新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p

文档正文


概要信息

本文档为 PDF 格式,共计 64 页,售价为 1.00 元(人民币),由本站用户 76086830 于 2019-04-16 日上传。


内容摘要

目 录 摘要 ................................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................II 第 1 章 绪论 ..................................................................................................................1 1.1 引言 ..................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ..............................................................................................3 1.2.1 吹填土地基处理方法的发展.................................................................4 1.2.2 真空预压法淤堵相关问题的研究.........................................................4 1.2.3 离散元数值模拟的发展.........................................................................5 1.3 本文研究内容和思路 ......................................................................................6 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验..........................................................9 2.1 概述 ..................................................................................................................9 2.2 试验土样、装置和方法 ..................................................................................9 2.2.1 试验土样.................................................................................................9 2.2.2 试验装置...............................................................................................10 2.2.3 试验步骤...............................................................................................13 2.3 试验数据监测 ................................................................................................13 2.3.1 排水量...................................................................................................14 2.3.2 沉降量...................................................................................................14 2.3.3 真空度和孔隙压力...............................................................................15 2.4 问题分析 ........................................................................................................16 2.4.1 加固效果分析.......................................................................................16 2.4.2 淤堵问题分析.......................................................................................18 2.5 本章小结 .........................................................................................................20 第 3 章 离散元数值模型建立....................................................................................21 3.1 概述 ................................................................................................................21 3.2 颗粒流方法 ....................................................................................................21 3.2.1 固相运动理论........................................................................................21 3.2.2 液相流动理论........................................................................................22 3.2.3 PFC 数值模拟过程简介 .......................................................................24 3.3 模型建立 ........................................................................................................25 III 3.3.1 模型形状、尺寸及边界.......................................................................25 3.3.2 颗粒组成和初始孔隙比........................................................................27 3.4 模型计算参数确定 ........................................................................................29 3.4.1 参数确定方法.......................................................................................29 3.4.2 双轴试验模拟.......................................................................................30 3.4.3 数值模拟参数.......................................................................................34 3.5 数值结果及验证 ............................................................................................35 3.5.1 不同时步颗粒分布状况.......................................................................35 3.5.2 不同时步渗流场变化...........................................................................37 3.5.3 接触力链变化.......................................................................................38 3.5.4 排水速率变化.......................................................................................39 3.5.5 不同位置孔隙比分布...........................................................................40 3.6 本章小结 ........................................................................................................41 第 4 章 淤堵行为影响因素及改进措施研究............................................................43 4.1 概述 ................................................................................................................43 4.2 颗粒组成对淤堵形成及土体变形的影响 ....................................................43 4.2.1 数值模拟方案.......................................................................................43 4.2.2 颗粒运移分布特点分析.......................................................................45 4.2.3 颗粒组成对排水效率的影响特点分析...............................................47 4.2.4 颗粒组成对土体变形的影响特点分析...............................................49 4.3 真空荷载对淤堵层形成的影响 ....................................................................51 4.3.1 