粗粒土渗透淤堵作用的颗粒流数值模拟
基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟

基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟一、本文概述随着计算机技术的快速发展和数值模拟方法的日益成熟,离散元方法(Discrete Element Method, DEM)在岩土工程领域的应用越来越广泛。
PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)作为一款基于DEM的三维颗粒流数值模拟软件,以其独特的细观模拟能力,在粗粒土三轴试验的数值模拟中展现出显著优势。
本文旨在探讨基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟的关键技术、方法及其在工程实践中的应用价值。
本文首先介绍了粗粒土三轴试验的基本原理及其在岩土工程中的重要性,随后详细阐述了PFC3D软件的基本原理及其在粗粒土细观数值模拟中的适用性。
在此基础上,文章重点探讨了基于PFC3D的粗粒土三轴试验数值模拟的建模方法、参数标定以及模拟结果的分析与验证。
文章还结合具体工程案例,分析了数值模拟结果与实际工程问题的关联,并探讨了数值模拟在粗粒土工程稳定性分析、优化设计等方面的应用前景。
本文旨在为从事岩土工程数值模拟的研究人员、工程师和研究生提供一种基于PFC3D的粗粒土三轴试验细观数值模拟的有效方法和技术支持,推动离散元方法在岩土工程领域的应用和发展。
二、PFC3D软件简介PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)是一款专门用于模拟颗粒介质行为的三维离散元分析软件。
该软件由Itasca公司开发,自推出以来,凭借其强大的模拟能力和灵活的自定义选项,在岩土工程、地质工程、颗粒物质力学等领域得到了广泛的应用。
PFC3D基于离散元方法(Discrete Element Method, DEM)进行模拟,其核心思想是将介质视为由一系列离散、独立的颗粒组成,颗粒之间通过接触模型来定义相互作用。
这种方法特别适用于处理颗粒形状不规则、大小不均以及颗粒间存在复杂相互作用的问题,如粗粒土的力学行为。
粗粒土三轴试验颗粒流细观参数敏感性分析

基金项目:
关键词:颗粒流;粗粒土;三轴试验;敏感性分析
安徽省交通控股集团科技项目No.2021014
散 单 元 法 PFC、UDEC、3DEC 等 ,充 分
大 提 高 [12] 。 因 此 ,本 文 基 于 典 型 的 颗
文章编号:1007-7359(2021)09-0224-03
考虑了岩土材料的非连续性,可以有效
定性分析了宏观和细观参数之间的关系。结果表明,试样峰值应力随着围压和摩擦系
学道路桥梁与渡河工程专业,本科,工程师。
数的增大而增大;弹性模量随着有效模量的增加而增加;刚度比对试样的泊松比影响较
专业方向:交通工程。
大;颗粒形状对试样的峰值应力影响较大,不规则颗粒试样的峰值应力比球体颗粒的更
大。研究结果对粗粒土三轴试验离散元模拟的参数标定提供了一定的指导意义。
粒离散元软件 PFC 就室内粗粒土三轴
DOI:10.16330/ki.1007-7359.2021.09.097
解 决 上 述 问 题 ,因 此 也 越 来 越 受 到 重
试 验 建 立 了 离 散 元 模 型 ,并 对 其 细 观
视,成国文等 [1] 通过三维空间随机点生
引言
