基于四参数随机生长法重构土体的格子玻尔兹曼细观渗流研究

多孔介质模型的重构问题是土体细观渗流机理研究的基础和关键。由四参数随机生长法(QSGS)构建土体模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),通过MATLAB自编程序研究重构土在不同条件下的细观渗流机理。结果表明:随模型尺寸增大,孔隙连通程度显著提高,300×300格点大小的模型连通孔隙率增长幅度(34.38%)最大,继续扩大模型尺寸发现增加不明显;流体粒子在孔隙连通性好、孔径大的区域,会形成主渗流通道,且存在指进效应,孔道中间流速最大,可达0.0324,越靠近孔壁流速越小;大孔隙率土的流速比小孔隙率土大,而低孔隙率土中的流速相比大孔隙土更稳定;LBM模拟渗透率与经典K-C公式计算结果对比发现,孔隙率越高计算渗透率越准确(n=0.78,误差为10.22%);土颗粒越小,渗流孔道越细窄、分布越密集,对应的速度场分布更为均匀,同时流速也更小。该研究成果能较好地揭示重构土的细观渗流机理,也可为现有细观土体孔隙流研究提供一定借鉴。     

植被发育斜坡土体大孔隙三维重构模型渗流场的LBM数值模拟

以云南昭通头寨植被发育斜坡土体为研究对象,结合CT扫描试验与数字图像处理技术实现了其三维大孔隙空间结构模型的重构。然后基于格子Boltzmann方法（LBM）的D3Q19模型,将固体土骨架视为渗流场边界,并设置反弹格式的边界条件模拟土骨架与水分间的相互作用,从细观角度研究了水在植被发育斜坡土体大孔隙中的渗流特性。研究结果表明：土体渗流过程中,在大孔隙纵向连通的通道内形成了优先流,且通道中的流速远超其他部位;而在封闭或者连通性差的大孔隙中导水率极小,流速几乎为0。土体中大孔隙通道内的流速由孔壁至通道中心逐渐增大,且流速与至通道中心的距离近似呈二次抛物线的分布特征。沿深度方向土体切片大孔隙率大的截面平均渗流流速Uz也较大,从整体变化趋势来看,截面大孔隙率与平均渗流流速有相似的变化规律,这充分说明植被发育斜坡土体内的大孔隙分布对土壤沿深度方向的渗流特性有重要影响。     

基于格子Boltzmann方法土体CT扫描切片细观渗流场的数值模拟

基于格子Boltzmann方法,采用D2Q9基本模型,上、下边界采用非平衡外推格式,左、右不透水边界及土颗粒采用反弹格式设置边界条件,对土体细观渗流场进行数值模拟。首先将试验测得物理单位的数据转化为格子单位,然后用Matlab编制程序,对CT扫描切片进行处理,生成土体细观的数据结构,最后把格子单位表示的结果再转为物理单位,分析了渗流流速的变化规律,得到了整体和局部渗流场的分布情况。分析结果表明：（1）孔道处的流速U随着入渗时间的延长而逐渐达到一个相对稳定值,进而得到流体从开始入渗至稳定状态经历的准确时间T;（2）平均渗流速度由入口处沿y轴负方向逐渐递减,且小于入口处的平均渗流流速;（3）渗流量主要受控于通道的连通性、孔隙大小,最大渗流速度集中在通道的窄孔道处,封闭的孔道和孔隙渗流速度为0。格子Boltzmann方法能有效地对CT扫描得到的2D切片进行数值模拟,可以定量、准确地研究真实土体渗流场的变化机制。     

基于CT扫描的草炭土孔隙结构分析及渗流模拟

草炭土是在地表积水环境下植物残体经氧化和部分分解作用而堆积形成的一种特殊的腐殖质土。含大量植物纤维的草炭土具有高渗透性、高孔隙比、高含水率等不良工程地质特性。为了探究草炭土的孔隙特征与其孔隙内部的渗流规律,本文以吉林省敦化地区草炭土为研究对象,通过CT扫描技术获取草炭土样的CT序列图像。采用试凑法,通过Mimics的mask体积计算功能并结合土体的真实孔隙率确定了图像二值化的最优阈值,并得到了更接近土体的细观结构的三维重构模型。同时基于Lattice Boltzmann Method原理,在PALABOS代码库的基础上改编程序进行草炭土样的单相渗流模拟,研究了恒定压差下的土体的模拟渗透率值与渗流场的性质,并结合Paraview可视化软件分析了流线与流速在孔隙内的分布情况。研究结果表明:草炭土内部孔隙孔径大小不一,大孔径孔隙与小孔径孔隙形态各异,而植物纤维的架空状分布以及根状孔隙是土体内部形成大孔径孔隙通道的主要原因;流体在其内部流动时,优先以大孔径通道渗流,流线也集中于大孔径渗流通道,流体在大孔径通道内部的流速也高于散布的细小孔径,草炭土的渗透率主要取决于其内部大孔径的数量,因此草炭土的渗透率受到土中植物纤维的含量以及分解度的影响,植物纤维的含量越多,分解度越低,草炭土的渗透率越高,反之则越低。     