数值模拟方案.......................................................................................51 4.3.2 模拟结果分析.......................................................................................52 4.4 直排式真空预压法改进措施 ........................................................................53 4.4.1 絮凝优化法...........................................................................................53 4.4.2 底部注气法...........................................................................................56 4.5 本章小结 ........................................................................................................58 第 5 章 结论与展望....................................................................................................59 5.1 结论 ................................................................................................................59 5.2 建议与展望 ....................................................................................................60 参考文献 ......................................................................................................................61 发表论文和参加科研情况说明..................................................................................61 致谢 ..............................................................................................................................66 IV 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1.1 引言 海洋资源问题已成为当今世界尤其是我国可持续发展的重大问题,“发展海 岸工程技术,支撑现代化国际港口和物流基地建设”已经成为科技兴海战略的主 要目标之一[1]。海岸工程的建设需要依托沿海陆地资源,当前我国沿海地区陆地 资源紧缺,围海造陆工程成为解决这一矛盾的主要方式[2-3]。 荷兰有着 800 年的围海造陆历史,有 1/4 的国土(约 7000 平方公里)都是通过 填海造陆形成的[4-9],著名的工程有荷兰三角洲工程,如图 1.1 所示;在亚洲,陆 地资源贫乏的沿海国家地区,如日本(图 1.2)、韩国、新加坡(图 1.3)等都热 衷于填海造陆。我国目前在建或已建的工程有天津滨海新区临港工业区围海造陆 工程(图 1.4)、天津东疆港区围海造陆工程、天津南港工业区围海造陆工程、 广州南沙港围海造陆工程以及将建的大连机场扩建工程、上海机场扩建工程等 [10-15]。 图 1.1 荷兰三角洲 图 1.2 日本神户机场 图 1.3 新加坡樟宜机场 图 1.4 天津临港工业区 1 第 1 章 绪论 围海造陆工程是一种由陆域吹填发展到水域吹填的吹填工程,吹填深度达到 5 米以上。早期的围海造陆工程主要采用砂料作为吹填材料,然而,近年来砂料 成本越来越高,且运输不便,这严重影响了围海造陆工程的发展。因此,很多围 海造陆工程选择就地取材。航道、港池疏浚出来的淤泥成为了新的吹填材料,被 人们广泛使用[16-18]。这种吹淤造陆的方法即用挖泥船挖出淤泥,并用泥浆泵将其 通过管线输送到吹填区域围堰内进行填垫、沉积达到一定标高形成吹填陆地,如 图 1.5、1.6 所示。 图 1.5 挖泥船(现场拍摄) 图 1.6 吹填过程(现场拍摄) 不同吹填材料的吹填效果有很大不同,吹填软土加固所选择的地基处理方法 也不同。根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011,可将吹填材料按土质 分为砂土、粉土、黏性土以及淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等特殊性质土。 实践表明,砂土作为吹填材料效果最好。现在广泛使用的围海造陆工程的吹填材 料 一 般 为 淤 泥 、 淤 泥 质 土 , 处 理 难 度 较 大 。 根 据 《 港 口 工 程地 基 规 范 》 JTS147-1-2010 可将吹填常用的淤泥性土按孔隙比和含水率的不同分为淤泥质 土、淤泥、流泥( )、浮泥( )。不同吹填材料的粒度组 成也有很大差异。吹填土的粒度成分与地层在地质历史时期的沉积环境密切相 关,受沉积物质来源和沉积环境的影响,土的粒度成分表现出一定差异。不同物 质来源的差别与物质供给的强弱以及水动力条件的变化都会对沉积物颗粒组成 造成明显的影响,我国很多沿海地区如天津港、黄骅港、深圳港、连云港等的滨 海潮滩表面普遍沉积一层超软淤泥性土,受吹填施工工艺的影响,新近吹填的地 基表层吹填土为颗粒极细的流泥、浮泥,给工程处理造成极大难度[19]。 