参 数 进 行 了 敏 感 性 分 析 ,得 到 了 一 些
算求解。在 PFC 中,材料的本构特性是
通过接触本构模型来模拟的。PFC5.0
中提供了 10 种内嵌的接触模型,常用的
接触本构模型有线性接触模型、接触黏
结模型和平行粘结模型。当模拟土体
时,一般选用线性接触模型,这类模型的
特点是抗压、抗剪,但不抗拉;当模拟岩
数的敏感性分析。
两相流数值模拟大作业

颗粒拟流体模型中的颗粒拟流体的静压力、颗粒相的切应力的各种表达方法、物理基础、优缺点1.颗粒拟流体模型的简介:颗粒拟流体模型又叫多流体(双流体)模型。
该模型将弥散颗粒相与连续流体相看作是连续介质,对颗粒相的处理方法与对连续介质相的处理方法类似,认为颗粒相是欧拉坐标系中与连续相流体相互渗透的一种“假想”流体,称为拟流体。
因此,这种模型又叫做颗粒拟流体模型。
该模型不仅考虑连续流体相与颗粒相之间存在的显著速度滑移和温度滑移,并且认为这种滑移与颗粒相的扩散是两种完全不同的作用,而且颗粒相的扩散是独立于流体相扩散之外的另一种运动特性。
该模型还引入了颗粒相粘性、扩散和导热系数这些与连续流体类似的物理性质。
颗粒拟流体模型的基本假设包括:(1)在流场中弥散颗粒相与连续流体相共存并且相互渗透,连续流体相和弥散相在计算区域中的任何一点共存,占据同一空间,但分别具有各自的速度、浓度、温度和体积分数等,而且在每个计算单元内只有一个值;若是将颗粒相按尺寸分组,则每个尺寸组的颗粒具有相同的速度和温度。
(2)在做体积平均后,每一尺寸组的颗粒相在空间中具有连续的速度分布、温度分布和容积分数的分布。
(3)每一个尺寸组的颗粒相除了与连续流体相具有质量、动量和能量间的相互作用之外,还具有自身的湍流脉动,并由此造成颗粒相自身的质量、动量和能量的湍流运输,因而具有其自身的湍流粘性、扩散和导热等湍流输运性质;对于稠密颗粒悬浮体,颗粒相之间的碰撞还会引起附加的颗粒粘性、扩散和热传导;因此,颗粒相具有类似于连续流体相的“拟”物理性质。
(4)弥散颗粒相可按初始尺寸分布分为不同的群组。
(5)连续流体相和颗粒相都在欧拉坐标系内描述,因此该模型也称为“双流体模型”,也叫“欧拉-欧拉模型”。
颗粒拟流体模型的基本方程组包括下述一些方程。
连续流体相的连续方程∂ρ∂t +∂∂x j(ρv j)=S=−∑n k m k弥散颗粒相的连续方程∂n k ∂t +∂∂x j (n k v kj )=∂∂x j (v k σk ∂n k ∂x j) 连续流体相动量方程∂∂t (ρv j )+∂∂t (ρv j v i )=−∂p ∂x i +∂∂x j [μe (∂v i ∂x j +∂v j ∂x i)]+ ρg i +∑ρk (v ki −v i )τrk +v i S +F Mi ⁄ 弥散颗粒相动量方程∂∂t (n k v ki )+∂∂x j (n k v kj v ki)=n k (v i −v ki )τrk +n k g i ⁄ +(v i −v ki )n k m k m k +F k,Mi m k +∂∂x j [v k n k (∂v kj ∂x i +∂v ki ∂x j )]⁄⁄+∂∂x j [v k σk (v kj ∂n k ∂x i +v ki ∂n k ∂x j)] 连续流体相能量方程∂∂t (ρc p T)+∂∂x j (ρv j c p T)=∂∂x j (μe σT ∂T ∂x j)+w s Q s −q r +∑n k Q k +C p TS 弥散颗粒相能量方程∂∂t (n k c k T k )+∂∂x j (n k v kj c k T k)=n k (Q h −Q k −Q rk )m k ⁄ +(c p T −c k T k )n k m k m k +⁄∂∂x j (v k σk n k c k ∂T k ∂x j )+∂∂x j (v k σk c k T k ∂n k ∂x j ) 流体的组分方程∂∂t (ρY s )+∂∂x j (ρv j Y s )=∂∂x j (μe σY ∂Y s ∂x j)−w s +αs S 颗粒拟流体模型的主要特点是,可全面考虑颗粒的湍流运输。
管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究

管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究一、本文概述管涌现象,作为一种在土壤或岩石介质中常见的流动现象,对于理解地下水流、土壤侵蚀、地质工程稳定性等问题具有重要意义。
近年来,随着计算机科学和数值方法的快速发展,对管涌现象的细观机理进行模型试验和颗粒流数值模拟研究逐渐成为研究热点。
本文旨在通过系统的模型试验和颗粒流数值模拟,深入探讨管涌现象的细观机理,以期为相关领域的研究和实践提供新的视角和工具。
本文首先通过文献综述,回顾了管涌现象的研究历程和现状,总结了目前研究中存在的问题和挑战。
在此基础上,设计了一系列模型试验,以模拟不同条件下的管涌过程,观察和分析管涌现象的发生、发展过程以及影响因素。
同时,利用颗粒流数值模拟方法,建立管涌现象的数值模型,对管涌过程中的颗粒运动和流动行为进行深入分析。
本文的研究内容主要包括以下几个方面:一是设计并开展管涌现象的模型试验,包括试验装置的设计、试验材料的选取、试验过程的控制等;二是利用高速摄像和图像处理技术,对模型试验中的管涌过程进行定量和定性分析,揭示管涌现象的细观机理;三是建立管涌现象的颗粒流数值模拟模型,通过模拟不同条件下的管涌过程,验证模型的准确性和可靠性;四是对比分析模型试验和数值模拟的结果,深入讨论管涌现象的影响因素和发生机制,提出相关理论假设和模型修正建议。
本文的研究成果将为深入理解管涌现象的细观机理提供新的方法和视角,有助于推动相关领域的研究进展和实践应用。
本文的研究方法和技术手段也可为其他类似问题的研究提供借鉴和参考。
二、管涌现象概述管涌是土壤或岩石介质在渗流作用下的一种特殊现象,主要发生在松散介质中,如砂土、砾石层等。
当渗流速度超过某一临界值时,介质中的细小颗粒会被渗流携带走,形成管涌通道。
这些通道会逐渐扩大,并可能连接成网络,严重威胁到工程的安全。
管涌现象的发生通常伴随着一系列复杂的物理化学过程,包括颗粒间的应力变化、孔隙水压力的分布与变化、颗粒间的摩擦和碰撞等。
粗粒土三轴试验的细观模拟

关 键 词 : 粒 土 ; 三 轴 试 验 ; 细 观模 拟 ; 颗 粒 形状 粗
中图分类号 :U 4 T41
文献标识码 : A
文章编号 :05 9 5 2 1 )40 2 -6 2 9 - 8 (0 1 0 -040 0
收 稿 日期 : 0 l3—4 修 回 日期 : 0 11 ,1 2 1 491 2 1 -O3
PC F 为工具 , 根据 粗粒 料 的级 配 曲线 自编 程得 到 数值 模型 , 从细 观角度 分析 了颗粒摩 擦 系数 , 粒 颗 问黏结力 , 并着 重 分析 了颗粒 形 状 等 因 素对 粗 粒
第2 8卷第 4期
21年 l 01 2月
土
木
工
程
与
管
理
学
报
Vo . 8 NO 4 12 .