基于格子博尔兹曼方法表征体元尺度土体细观渗流场的数值模拟

为了研究土体的细观渗流特性,假设土体是完全饱和且在渗流过程中水分的流动始终处于层流状态。考虑宏观统计参数（孔隙率、渗透率及有效黏滞系数等）的影响,基于表征体元（REV）尺度的格子博尔兹曼（Boltzmann）方法,建立了压力作用下土体细观渗流的数值模型。采用D2Q9模型考虑水分流动的离散速度分布,宏观边界条件为左右侧面为不透水边界 ,上下边界设置不同的密度来控制压力边界,在微观边界条件上采用非平衡态外推格式。编制相应的计算程序,将计算区域内的多孔介质材料设置成流体（孔隙率 1.0,渗透率 ）,验证了经典的Poiseuille流。此外,结合算例分别讨论了土体在压力作用下孔隙率、渗透率及渗透压力等影响因素与渗流速度的相互关系,研究表明该数值方法与Darcy定律得到的计算结果较为吻合。因此,基于REV尺度的格子Boltzmann方法可以有效地模拟土体的渗流机制,为进一步研究土体渗流特性提供了一种新的研究手段。     

南京粉细砂空间孔隙结构表征单元体确定

确定统一的表征单元体(REV)尺寸是研究土体细观孔隙结构时首先需要解决的问题。使用6.5μm分辨率同步辐射显微CT扫描南京粉细砂试样,从土样三维重构模型的5个代表性部位提取5组立方体孔隙REV,对每个REV采用最大球算法分析,建立孔隙网络模型,从中提取孔隙率、单位体积孔隙数、孔隙平均体积、孔隙最小体积、孔隙最大半径、孔隙最小半径、孔隙平均半径、孔隙截面积平均形状因子等8个孔隙结构参数,建立其与REV尺寸间的相关性。利用假设检验T检验和F检验,最终确定样品孔隙结构参数的统一REV边长尺寸为400像素,即2.60mm。该方法可用于砂土、粉土等颗粒土体细观孔隙结构分析。     

考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法

在离散元(DEM)和计算流体动力学(CFD)程序基础上,运用流-固相互作用力方程建立三维CFD-DEM细观耦合数值模拟模型。CFD-DEM的控制方程包括流体-颗粒相互作用力方程、CFD的流体和DEM的颗粒运动方程。其中,考虑到土颗粒的形状效应,引入颗粒滚动阻力机制,介绍了适用性较强的滚动阻力模型。在开源耦合程序CFDEM的框架下,定制CFD开源程序Open FOAM与DEM开源程序LIGGGHTS之间的双向耦合,实现基于颗粒细观的流-固耦合计算。通过砂堆和砂土渗流的模拟分别验证了所嵌入的滚动阻力模型的有效性及耦合模型的可行性。模拟结果表明,圆柱土体中向上渗流流速与水力梯度关系与经典的Ergun理论解接近;耦合模型中所引入的颗粒间滚动阻力模型能够很好地反映颗粒形状对砂堆形成休止角和土体堆积孔隙率的影响。     

基于透明土孔隙介质双渗流模型试验研究

对土体内部渗流可视化研究,透明土材料可以作为的重要研究手段之一,能实现的岩土体内部渗流直接观测研究。利用透明土技术,建立双重孔隙型介质渗流物理模型,利用有限差分软件FLAC3D建立双重孔隙型介质结构三维数值分析模型,进行测量数据和数值模拟计算对比分析。模型试验结果和模拟结果表明,基于透明体的双渗透实验能实现渗流的可视化,以及FLAC3D数值模拟结果与实验所测的流速曲线拟合良好。     