吹填软土地基的加固处理是围海造陆工程的重要一环。常用的吹填软土地基 处理方法有真空预压排水固结法、堆载预压排水固结法、水泥土搅拌桩法、强夯 置换法等。水泥土搅拌法和强夯置换法施工较困难,且成本很高,处理深度有限, 不宜用于大面积吹填区处理。堆载预压法需要土体表面经过 2~3 年晾晒形成硬 壳层,并且需要铺设一定厚度的砂层,才能进行堆载预压,对工期要求紧迫的工 2 85%150%150% 第 1 章 绪论 程并不适用。真空预压法成本低、施工简单,处理深度大,用于加固大面积新近 吹填淤泥场地既经济又可大大缩短工期[20-22]。 经过几十年的发展,真空预压法在围海造陆工程中得到了广泛使用,但在一 些表层有深厚浮泥、流泥的新近吹填淤泥地基加固工程中的应用效果并不理想, 分析其原因有以下几点[23-24]: 1)排水板淤堵。常规真空预压法技术处理新近吹填流泥、浮泥往往加固效 果有限,仅在排水板周围形成一些小的同心圆,拔出排水板后形成“葡萄串”状 的土体,排水板间的其它土体基本没有多大的改善或改善不多。在排水板滤膜的 外侧,形成细粒土聚集体,致密、低渗透性,形成了淤堵,真空压力难以通过滤 膜达到土体,而土体中水和气又难以通过滤膜排出。 2)一次真空预压处理后土体强度仍然较差,需进行二次处理,大大增加成 本,拖延了工期。 3)缩小排水板间距, 增大真空荷载,仍不足以将土体中的结合水排出,加 固效果仍得不到有效改善。 因此,研究新近吹填土在真空预压时的淤堵层形成机理、形成过程及防治淤 堵层形成的技术成为解决新近吹填土加固效果欠佳的关键,研究淤堵形成机理具 有重要意义和必要性。 在对真空预压淤堵行为机理进行研究的过程中,数值模拟的方法具有一定的 优势。比如离散元模拟的方法可以直接模拟单体土颗粒的受力和运动情况,对于 土体大变形问题特别适用。一方面,可利用离散元软件对土体微细观结构特别是 变形的动态微细观特性进行研究,进而揭示和认识真空渗流场作用下吹填土颗粒 运移的规律;另一方面,通过离散元数值模拟提取各种细观参数可以验证试验规 律的正确性进而指导试验的进行[25-26]。本文以天津滨海吹填土作为研究对象,利 用离散元模拟软件PFC2D对真空预压法固结过程进行模拟,研究淤堵行为机理, 并提出防治淤堵的方法和建议。从学术角度来看,对丰富吹填土研究手段、充分 理解真空预压排水固结机理有较高研究价值;从工程建设发展的角度,对工程技 术改进有重要的实际意义。 1.2 国内外研究现状 吹填土地基处理是围海造陆工程成败的关键,有一定的发展历史。本节首先 介绍常用的吹填土地基处理方法的发展历史,然后对近年来工程中常用的真空预 压法即本文研究对象存在的问题及研究现状进行阐述,最后基于对微细观层面研 究的需要对颗粒流数值模拟的应用发展情况进行介绍。 3 第 1 章 绪论 1.2.1 吹填土地基处理方法的发展 吹填土地基属于软土地基,针对软土地基的处理方法有着近八十年的发展 史,经历了从电渗固结法、砂井固结法到真空预压法、真空联合堆载预压法的重 要发展转变过程。在软土地基的发展早期,电渗加固法[27]的提出对软土地基处理 起到了巨大的推动作用,砂井固结法[28]在吹填软土地基处理中的使用更是开拓了 细粒土加固处理研究的先河,随后日本人将该方法用于通过航道疏浚形成的软黏 土地基的加固处理[29],开始了对吹淤造陆吹填地基加固方法的研究。1952 年, 瑞典的杰尔曼教授[30]提出了真空预压法加固软土地基的方法,这一方法的提出和 应用被称为软土地基加固的里程碑,得到了国内外学者的广泛关注,成为了此后 几十年的研究热点。 我国学者进行了大量的真空预压试验 [31],在真空预压的基础上提出了真空 联合堆载预压法[32],并通过室内及现场试验验证了该方法的可行性,加快了我国 吹填土地基处理发展的步伐。为了寻求提高地基处理效果的突破口,天津大学陈 环教授将化学改良法[33]引入了吹填土加固工程,并受到广大学者的重视。在真空 预压工艺方面,以真空预压法为基础的吹填土地基处理施工方法经历了从袋装砂 井到塑料排水板,从有砂垫层到荆笆、砂垫层结合再到无砂垫层,从滤水管网到 密闭式管网等一系列的技术改进,加速了排水固结过程。真空预压加固方法日臻 完善,成为一种非常成熟、高效的吹填地基处理方法。 1.2.2 真空预压法淤堵相关问题的研究 近些年,真空预压法在处理高黏性、高含水率吹填土过程中排水淤堵现象严 重,因而导致吹填地基加固效果很不理想。在天津、连云港、温州等地区的真空 预压加固新近吹填淤泥过程中,均出现排水板周围淤泥抱团形成“土柱”[34-35] 的现象,“土柱”直径大约 10~20cm,土柱内强度较高,而“土柱”外几乎为 稀泥状[36],这种现象导致距排水板不同位置土体加固效果差异明显,加固后的土 体很不均匀。邓东升等[37]通过室内小型真空泥水分离模型试验同样发现了淤堵泥 层堵塞排水通道导致排水效果降低的现象。 针对淤堵相关问题的成因及解决办法国内学者做了大量研究。在淤堵层形成 机理方面,陈平山等[35]针对真空预压法处理结束后出现“土桩”现象的问题结合 现场试验进行了研究,得出“土桩”的形成是由细粒土不断聚集造成的,并通过 数值模拟提出减小排水板间距、增大滤膜孔径的方法来避免“土桩”的形成。在 排水板排水性能方面,乐超等[38]从排水板滤膜对淤堵问题的影响角度出发,对比 4 第 1 章 绪论 了两种不同滤膜排水板的淤堵特性,得出滤膜制作工艺、孔径是影响其防淤堵性 能的关键因素;有些学者进行了新型防淤堵排水板的研究与制作,提出采用大孔 径排水滤膜有利于缓解淤堵[39-40]。在吹填土自身土性方面,颜永国等[41]从吹填材 料对排水效果影响角度出发,针对高黏粒含量吹填土真空预压排水效果不理想的 问题进行了室内模型试验,对比分析了不同掺砂量对吹填淤泥排水效果的影响, 得出掺砂量越多排水效果越好的结论。冯军等[23]对流泥真空预压加固后承载力仍 然很低的问题进行了室内模型试验研究,得出颗粒细小是造成承载力低的主要原 因。