De . c 2011
J u n lo i i E g n e ig a d Ma a e n o r a fC vl n i e r n n g me t n
粗粒 土 三轴试 验 的细 观模 拟
土强 度 的影响 。
1 三维 颗粒 流 基 本 理 论
1 1 P C基 本原理 . F
作者简介 : 耿 丽( 8. , 河南商丘人, 1 6 )女, 9 硕士研究生, 研究方向为岩土工程数值计算及细观力学数值模拟( m i leg l 6 . r E a :g _ @1 c ) lin g 3o n
粗粒 土细 观结构 的复杂性 和不 确定性 是对 其 力学 行为进 行 准确 描 述 的最 大 障 碍 , 组成 粗 粒 土 的颗 粒之 间 的相 互作 用及排 列方式 都影 响着粗 粒
土的渗透性及渗流

3.3.2 不同土渗透3.3系土的渗透系数 数的范围
1、P37,表3-2. 2、卡萨哥兰德三界限值
K=1.0cm/s为土中渗流的层流与紊流的界限; K=10-4cm/s为排水良好与排水不良的界限,也是 对应于发生管涌的敏感范围; K=10-4cm/s大体上为土的渗透系数的下限。
3、在孔隙比相同的情况下,粘性土的渗透系 数一般远小于非性土。
水井渗流
Q
天然水面
不透水层
透水层 渗流量
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
渗流滑坡
渗流滑坡
板桩围护下的基坑渗流 板桩墙
基坑
透水层 不透水层
渗水压力 渗流量 渗透变形 扬压力
土石坝坝基坝身渗流 防渗斜墙及铺盖
不透水层
土石坝
浸润线
渗流量
透水层 渗透变形
本章研究内 容
土的渗流 土的变形 土的强度
讨论 ❖ 砂土、粘性土:小水流为层流,渗透规律符合
达西定律,-i 为线性关系
❖ 粗粒土: i 小、 大水流为层流,渗透规律符合 达西定律,-i 为线性关系 i 大、 大水流为紊流,渗透规律不符合 达西定律,-i 为非线性关系
3.3.1 渗透系数的3.3 土的渗透系数
影响因素1
1、孔隙比
v
nvs
e 1 e
素2
3、土的饱和度
土的饱和度愈低,渗透系数愈小。因为低饱和土 的孔隙中存在较多气泡会减小过水面积,甚至赌 塞细小孔道。
4、温度
渗透系数k实际上反映流体经由土的孔隙通道时 与土k颗20 粒k间T 摩T 擦20力或粘滞滞T系、性数2。,0分可别而查为流表T℃体和2的0℃粘时水滞的性动力与粘 其温度有关。试验测得的渗透系数kT需经温度修 正(P36,表3-1)
粗粒土渗透特性影响因素及渗透规律试验研究

粗粒土渗透特性影响因素及渗透规律试验研究作者:李文波来源:《价值工程》2013年第36期摘要:影响粗颗粒土渗透特性的因素有很多。
通过室内渗透试验,采用不同的试验条件,研究了粗颗粒土的干密度ρd、细料含量P5、孔隙比e和不均匀系数Cu对渗透系数的影响,分析了粗颗粒土的干密度ρd、细料含量P5、孔隙比e和不均匀系数Cu与渗透系数之间的关系,建立了粗颗粒土的干密度ρd、细料含量P5、孔隙比e和不均匀系数Cu与渗透系数之间的关系式。
Abstract: Many factors have influence on permeability of coarse-grained soil. By the results of seepage tests and byusing different test conditions, the paper studies on the influence of coarsegranular soil dry density ρd, fines content P5, void ratio e and nonuniform coefficient Cu to the permeability coefficient,analyzesthe relation between coarse granular soil dry density ρd, fines content P5, void ratio e, nonuniform coefficient Cu and permeability coefficient. Thus there isa relational expression between coarse granular s oil dry density ρd, fines content P5, voidratio e,nonuniform coefficient Cu and permeability coefficient.关键词:粗颗粒土;干密度;细料含量;孔隙比;不均匀系数;渗透系数;渗透规律Key words: coarse-grained soil;dry density;fine content;void ratio;nonuniform coefficient;permeability coefficient;seepage regulation中图分类号:TV443 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2013)36-0105-030 引言粗颗粒土是按工程分类标准定名的一类土,不同的国家和部门,其划分标准不同,并存在一定的差异。
