关于土渗透系数颗粒流细观参数研究

关于土渗透系数颗粒流细观参数研究

1,21,2

白若虚,程雪松,郑

1,2

(1.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津300072;2.天津大学土木工程系,天津300072)

【摘要】利用颗粒流程序PFC2D对地下水的渗流作用进行了模拟,给出了颗粒流数值模拟确定渗透系数

的方法,并对与渗透系数有关的细观参数进行了参数分析,并与渗透系数建立了关系。文中结论为颗粒流理论模拟地下水渗流相关的岩土工程问题提供了依据和理论基础。

【关键词】颗粒流;渗流;达西定律;参数分析【中图分类号】TU441.33

【文献标识码】B

【文章编号】1001-6864(2012)01-0064-04平均半径。2

模型建立

2D

本文将砂土颗粒简化成圆形颗粒,故可直接采用PFC

目前对于渗流耦合作用的数值模拟主要采用有限单元法和有限差分法,但都有其局限性,即只能模拟小变形下简单边界的连续变形问题。国内外学者

[1~4]

利用颗粒流PFC

(ParticleFlowCode)建立数值模型模拟砂土的渗透作用,证明了达西定律的适用性。但是尚未有学者对颗粒流模拟流而这些细观固耦合中的相关细观参数如何确定做出研究,

参数在模拟研究土体渗流破坏、水力劈裂、劈裂注浆和基坑突涌等问题时都非常关键。由于颗粒流不能直接给出模型介质的物理力学参数

[5、6]

进行模拟。模型尺寸为20mm×20mm,为了模拟土颗粒的不均颗粒单元半径R采用从Rmin到Rmax的均匀分布,根据计匀性,

Rmax=0.50mm。算效率和计算精度要求,取Rmin=0.35mm,先按照模型尺寸生成四面墙,待系统平衡后再将其删去,并固然后调用程序内置FISH语言dom.fis和定上下边界颗粒。

dom1.fis生成“域”“管道”和所组成的网络。模型示意图见图1,“域”,“域”之间的黑色浅蓝色小球为土颗粒,黑色小球为“管道”,白色线代表两颗粒间的接触

关于土渗透系数颗粒流细观参数研究

。通道为

,土的宏观参数只能靠调整基本粒

子的微观参数获得。本文即从细观层面上对土的渗流耦合进行数值模拟,试图建立细观参数与渗透系数之间的关系。1

水土耦合的颗粒流模拟

在PFC中采用圆形颗粒代表土颗粒,进行流固耦合模因此引入了“域”的拟时其实并没有实实在在的流体存在,

。“域”概念就是一系列封闭的颗粒链,在链上的每个链接。“域”“水库”,“水都是一个连接接触相当于颗粒间空隙的库”可以储存水压,各水库之间存在通道,这些通道用在颗“管道”来模拟。粒接触处相切于两个颗粒的

PFC2D定义的用于流固耦合计算的流动方程和压力方程以及求解条件如下

(1)

[6,7]

2D

。图1模型示意图图2压力圆分布示意图

流动方程。相邻域间的每一个链接都看作是一

5

在模型左侧施加水头压力(均取3×10Pa),右侧水头

条潜在的水力通道。通道长度为L、孔径为a,在垂直平面方管道内的流速(单位时间内的体积)为:向上为单位厚度,

q=Ka3(p2-p1)/L两个相邻域的压力差。

(2)

压力方程。周围管道流入每个域的流量和为∑q,

(1)

K为传导系数;L为周围颗粒半径和;(p2-p1)为式中,

压力固定为零,则在模型左右两侧形成水头压力差。水头压力加压范围左右两侧各取1.5mm,故实际渗流路径为17mm。选取模型中段10mm范围监控其计算过程中所有“域”的总流量QS。循环稳定后压力分布如图2所示。图中白“域”内压力大小,色圆点大小代表圆的直径大小代表压力值的相对大小。从图中可清楚的看出,模型内压力由左至右均匀分布。

根据达西定律

[8]

在单位时间步长Δt下,流体压力增量Δp(流入为正)为:

Δp=Kf/L(

∑qΔt-ΔV)

d

(2)

,对任一横截面,单位时间内流过的流

Kf为流体的体积模数;Vd为域的表观体积。式中,(3)

求解条件。保证模型运行稳定的条件就是水流入

引起的压力变化必须小于扰动压力,当两者相等时可求出临界时间步长为:

3

Δt=2RVd/(NKfka)

体体积Q与能量损失(采用上下游水头差Δh表示)和横截面积A成正比,与流程长度ΔL成反比,故有如下关系式:

Q=kAΔh/ΔL由于PFC

(3)

2D

(4)

无法直接监测获得某一截面的流量,本模型

中统计的流量QS为单位时间步内在长度为L=10mm范围内的所有截面的流量总和,根据单位时间步长t,有如下关系式:

N为一个域所连接的管道数;R为域周围颗粒的式中,

你可能喜欢

  • 土的渗透试验
  • 试验报告
  • 注水试验
  • 试验方法
  • 试验记录表
  • 课程设计
  • 地下水动力学

关于土渗透系数颗粒流细观参数研究相关文档

最新文档

返回顶部