研究了土体微观结构定量分析方法。通过阐释图像识别中阈值(T)、孔喉封闭半径(r)、最小孔隙面积(S0)以及统计参数的意义,提出了土体SEM图像处理时这些参数的选取方法。应用软件对6个粘土样品的SEM图像进行处理,采用不同r和S0,自动分析得到粘土的孔隙分布图,并得到孔隙系统的各类几何参数和统计参数,实现了对粘土微观孔隙系统的定量分析。结果表明:对于表观孔隙率较小且二值图像噪点较少的图像,采用较小的r和S0进行分析,得到的孔隙分布结果更能反映土体的微观结构;若土体表观孔隙率较大且二值图像中噪点较多,可以适当增大r和S0值进行分析。     

电渗作用下软土细观孔隙结构

软土细观孔隙结构变化是其宏观变形的根本原因。为了探索电渗中软土细观孔隙结构变化以及与宏观变形之间的关联机制,采用杭州软土开展电渗试验,监测了电渗中土体孔隙结构分布特征和含水量,从定性和定量两个方面对试验结果进行分析。研究发现,电渗过程中,粘土颗粒重新排列形成面面接触的片堆结构,土体孔隙比降低,孔隙空间形态变光滑,结构复杂性减弱。通过含水量计算所得孔隙比较实测孔隙比小,说明电渗排水量大于土体收缩量,这是因为,电渗本质为离子带动水分子的迁移,不能直接引起土骨架压缩。实际工程中,电渗法应与堆载、真空预压等联合使用。     

基于格子Boltzmann方法预测多孔介质的渗透率

多孔介质内的流动涉及许多工程应用.文章采用不可压缩的格子Boltzmann模型对多孔介质中的流场进行数值模拟,从微细尺度上得到多孔介质的结构特性及分布情况;同时,获得了多孔介质的渗透率与孔隙率近似成指数的变化关系.根据达西定律和格子Boltzmann方法进行数值模拟,成功获得多孔介质的渗透率,为有效研究孔隙尺度下的渗流问题提供了方法,同时为多孔介质的工程应用及理论研究提供了依据.     

等温过程路基土体水分迁移特征分析

以沈哈高速铁路沿线的粘质黄土为研究对象,在恒温状态下进行了开放系统水分迁移试验,试验结果表明：在试件中引起水分迁移最主要的因素是基质势和重力势;土体中各点的含水体积分数从试件底部开始到试件顶部逐渐减小;毛细上升高度与时间呈幂函数增加关系,最终趋向于一个稳定数值;水通量与时间呈对数函数递减关系。基于上述试验,应用有限元法进行数值模拟的结果表明：含水量计算值与试验值基本吻合,表明该模型可应用于模拟地下水在路基中的上升过程;在水分迁移的整个过程中,土中孔隙水压力由土柱底端向上逐渐减小;在水分迁移过程早期,土体内部孔隙水压力的变化比较明显且变化速率较快;随着时间的推移,在水分迁移过程后期土体内部孔隙水压力的分布变化不明显且变化速率较小,当渗流稳定时,孔隙水压力沿着试样高度呈线性分布。     

基于DEM-CFD耦合方法的煤系土边坡失稳机理宏细观分析

边坡的宏观力学特性是由组成土体颗粒的细观参数及其运动决定的,基于连续介质模型的有限元方法虽然能够在宏观层面上基本等效地得到边坡土体的应力变形特性,但难以反映边坡体在微细观尺度上的变形失稳机理,存在明显的局限性。采用将离散元方法（DEM）与计算流体动力学方法（CFD）进行耦合,建立了煤系土边坡三维DEM-CFD流固耦合细观作用计算模型,对降雨作用下煤系土边坡失稳破坏的细观机理进行了分析。结果表明,采用DEM-CFD流固耦合方法模拟的煤系土边坡破坏形式主要是雨水冲刷,边坡滑动面预测为近似的直线段,这与室外模型试验边坡雨水冲刷的范围非常接近,验证了该数值方法的适应性。边坡土体颗粒的力链、配位数以及孔隙率等细观参数,在降雨过程中都会随之发生变化,如坡顶颗粒的孔隙率由初始状态的0.35变化至失稳状态的0.8,这些细观参数的变化与边坡土体的宏观力学表现直接关联,文中通过对颗粒细观参数变化分析,从细观角度深刻解释了雨水作用下煤系土边坡的破坏演变规律。论文研究成果不仅可为该区域煤系土边坡的防护设计与施工提供理论依据,而且为从微细观角度更好地分析离散介质岩土工程的宏观力学规律提供了一种新思路。     