第三章土的渗透性总结

kjH j
层状地基的水平等效渗透系数
34
已知条件: v j = v
Δh = ∑ Δhj H = ∑ H j
达西定律: vj = kj (Δhj / Hj )
v = kz (Δh / H )
等效条件:
Δhj
=
vHj kj
Δh
=
vH kz
∑ ∑ vH
kz
=
Δ
=
= vHj kj
∆h
d=1.0
z
v k1 H1
层状地基的等效渗透系数
33
已知条件:
ij
=
i
=
Δh L
H =∑Hj
达西定律: qx=vxH=kx i H Σqjx=Σkj ij Hj
∑ 等效条件: qx = q jx
∆h
x
1
d=1.0
2
q1x k1 H1 q2x k2 H2 q3x k3 H3
kx H
1
L
2
等效渗透系数:
∑ k x
=
1 H
渗透速度v:土体试样全断面的平均渗流速度,也称假想
渗流速度 v < vs =v n
其中,Vs为实际平均流速,孔隙断面的平均流速
适用条件
层流(线性流)
v
——大部分砂土,粉土;疏松的粘土及
砂性较重的粘性土
vcr
两种特例 粗粒土:
o
砾土
①砾石类土中的渗流不符合达西定律
v = kim (m < 1)
i
②砂土中渗透速度
• 渗流量 • 扬压力 • 渗水压力 • 渗透破坏 • 渗流速度 • 渗水面位置
水头与水力坡降 土的渗透试验与
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的一个重要环节 ,是保障河流可持 续发展的有效 保障 。本文
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一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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( 上接第 8 3页) 由图 6可知 ,不添加淤堵材料情况下 ,各个土层淤堵稳 定 后的渗透 系数亦有差异 ,其原 因为 生成球 的过程 中 ,各土 层 生成球体个数、孔隙稍有差异 ,同时在加渗透力 的过程 中,
模型 自身的小颗粒也 有在 孔隙中运动的可能 ,故第一 层土的 渗透系数会较其他 土层渗透 系数大 ;随着添加淤堵颗粒粒径
的增大 ,土层整体渗透 系数减 小 ,是 由于相 同数量 的淤堵颗 粒 ,粒径增大 ,颗粒 总体 体积 亦大 ,产生的淤堵现象 明显 ; 粒径 0 . 5 — 1 a m 淤堵颗粒 使第一层土渗透 系数下降最 多,从 r
少约 5 . 8 %;按 7 . 5 m。 / s规模 引水后纳潮量 9 . 9亿 i n 。 ,纳
利用滩脚工程水文资料 , 通过 MI K E2 l模型建立滩脚枢纽工
程下游河道潮流 泥沙二维模型 ,并结合典型年径 流情 况分析
滩脚枢纽工程建设前 后飞云江动力场变化情况 以及 不同引水 规模对下游河道的影响 ,主要结论如下 : ( 1 ) 河道 总体 是冲刷大于淤积 ,冲刷范围主 要集 中于 河 口及河道行洪主槽 范围。
响评 价中的应 用研 究i D】 .青 岛:中国海洋大学 ,2 0 1 1 .
滩 脚枢纽工程影响分析是滩脚枢纽 工程 建设 必要性论证
f 6 】 郑沛楠 ,宋军 ,等.常 用海 洋数值模 式 简介【 A 1 .海 洋预
报 ,2 0 0 8 ,2 5( 4) :1 0 8 — 1 2 0 .
( 2 )不 同引水规模河道淤积量变化影响分析
( 3 ) 河道纳潮量 随着 引水量增加而减少 , 冲淤量 随着 引
水量 增加而增加 ,建议 滩脚 枢纽工程 引水规模越小越好 。
参考文献 … 1 严恺.海岸 工程 [ MI .北京 :海洋 出版社 , 2 0 0 2 :4 2 8 — 5 0 8 .
淤积量为 9 0 7 m0 ,增加约 6 . 6 %。
五 、 小 结
【 4 】朱建荣.海 洋数值计算方 法和数值模 式【 M1 .北京 :海 洋
出版 社 .2 0 0 3 . 7 4 — 8 0 / 1 2 8 — 1 4 .
f 5 】冯静 ,石 军辉 .MI K E 2 1 F M 数值模 型在 海洋工程环境 影
【 3 】辛文杰 ,罗肇 森.建 闸河口淤积规律 和减淤措施研 究
南 京 :南 京 水 利科 学研 究 院 。2 0 0 3 .