在真空加载方式方面,武亚军等[3]通过室内试验研究了 4 种不同加载方式对 流泥加固效果的影响,并建议初始加载时应该采用低级别荷载。综合以上研究, 鲍树峰等[24]通过试验比较全面地总结了淤堵行为产生的影响因素,包括排水板、 土性、加载速度等。在淤堵防治方面,朱平等[42]提出了可控通气真空预压法来解 决排水板淤堵问题;周源[43-45]等提出了透气真空法来加快泥水分离;金亚伟[40] 将增压真空预压系统用于太湖、天津淤泥地基处理工程。 以上学者采用不同的手段对真空预压淤堵相关问题进行了研究,但尚未从根 本上解决淤堵问题,并且多数因为成本太高,适用性有限,无法推广使用,究其 原因主要是对淤堵行为机理研究欠缺,且局限于现场试验及室内模型试验等宏观 层面,对微观层面的研究还十分有限。目前,由于试验技术条件的限制,无法通 过仪器设备监测手段对真空预压过程进行微观层面的研究,且研究淤堵需要采集 的排水板板壁处淤堵泥层的颗粒组成、孔隙率、渗透率数据难以采集。 1.2.3 离散元数值模拟的发展 随着计算机技术的发展,基于离散元方法[46]的数值模拟成为了研究土体变形 和应力应变问题的有效手段。离散元模拟[47]的方法可以直接模拟单体土颗粒的受 力和运动情况,因此,特别适合研究土体变形这种由微元体滑动错位导致宏观变 形的问题。对于土体受力和变形研究有着良好的理论基础和实际应用价值。离散 元模拟方法起源于国外, Bardet 等[48]利用二维颗粒集合体尝试描述了粒状材料 剪切带部分的结构特征,模拟了剪切带的厚度,位移,应力应变以及颗粒旋转等 问题;Usama EI Shamy 等[49]利用 PFC3D分析了孔隙水流对刚性不同高度容器内 的砂土沉积过程的影响,也是国外最早对三维土体颗粒流模拟进行的探究。 进入21世纪,随着周健及其课题组人员将 PFC2D 引入岩土工程,离散元模 拟开始受到国内学者的关注。周健等[50]利用PFC2D对砂土管涌、群桩挤土等工程 问题进行具体模拟分析;张刚[51]利用 PFC3D从细观力学角度对管涌的形成机制 进行了研究;杨静[52]根据颗粒流方法,利用 PFC3D软件在不同渗流压力条件下, 5 第 1 章 绪论 对不同静置时间试样的渗流情况进行模拟,得到试样结构强度的形成与静置时间 有关的结论;刘洋[53]基于饱和砂土连续力学模型,建立了细观力学模型,描述从 低雷诺流到高雷诺流的流体运动,表明超孔隙水压力从底部开始消散,逐渐向上 直至完全消散。 近几年,一些学者开始将离散元方法用于真空预压法的模拟。习志雄[54]基于 PFC2D模拟土颗粒的运动,定性研究了不同工况下排水板间距、排水真空度和土 体原始孔隙率等因素对土体孔隙率的影响,得出原始孔隙率越小的土体,真空排 水预压后土体相对越均匀;宋晶[55]建立了三维颗粒流数值模型对大连地区高粘性 吹填土分级真空预压固结过程进行模拟,证实了分级真空预压工法的可行性;武 亚军[56]和邹燃[57]分别做了真空预压法处理地基的相关模拟,对真空预压过程土 体变形机理进行了研究。这些研究证明了离散元方法可以用于对真空预压法进行 微细观层面的分析。 但是以上针对真空预压的颗粒流数值模拟还存在一些不完善的地方:习志雄 [58]虽然对真空预压法处理吹填土进行了二维等效模拟,定性研究了真空预压过程 中土体分布均匀性的规律,但是其生成的土颗粒粒径和级配与实际吹填土差别较 大,得出的颗粒运移规律与土粒骨架、孔隙形态与实际微观试验结果差别较大; 邹燃[61]虽然对土颗粒参数进行优化,使模拟结果与实际微观结构基本吻合,但其 只研究了自重沉降过程,对整个真空预压法机理的呈现和解释尚欠缺;宋晶[59] 虽然通过颗粒流数值模拟对真空预压固结机理进行了研究,但未考虑距离吹填口 不同距离处吹填土颗粒级配差别,以及真空度在土体中传递过程的消散对固结效 果的影响。以上这些模拟都是通过改变外部条件如加载方式对真空加固效果进行 研究,基于土体自身特性变化的影响分析尚缺乏系统深入地模拟研究。 1.3 本文研究内容和思路 本文的研究对象为天津地区新近吹填淤泥,含水率高、承载力极低,在进行 真空预压处理时其表层尚没有形成硬壳层,无法铺设砂垫层,因此必须采用无砂 直排式真空预压法。本文主要研究内容为: (1)室内模型试验 对取自天津临港围海造陆工程吹填场区的土样进行一系列土工试验,掌握其 宏观物理力学性质。采用一套室内小型真空预压设备进行室内真空预压试验,试 验过程中对沉降量、排水量、孔隙水压力、真空度进行监测,试验结束后进行物 理力学性质测试,并与处理前土性参数进行对比,检验加固效果。通过分析监测 数据,归纳总结排水过程中排水速率变化规律、土体变形规律、孔隙压力消散规 6 第 1 章 绪论 律,从宏观角度对淤堵行为机理进行解释。 (2)真空预压法离散元模拟 依据室内模型试验,研究真空预压法二维颗粒流数值模拟方法。首先对模拟 试样进行二维颗粒级配、孔隙比的转换,标定模型材料物理力学参数,建立二维 颗粒流模型;然后施加等效真空渗流场,进行数值模型求解。求解过程中,记录 不同时步的颗粒分布状态、渗流场、接触力链、排水速率等因素的变化过程,从 细观角度对淤堵行为机理进行解释。最后将模拟结果与试验结果进行对比,验证 模拟的正确性。 (3)淤堵行为影响因素及改进措施研究 为了进一步探究真空预压淤堵行为影响因素,进行了不同工况下的颗粒流分 析。分析不同颗粒组成、不同真空荷载条件下颗粒运移规律,对比总结不同颗粒 组成、真空荷载对真空预压加固效果的影响特点,最后提出真空预压法改进措施 并进行颗粒流模拟,验证方法的有效性。 本文研究思路框图如图 1-7 所示。 7 第 1 章 绪论 新近吹填淤泥真空预压法 宏微观研究 直排式真空预压室 内模型试验 确定数值模拟参数 验证数值结果 二维颗粒流数值 模拟 排 水 量 沉 降 量 真 空 度 孔 隙 水 压 力 物 性 参 数 不同颗粒组成真空 预压颗粒流模拟 不同荷载条件下 颗粒流数值模拟 加固效果及宏 观淤堵行为机 理分析 颗粒运移规律 及微观淤堵机 理分析 提出改进措施并 进行颗粒流模拟 初步验证 图 1-7 研究思路框图 8 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 2.1 概述 常规真空预压法[58]的排水和真空压力传递系统是通过设置真空管网、水平向 排水砂垫层和竖向排水体共同完成的。