干燥失水条件下膨胀土的细观裂隙演化特征研究

干燥失水现象是引起膨胀土裂隙萌生和扩展的关键性因素,裂隙的演化过程对土体结构完整性和地基的长期稳定与安全具有重要影响。为了研究膨胀土干缩裂隙的演化特点,对原状土试样开展显微CT扫描试验,结合图像分析技术获取了土体细观裂隙的二维/三维图像与特征参数,从定性和定量角度分析了干缩裂隙的演化规律。结果表明：三维重构后的数字模型还原了膨胀土在干燥过程中的体积收缩特征,与试样实测的体积有较好的一致性;从显微CT图像中可以提取细观裂隙的量化指标,如裂隙率、裂隙数量、裂隙体积与裂隙结构特征参数等;随着含水率从24.0%下降至12.0%,膨胀土的裂隙率、裂隙体积呈增大趋势,裂隙数量呈减小趋势;根据裂隙的体积和几何形态特征将其分为连通裂隙和独立裂隙,干燥过程中连通裂隙的体积占比显著提高,独立裂隙数量不断减少;球棒模型有效地模拟了膨胀土裂隙的几何形态特征,在干燥失水过程中等效孔隙半径、喉道半径、喉道长度与孔喉配位数均有增大趋势,裂隙连通性显著增强;SEM图像表明细观裂隙的连通与黏土颗粒排列形式、粒间孔隙发育程度等存在重要关联。     

变荷载下连续排水边界黏弹性地基一维固结性状分析

在考虑软黏土流变特性的基础上,结合工程实际,引入连续排水边界条件,建立了变荷载下连续排水边界黏弹性地基一维固结模型。通过分离变量法与常数变易法,求得了变荷载作用及连续排水边界条件下的饱和软黏土一维固结模型的解析解,进一步研究了透水边界条件和土体参数对超孔隙水压力、有效应力的影响。研究结果表明:上下边界透水性的不同会直接影响超孔隙水压力的变化;越靠近透水性大的边界处的土体固结速度越快,且随着其离排水边界的距离减小,对固结速度的影响逐渐增大;另外,软土层的渗透系数、Kelvin体弹簧的弹性模量和黏滞系数等对土颗粒间的有效应力影响较大。     

孔隙结构和水动力对饱和多孔介质中颗粒迁移和沉积特性的耦合影响

为了研究孔隙结构和水动力对悬浮颗粒在饱和多孔介质中沉积和迁移特性的影响,对天然硅粉（悬浮颗粒）和荧光素钠（示踪剂）在饱和多孔介质中的渗流迁移特性进行土柱试验,分别得到了5种不同渗流速度（0.033、0.066、0.132、0.199、0.265 cm/s）、两种不同多孔介质（石英砂和玻璃球）的悬浮颗粒和示踪剂全组合下的20条穿透曲线。根据试验结果,研究孔隙结构、渗流速度对饱和多孔介质中颗粒迁移和沉积过程中水动力作用机制、弥散效应、加速效应的影响。研究表明,悬浮颗粒的穿透曲线可以用一阶沉积动力学对流弥散方程的解析解来描述。随着渗流速度的增大,水动力学作用对颗粒出流浓度的影响越来越大,而孔隙结构的影响则相对减弱。同时,存在一个临界渗流速度值。当渗流速度超出该值时,悬浮颗粒迁移要快于示踪剂,而且临界渗流速度对于玻璃球和石英砂两种多孔介质是不同的;其次,在两种介质中,随渗流速度增大,弥散度增加,回收率和回收悬浮颗粒粒径增大,沉积系数先增大后减小。此外,在孔隙比相近的情况下,悬浮颗粒在玻璃球介质中的回收率要大于其在石英砂中的。可见,孔隙结构和渗流速度是影响饱和多孔介质中颗粒输运的重要因素,渗流速度越大,孔隙结构的作用越明显。     

基于微结构模拟的土体自相关距离分析

土体具有显著的空间变异性,描述土体空间变异性的重要指标是自相关距离。提出基于土体微结构模拟的方法来求解土体的自相关距离。在生成土体的微结构数值模型时,对四参数随机生长法（QSGS法）进行改进,考虑土体的粒径分布信息,使得生成的土体微结构更加合理。改进的四参数随机生长法（MQSGS法）所需的输入参数可以结合土体的扫描电镜试验及粒径分析试验获取。基于生成的土体微结构数值模型,即可计算土体的2点自相关函数,再通过曲线拟合即可求解土体的自相关距离。研究表明：与QSGS法相比,采用MQSGS法生成的土体微结构更加符合自然界的真实土体;基于MQSGS法生成的微结构数值模型计算得到的土体自相关距离略小于QSGS法得出的自相关距离。     