CPTU确定饱和土体水平渗透系数的改进方法

目前采用的球面流或半球面流模型所预测的饱和土体渗透系数普遍低于实测值,为提高孔压静力触探(CPTU)测试技术确定饱和土体水平渗透系数的准确性,针对初始超孔隙水压力的分布形式、孔压过滤环的位置和渗流模型3个主要问题,在回顾前人方法基础上,提出一种基于CPTU确定饱和土体水平渗透系数kh的改进方法.根据已有研究成果,将锥肩附近初始超孔隙水压力视为负指数型衰减分布,结合圆柱面径向渗流模型,推导出饱和土体水平渗透系数的计算公式,应用算例验证了本文方法的合理性,再结合上海某地的实测数据,将本文方法与已有方法进行对比分析,研究结果显示:本文方法计算的渗透系数大于已有方法,更接近室内渗透试验的结果;CPTU测试技术可用于连续且快速地计算饱和土体水平渗透系数.     

循环加载下碎石层细观孔隙结构演化分析

列车荷载作用下路基翻浆冒泥的实质是路基土体细颗粒迁移,细颗粒迁移会改变路基上覆碎石层孔隙结构,影响上覆碎石层力学及水力学性质。为此,采用自主研发的路基翻浆冒泥试验模型进行试验,结合X射线计算机断层（computed tomography,CT）扫描技术,分析循环荷载作用下路基土体细颗粒迁移对上覆碎石层细观孔隙结构的影响。结果表明:循环荷载作用下,碎石层孔隙的压缩作用及路基土体细颗粒迁移至碎石层的堵塞作用,不仅改变碎石层面孔隙率的分布特性,还减小碎石层孔隙率及孔隙连通度;孔隙尺寸分布特性不受加载影响,加载前后,碎石孔隙均呈现小孔隙多、大孔隙少的特点,孔隙分布特征曲线满足对数正态分布,但随着循环荷载的施加,碎石层内孔隙总数量减小;孔隙的形状参数（细长比和扁平度）均呈正态分布,细长比随循环荷载作用次数无明显变化规律,而加载后碎石层孔隙扁平度的分布更加均匀;碎石层孔隙具有明显的分形特性,加载前孔隙三维分形维数为2.40~2.50,随着循环荷载的施加,孔隙三维分形维数逐渐减小。     

松散土体中细颗粒运移的微观过程研究

自然界的松散土是泥石流、滑坡等灾害发生的重要物质之一,其结构的松散性和长期降雨渗流作用为细颗粒发生运移、形成内部侵蚀提供了空间和动力条件,颗粒大量流失和孔隙通道堵塞造成土体结构变化和稳定性下降,从而演变为滑坡或坍塌。渗透、水槽和人工降雨等试验方法对认识土体内部细颗粒运移的宏观特征具有重要作用,但无法直接分析孔隙通道内细颗粒分布、位移等随时间的变化特征。作者结合上海同步辐射光源3维CT技术,为获得拟静态下1维柱体渗流过程中细颗粒侵蚀形态特征,以不同粗细颗粒粒径之比为变量设计微观渗流试验,通过耦合离散元与Darcy流体方程计算分析整体和局部区域内细颗粒数量和平均动能的变化特征。结果表明:离散元与Darcy流耦合是计算土体内部细颗粒运移的有效手段。CT扫描和数值计算结果均表明土样入流口和出流口存在优先侵蚀现象。计算至2.5 s时,已分别有37.05%和31.95%细颗粒被侵蚀,其他位置侵蚀程度相对较低。在渗流方向上土体内部细颗粒存在流失补给平衡和逐渐侵蚀的现象,细颗粒的平均动能沿渗流方向总体呈逐渐增高的趋势。长期性堵塞形成过程中,细颗粒的平均动能呈现随时间逐渐降低的趋势;临时性堵塞区域内细颗粒数量的增加相对于此区域内细颗粒平均动能的增高存在滞后效应。微观尺度上土体内部细颗粒运移特征主要受流体状态和孔隙特征影响,其研究对于理解松散土坡体破坏机制具有重要价值。     

考虑相对暴露度的无粘性土临界流速计算方法探讨

研究建立了基于泥沙运动力学理论的土颗粒起动模型,在考虑相对暴露度基础上,推导了土体渗流引起内部侵蚀的临界流速计算公式。通过与试验测得临界流速值对比,发现试验值与计算值较为一致。讨论了临界流速计算值与试验值的差异和相对暴露度与临界流速关系。渗流过程中颗粒堆积,会导致颗粒运移通道阻塞,使临界流速试验值大于计算值。临界流速与土颗粒相对暴露度正相关,不同渗流方向下相对暴露度对临界流速影响程度不同,水平渗流时相对暴露度影响较大,垂直渗流时,相对暴露度对临界流速几乎没有影响。     