砂垫层的铺设需要消耗大量砂料,造成砂 料资源紧缺,成本增加。另外,在吹填地基上铺砂需要地基表面经历 2~3 年的 晾晒形成硬壳层,不满足新近吹填淤泥处理要求。无砂直排式真空预压法[59]是在 改进常规真空预压法工艺的基础上发展而来的,它不需要铺设砂垫层,并且采用 密闭的真空管网系统。这些改进保证了密封膜下及排水板内真空压力作用效能基 本与真空泵所提供效能一致,减少了因砂阻作用产生的能量损耗。另外,由于施 工简单且上部负载较轻,这种方法被广泛用于新近吹填的含水率很高的吹填场 地。 但是,真空预压法一直以来存在的淤堵问题仍然很严重,尤其对于天津地区 黏粒含量较高的吹填土,排水过程中更容易产生淤堵[23-24]。本章针对无砂直排式 真空预压法进行室内模型试验,探讨其处理效果,并对处理过程出现的问题进行 分析,从宏观角度分析其淤堵形成机理。 2.2 试验土样、装置和方法 2.2.1 试验土样 本文采用的吹填淤泥取自天津临港围海造陆工程吹填场区。试验前将土样重 新制备使其与吹填场区表层土样一致,首先用烘箱将土样烘干,然后将其碾碎、 过筛,最后将土样放入试验槽中加入适量水并搅拌均匀。配置土样按《土工试验 规程》SL237-1999 采用高频振动仪和密度计法分别进行了颗粒分析试验,试验 结果如图 2-1 所示。土样的液塑限采用液塑限联合测定仪按照《土工试验规程》 SL237-1999 进行测定,土体强度采用微型十字板剪切仪测定,土样的基本物性 参数见表 2-1。 9 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 图 2-1 试验土样颗粒级配曲线 表 2-1 土样基本物性参数 土粒 比重 孔隙比 配置含 水率/% 2.75 4.6 204.5 原含 水率 /% 96 塑限 液限 /% /% 十字板强 度/kPa 粉粒含 量/% 黏粒含 量/% 29.2 63.8 0 31.3 68.6 从表2-1可看出,该吹填淤泥土样具有以下特点:①颗粒细,含有大量黏粒, 黏粒含量达到总颗粒质量的70%左右;②液限高,塑性指数大于25,为高塑性淤 泥质黏性土;③含水率高,原土样大于85%,配置土样大于150%;④孔隙比大 (e>2.4),强度极低,接近于零。根据这些特点,可判定该土样为吹填浮泥, 无结构强度,无附着力,处于悬浮状态,与工程现场新近吹填土[24]保持一致。 2.2.2 试验装置 根据无砂直排式真空预压法工艺及本次试验要求,本次实验装置可分为土样 制备系统、抽真空系统、密封系统、排水系统、监测系统五个部分。试验模型示 意图如图2-2 所示,设备装置实物如图2-3所示。 10 0.10.010.001020406080100120 小于某粒径之土质量百分数(%)粒径(mm) 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 图2-2 室内模型试验模型示意图(根据图2-3绘制) 图2-3 室内模型试验装置实物图 土样制备系统:包括尺寸为76cm×56cm×70cm(长×宽×高)的透明钢化 玻璃槽,电动搅拌机等。 抽真空系统:包括真空泵、水气分离罐、钢丝软管、真空表、真空压力调节 阀等。真空泵可提供真空压力范围-0.1MPa~0MPa,水气分离罐的出气阀和进水 阀通过钢丝软管分别与真空泵和排水主管连接,起到了排气集水的作用。真空压 力调节阀与真空表都连接在出气阀门上,可以精确控制真空压力,改变真空加载 方式。 排水系统:由排水板、蝶形接头、钢丝软管、三通等连接而成。排水板采用 B型塑料排水板,其性能参数如表2-2所示,可知其滤膜有效孔径为30~70μm。 11 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 表2-2 塑料排水板性能指标表 项目 纵向通水量 滤膜渗透系数 滤膜等效孔径 单位 cm3/s cm/s µm 塑料排水板抗拉强度 kN/10cm 滤膜抗拉强度 干态 湿态 N/cm B型 ≥25 条件 侧压力350kPa ≥5×10-4 试件在水中浸泡24h 30~70 ≥1.3 ≥25 ≥20 以O98计 延伸率为10%时 延伸率为10%时 延伸率为15%时 试件在水中浸泡24h 现场排水板间距一般为0.8m,为了保持与现场相同的井径比,将排水板进行 裁剪。根据排水板等效直径计算公式: (2-1) 式中: —— 排水板等效直径(m); —— 排水板宽度 (m); —— 排水板厚度 (m); 井径比相同,排水板间距缩小一半,等效直径也应缩小一半,排水板厚度相 比宽度可忽略,因此将排水板剪成其一半宽度可基本满足相同井径比。 密封系统:包括密封膜、土工布、密封胶等。为了保证密封性,将一层土工 织布和一层塑料密封薄膜铺于土体之上,并将薄膜四周埋入土体中20厘米左右。 根据实际需要可多铺设几层密封膜。 监测系统:电子称、真空表、孔隙水压力计和沉降百分表。电子称用于测量 水气分离罐中水的质量,真空表用于测量水汽分离罐、排水板、土体内真空度。 孔隙水压力计通过采集仪记录排水板内、土体内各个位置孔隙水压力。沉降百分 表可测量土体表面沉降值。测量设备布置如图2-4所示。 12 2()pbDpDbδ 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 泥面 排水板 47cm 沉降标 7cm 9.5cm 9.5cm 20cm 排水板 20cm 真空表 孔压计 19cm 19cm 19cm 19cm 图2-4 测点布置图 2.2.3 试验步骤 本试验首先将配置的吹填泥浆搅拌均匀,注入模型箱中,将土样静置24小时, 淤泥经自重沉积后析出3cm高的清水,用真空抽水装置将表面清水抽出(调制好 后的土样,经过静置一段时间之后会出现水土分离现象)。然后在泥面铺设一层 土工织布,并在其表面相应位置开口,进行插板。接着根据图2-4所示,在相应 位置埋设孔压计、真空表等测试器件。