恒定渗流作用下泥石流起动过程冲刷试验分析

渗流是泥石流水动力条件主要来源之一,不同渗流流量具有不同的渗流力和冲刷力,从而可引起不同规模泥石流。通过开展室内水槽试验,利用测压管量测渗流过程中的孔隙水压力,并结合高清摄像技术从微观角度记录堆积土体内部细颗粒的运移、骨架颗粒的坍塌现象,以此分析研究土体渗透破坏、起动形成泥石流过程中的渗流和冲刷作用。在此基础上设定水槽坡度为7°,调节恒定渗流流量分别为120、170、265、320 ml/s,分析不同恒定渗流流量对固体堆积物失稳、泥石流起动过程中流态变化的影响。分析结果表明,在恒定渗流流量作用下,堆积土体内部细颗粒迁移、骨架颗粒坍塌造成土体颗粒重排列、孔隙水压力上升进而导致土体抗力降低是泥石流土体颗粒失稳、起动、冲刷的重要原因;随着渗流流量增加,流速迅速上升,土体内孔隙水压力逐步增大,骨架颗粒的失稳、移动主要受渗流及水流冲刷两方面共同作用,堆积土体颗粒的移动分别表现出缓慢小幅滑动后稳定、过渡型滑动和快速流滑现象。     

珊瑚颗粒孔隙结构及渗流特性分析

珊瑚砂的孔隙结构对珊瑚砂的力学性质和渗透特性影响显著,采用高分辨率计算机断层扫描仪（computed tomography,简称CT）对珊瑚砂颗粒进行了扫描,建立了珊瑚砂颗粒的三维孔隙结构模型,并对孔隙的直径、体积、紧密度、球度进行了定量分析,采用数值模拟方法探究了松散堆积珊瑚砂及单颗粒珊瑚砂内孔隙结构的渗透特性。试验结果表明：孔隙数量随着孔隙直径的增加显著减少,且微孔数量较多,大孔数量较少;孔隙的直径与紧密度之间为幂函数关系,与球度之间则表现为线性关系。渗流分析结果显示,松散堆积珊瑚砂的渗透能力显示出各向异性,Z方向的绝对渗透率小于X、Y方向。珊瑚砂颗粒内的孔隙渗流速度较慢,不同颗粒之间渗流能力差距较大,部分颗粒不能发生渗流,且颗粒内孔隙的绝对渗透率仅占总绝对渗透率的1.26%。     

极细颗粒黏土渗流的微电场效应分析

采用渗流固结法试验结合颗粒表面电位分析,研究极细颗粒黏土的渗流的微电场效应,在相同试验条件下完成了5种含不同百分比的人工高岭土与人工膨润土的试样的渗流特性测试。测试结果表明,微孔渗流的微电场效应对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着孔隙液离子浓度的升降或土颗粒表面电位的增减,试样的渗透系数会随之发生改变;在相同的孔隙液离子浓度下,随着膨润土相对含量的增加,试样的渗透系数随之降低。对科威特软土的渗流固结试验证实了人工土的微电场效应的产生机制与变化规律同样适用于天然软土。试验结果分析认为,在黏土-水-电解质系统的相互作用下,黏土矿物通过土颗粒表面的结合水影响试样的渗流特性,而土颗粒表面电荷的微电场作用是极细颗粒黏土渗流特性改变的内在原因之一。     

基于CT扫描的致密砂岩渗流特征及应力敏感性研究

认识低渗透储层的渗流特征对油气开采和储层改造具有重要意义。为此,研究利用微CT扫描技术对致密砂岩岩样进行扫描,据此建立了能够精细刻画岩样的微观模型,运用COMSOL模拟了流体在岩石孔隙中的渗流特征,研究了致密砂岩的渗流特征及应力敏感性。研究结果表明:流体入口和出口间压差固定时,岩石的渗透率保持不变,与入口出口压力的具体数值无关;不同方向的岩石模型计算渗透率处在同一数量级但有微小差异;在侧向压力作用下,渗流路径变窄,通过渗流路径的整体速度下降,渗透率下降,但在孔隙相对较大的地方,由于路径变窄,流体速度较未加压力前略有上升。