无论是枯水年还是丰水年 ,河道淤积量 和淤 积面积都随
着 引水规模 的扩大而 增加 。以 1 9 9 1年淤积量为例 ,不 引水 方案 ,淤积量为 8 4 8万 1 T I 。 ;按 2 . 5 m。 / s规模引水后 ,淤积 量为 8 6 6 . 7万 I T I 。 ,增加约 2 . 1 %, 按 7 . 5 m。 / s 规模 引水后 ,
般发 生在土层 的上部 ,土层一定深度往下 ,淤堵现象 发生不 明显 。本文模拟结 果与 室内渗透淤堵试验结果相 吻合 ,同时
也说明了采用颗粒 流数值模 拟渗透淤 堵现象的可靠性。 参考文献
图5 ( a ) 也可看出 , 粒径 0 . 5 一 I mm 淤堵颗粒 在粒 径 2  ̄ 4 mm
的增大 ,淤堵效果越 明显 。粒径 0 . 5 一 l mm 在粒径 2  ̄ 4 a m r 粗 粒 土 模 型 中 的 淤 堵 模 式 为 表 层 堆 积 淤 堵 ; 粒 径 0 . 2 5 - 0 . 5 mm 淤 堵颗粒 发 生淤堵 模 式为表 层 一 内部双重 淤 堵 ,能使第一 层、第二层土渗透系数下降较 多。淤堵 作用一
( 2 )工程建设后 ,下游河道纳潮量减少 ,淤积量 、冲刷
量有所增加 ,冲淤 条件 发生了变 化。
潮量减少约 1 7 . 7 %。丰水年不引水方案 C 1断面的纳 潮量 约 为3 3 . 2 5亿 m3 o 按2 . 5 m。 / s规模引水后 , 纳潮量约为 3 2 . 4 7 亿1 T I 。 ,纳潮量减少约 2 . 3 5 %;按 7 . 5 m。 / s 规模 引水 后纳潮 量约为 3 0 . 91 亿r l l 。 ,减少约 7 . 0 4 %。
f 2 】 陈 静 . 射 阳 河 口 挡 潮 闸 闸 下 淤 积 分 析 与 治 理 开 发 研 究
以 1 9 9 1 年、 1 9 9 2年 实测径流资料通过数值计算模型对 三种引配水方案条件 下进行 飞云江干流数值模拟计算 。
f D】 .南京 :南京水利科学研 究院 ,2 0 0 6 :3 - 5 .
粗 粒 土 模 型 中 的 淤 堵 模 式 为 表 层 堆 积 淤 堵 ; 粒 径
【 I 1 李识博 ,王 常明 ,王钢城 等. 松散堆积物 坝基 渗透淤堵试
验及 颗粒流模 拟 水利 学报 ,2 0 1 2 ,1 0 :1 1 6 3 — 1 1 7 0 .
0 . 2 5 — 0 . 5 am 淤堵颗粒在第一层、 r 第二层土 中都能产 生较好
第 7期
张彦君等 :基于 Mi k e 2 1数值模拟 的滩脚枢纽工程建设影响分析
8 7
以 1 9 9 1年、 1 9 9 2年实测径流资料通过数值计算模型对 三种 引配水 方案条件下进行飞云江干流数值模拟 计算 ,可 得 各 方案纳潮量变化 。 纳潮量随 引水量 的增加而减少。以 c l断面为例 ,枯 水 年 不 引水 方案 C1断 面 的纳 潮量 约为 1 2 . 0 3亿 i n 。 ,按 2 . 5 m。 / s规模 引水后 ,纳潮量约为 1 1 . 3 3亿 1 T I 。 ,纳潮量减