最后铺设密封薄膜,将排水板与排水管路 连接,排水管与真空设备连接。连接完毕后,将真空设备通电,进行试抽气,检 查真空泵的工作效率及模型试验的密封状态,确认密封完好后,开始真空预压试 验。 整个试验过程使膜下真空度保持80kPa不变,当连续12小时排水量变化值为 零时停止试验。 2.3 试验数据监测 试验过程中对排水量、沉降量、孔隙水压力、及排水板内真空度进行监测。 以下将分别对监测内容进行具体分析。 13 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 2.3.1 排水量 试验过程中,通过水汽分离罐下方的电子称对排水量进行监测,整个过程排 水量随时间的变化曲线如图2-5所示。刚开始抽气时,由于土中存在大量重力水, 排水管中迅速涌入重力水,整个排水管被重力水占据,这个过程大约维持6小时, 如图OA段所示。之后,在排水板内的真空渗流气体开始驱动土体孔隙中的水排 出,逐渐形成稳定的渗流场,可以看到排水管中气体驱动水排入罐中,水的运动 是脉冲式的,并不连贯,这个阶段如图AB段所示。试验进行35000分钟后,排水 量变化趋于平稳,如图BC段所示,60000分钟后排水量12个小时没有变化,试验 结束。根据排水量可得AB段为主要排水阶段。 图2-5 排水量随时间变化曲线图 2.3.2 沉降量 试验过程中对排水板中心点沉降量进行监测,变化时程曲线如图2-6所示。 当试验进行到52000分钟时沉降量已经小于1mm/天,变形基本稳定。试验最终沉 降量为176mm,达到了初始泥面高度的37% 以上,属于大变形问题范畴。 14 01000020000300004000050000600007000001020304050CBA排水量 (kg)时间 (min)O 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 图2-6 中心沉降量随时间变化曲线 2.3.3 真空度和孔隙压力 在土工布与密封膜之间放置了一个真空表,在排水板内布置了一个真空表和 一个孔压计。整个实验过程膜下真空度和排水板内真空度都维持在-80kPa,排水 板内孔压值也维持-80kPa不变,真空度在排水边界处基本没有发生损耗,沿排水 板深度方向真空压力均匀分布,整个排水边界水头压力均为-80kPa。 孔压计布置如图2-4所示,土体中六个测点坐标以初始放入泥浆深度为x坐 标,以距离排水板距离为y坐标,分别为(7,10),(7,20),(27,10), (27,20),(47,10),(47,20),测试过程中测点(27,20)仪器损坏, 只有五个测点的数据。土体中不同位置处孔压随时间变化如图2-7所示。由图可 得,在真空压力作用下土体中的孔隙压力逐渐减小,最终趋于稳定。对比不同测 点的孔压变化曲线可得,浅层土体孔压变化大,深层土体孔压变化小,而同一土 层深度,距排水板不同距离的两个测点孔压变化趋势比较接近。 15 2001801601401201008060402000100002000030000400005000060000沉降量(mm)时间(min) 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 图2-7 孔隙压力随时间变化曲线 2.4 问题分析 2.4.1 加固效果分析 试验结束后,对两个排水板连线上的泥面高度进行量测,绘制出排水板剖面 泥面高度最终轮廓,如图2-8所示。由图可知,两排水板之间的中心点沉降量最 大,最大沉降量达17.6cm。排水板处沉降量最小,沉降量为12cm左右。吹填土 体在两个排水板径向10cm范围内出现了明显鼓起,可知在负压作用下大量颗粒 聚集在排水板周围,形成土柱。最大沉降差达到5.6cm,达到最大沉降量的30% 以上,说明产生了很大的差异性沉降。 图2-8 中心剖面泥面高度最终轮廓 16 01200024000360004800060000-60-50-40-30-20-10010孔压(kPa)时间(min) (47,20) (47,10) (7,20) (7,10) (27,10)0.09.519.028.538.047.557.066.576.029303132333435排水板剖面长度 (cm)泥面高度 (cm)排水板29303132333435 泥面高度 (cm) 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 为了进一步检验吹填土体加固效果,试验结束后检测不同位置处土体的基本 物理力学参数。首先用微型十字板剪切仪对不同位置的土体抗剪强度进行原位测 试,测试结果如表2-3所示。 表2-3 十字板剪切强度 土样位置编号 埋深/cm 与排水板水平距离/cm 十字板剪切强度/ kPa 1 0 0 2 10 0 3 20 0 4 0 10 5 10 10 6 20 10 7 0 20 8 10 20 9 20 20 16.5 12.0 5.5 14.0 10.5 5.0 10.5 5.0 2.0 由表2-3可得,土体的十字板剪切强度呈现出明显的沿深度变化的规律:深 度越大的土体,十字板剪切强度越小。土体剪切强度的最大值达到了最小值的5 倍以上,差异十分悬殊,远离排水板的深层土体的抗剪强度几乎没有提高。 完成剪切强度原位测试后,在土体不同位置处进行取样,每个位置取3个土 样,利用烘干法对所取土样含水率等相关指标进行测试。测试结果如表2-4所示。 土样位置编 号 埋深/cm 表2-4 基本物性参数指标 天然含水率 天然密度 与排水板水平 /% 距离/cm (三个土样 平均值) g/cm3 (三个土样 平均值) 孔隙比 (三个土样平 均值) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 加固前土样 0 10 20 0 10 20 0 10 20 — 0 0 0 10 10 10 20 20 20 — 54.32 59.15 61.23 56.83 81.75 91.33 62.98 94.24 105.25 204.5 1.71 1.67 1.64 1.69 1.57 1.52 1.61 1.49 1.47 1.39 1.48 1.62 1.69 1.49 2.16 2.43 1.50 2.55 2.81 4.6 由表2-4可得,紧邻排水板土体和表面土体处理效果较好,含水率都基本降 到了液限含水率以下,孔隙比都降到了1.5以下。