基于PFC-COMSOL联合开展软土固结细观机理研究

基于细观颗粒离散元方法建立土体细观结构性模型,依据室内试验匹配模型细观参数,采用COMSOL软件进行土体内部渗流场求解,实现PFC-COMSOL联合开展软土固结研究,最终将分析方案与室内固结试验数据进行对比。研究结果表明:PFC使用聚粒模拟絮凝状软土能较真实地再现海相软土的细观结构特性;结构性蠕变对软土固结沉降量有一定影响,软土压缩量应考虑蠕变的影响;软土固结过程中首先出现不均匀压缩,超孔压完全消散后,土体恢复均匀性。     

径流条件下散粒体斜坡的颗粒冲刷启动机理

摘 要：为研究地表径流对散粒体斜坡的冲刷侵蚀效应,根据斜坡坡面径流和坡内渗流特征建立了散粒体斜坡径流-渗流耦合模型。该模型用Navier?Stokes方程描述淹没区坡面径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述散粒体斜坡坡内渗流。径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足Neal和Nader提出的流速相等和剪应力连续双边界条件。采用Navier?Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程分别联立连续性方程推求出径流区和渗流区的流速分布。分析流速理论表达式可知,影响斜坡表部径流流速和坡体内部渗流流速的主要因素有斜坡坡度、径流水深、斜坡散粒体的孔隙率和渗透率,且流速随它们的增大而增大。为探究在径流条件下散粒体斜坡坡面颗粒的冲刷启动机理,引入Newton内摩擦定律求得径流区和渗流区交界面上的切应力,并对颗粒发生滑动和滚动两种情况分别进行受力分析,给出了颗粒滑动和滚动两种运动方式相应的失稳判据。分析两种判据可知：(1)颗粒发生滑动时,其抗滑稳定安全系数主要受散粒体斜坡坡度、颗粒的内摩擦角、颗粒半径、径流水深、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的影响,且随颗粒的内摩擦角、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的增大而增大,随散粒体斜坡坡度和径流水深的增大而减小;(2)颗粒发生滚动与否主要取决于散粒体斜坡坡度、径流水深、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率,且它们的值越大,颗粒越容易失稳。     

非饱和土渗流变形耦合的数值分析

基于一维非饱和土的渗流-变形控制方程,采用Flex PDE（Partial differential equation）软件对该耦合方程组进行求解分析。该方法突破了解析法对非饱和土导水系数函数的特殊限定,适用于任意的土-水特征曲线表达式;还可考虑到饱和时的渗透系数以及孔隙率是变量。与解析解相比,该数值解表现较高的精度,具有解决非饱和土耦合问题的可行性。计算分析表明,非饱和土渗流-变形耦合作用对暂态孔隙水压力分布产生重要的影响,在降雨入渗过程中需考虑土体渗流-变形耦合的影响。降雨初期,位移随着时间明显增大,地表出现下沉,考虑耦合效应的孔隙水压力慢于非耦合情况,原因是H值为正的。随着降雨持续时间的增大,地表下沉的速度减缓,到最后变形开始稳定。位移的变化快慢与孔隙水压力变化规律相同。地表沉降量还与初始孔隙水压力分布以及H值密切相关。饱和时的渗透系数以及孔隙率对非饱和土降雨入渗以及稳态流的分布产生影响,但对其地表变形产生的影响微弱。     

水泥稳定碎石材料孔隙特性研究

为研究水泥稳定碎石材料细观孔隙特性以及探究荷载作用时孔隙空间结构的变化过程,通过建立孔隙三维模型量化断面孔隙和三维孔隙,并转换为孔隙三维网络结构,提取孔隙配位数、孔隙体积、喉道长度等相关参数,研究参数随逐级荷载的变化规律,推演孔隙空间结构变化过程.研究结果表明:量化的断面孔隙率与三维孔隙率能表征材料孔隙变化规律;m、n区域的峰值从12.10%、10.29%分别扩展到13.89%、13.41%,n区峰值分布区域跨11个层位,m、n区域波形变化较剧烈,孔隙细观结构变化明显;配位数均值由小于0.45突变为0.505,孔隙体积中小孔隙占据孔隙空间结构的80%,但随荷载增加孔隙体积会改变,喉道在逐级加载过程中,最大喉道长度增加近2 mm,喉道先负向演变后转为正向演变,荷载作用致使孔隙空间结构改变.逐级荷载作用,孔隙细观结构和孔隙空间结构都发生剧烈变化,孔隙结构的剧烈变化导致材料内部结构改变,促使材料宏观破坏,因此材料宏观破坏与孔隙结构变化有着本质联系.