其余位置土体加固效果很差, 含水率仍在液限含水率以上,孔隙比仍在1.5以上。图2-9为处理完成后,不同位 置土体的孔隙比分布图。 17 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 图2-9 不同位置土体孔隙比 由图2-9可得,表层土在距排水板不同位置处孔隙比比较接近,中下部土层, 离排水板越远的土体孔隙比越大。离排水板相同水平距离处的土体,随着深度的 增加孔隙比逐渐增大。 综上,直排式真空预压法处理新近吹填淤泥排水效果差,除表层土体外其余 土体含水率仍在液限含水率以上。排水结束后,土体表面出现严重的差异沉降, 不同位置加固效果差异较大,深度越大土体强度越低。因此,直排式真空预压法 对天津地区新近吹填淤泥的处理效果并不理想,需要进行方法改进。 2.4.2 淤堵问题分析 排水量从急速增长很快转变为缓慢增长并最终趋于稳定(如图2-5所示)说 明排水过程中伴随着淤堵行为的发生。排水板周围形成“土柱”(如图2-8所示), 表明排水过程中颗粒不断向排水板运移,形成淤堵层。颗粒运移导致淤堵层的形 成,而淤堵层的形成时间和和形成区域又反过来影响颗粒运移和真空渗流场,最 终造成不同位置处土体性质的差异(如表2-3、表2-4及图2-9所示)。通过室内试 验无法直接得出颗粒运移和真空渗流场变化规律,只能通过相关参数变化来间接 反映淤堵形成规律。 淤堵层形成规律和排水速率变化规律密切相关。对图2-5中主要排水阶段 AB段排水速率变化过程进行分析,求出各相邻时段的平均排水速率,并对时间 取对数,可得排水速率随时间对数的变化曲线如图2-10所示。 18 051015201.41.61.82.02.22.42.62.83.0孔隙比与排水板水平距离 (cm) 距表面0cm 距表面10cm 距表面20cm 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 图2-10 排水速率随时间变化曲线图 由图2-10可得,排水过程中排水速率先是快速上升达到最高点,接着排水速 率开始逐渐下降,最终趋于平稳。根据排水速率变化特点可将排水阶段划分为启 动阶段(OA段)、减速阶段(AB段)、平缓阶段(BC段)三个阶段。启动阶 段:细颗粒不断流失,未形成淤堵层,因此排水速率快速提高并达到峰值。减速 阶段:颗粒开始堵塞排水通道,排水速率开始呈现快速下降的趋势,直到速率趋 于平稳,本文上图曲线切线斜率为0.001时对应的时间作为此阶段结束时间,最 低速率大约为排水速率峰值的1/10。平缓阶段:淤堵层完全形成,排水速率缓慢 趋近于零。 孔压的变化规律同样可以反映淤堵形成规律。真空压力沿孔隙通道向周围土 体传递并使相邻土体孔隙内产生负孔压,随着真空压力的传递和孔隙压力的消散 土体中形成了真空渗流场,真空渗流场的变化影响着颗粒运移规律。由图2-7可 知,排水结束后距排水板10cm土体中的最小孔压值为-50kPa,与排水板中-80kPa 的孔压值相差很大,而距离排水板10cm到20cm之间的土体孔压值比较接近,即 距排水板较远土体内的孔压分布比较均匀,压差主要产生在排水板周围10cm范 围内土体中。可推测,真空渗流场主要作用在排水板周围10cm范围内,随着颗 粒的运移在这个范围内生成了淤堵层,淤堵层的产生导致远处土体孔压差很小, 渗流停滞。 由以上宏观试验结果可以大致确定淤堵层形成时间和形成区域,但正如上文 所述要想进一步掌握真空预压排水固结和淤堵形成机理还需要从微观角度对颗 粒运移规律和渗流场变化规律进行研究。 19 1101001000100001000000.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.009CBA排水速率(kg/min)时间对数(min)O 第 2 章 无砂直排式真空预压法室内模型试验 2.5 本章小结 通过对整个真空预压过程进行监测以及对试验前后土样进行测试对比,可概 括出如下结论: (1)虽然直排式真空预压法消除了真空度在排水边界处的损耗,但是对新 近吹填淤泥的处理效果并不理想。淤堵行为的产生几乎伴随着整个排水过程,严 重降低了排水效率,除表层土体外其余土体含水率仍在液限含水率以上。排水结 束后,土体表面出现严重的差异沉降,不同位置加固效果差异较大,深度越大土 体强度越低。 (2)排水速率呈现迅速上升、逐渐下降、缓慢达到平稳三个变化过程,排 水阶段可分为启动、减速、平缓三个阶段。最终孔隙比分布呈现上部小下部大, 排水板近处小远处大的特点。排水速率变化规律和土体孔隙比分布规律可以作为 颗粒流数值模拟结果的验证依据。 (3)排水速率、孔隙压力的变化规律可以间接反映淤堵层形成规律。根据 排水速率变化规律可以判定淤堵层形成时间,当排水速率开始下降时淤堵层开始 形成,排水速率趋于平稳时淤堵层完全形成。在真空压力作用下随着深度的增加 土体孔隙压力减小越慢,最终稳定值越大,当土体中孔隙压力趋于稳定时,在排 水板附近形成一道淤堵层,导致远处土体内压差变小,渗流停滞。 (4)仅仅从宏观角度对真空预压排水固结机理进行解释尚无法说明淤堵层 形成机理,还需要从微观角度对颗粒运移规律和淤堵层形成过程进行研究。 20 第 3 章 离散元数值模型建立 第 3 章 离散元数值模型建立 3.1 概述 研究真空预压过程中淤堵行为机理需要微观层面的解释。采用扫描电子显微 镜和压汞仪虽然可以分析颗粒、孔隙的分布特征,但是对真空预压过程中颗粒的 动态运移过程的监测尚难以完成,因此,需要采用数值模拟的方法。考虑到吹填 土在固结过程中从流动状态变为可塑状态,变形量通常大于20%,属于大变形, 因此选用颗粒流离散单元法。 模拟细粒土在真空压力下的运移过程需要生成大量颗粒,采用三维模型计算 模拟计算效率很低,无法满足计算要求,因此本文尝试了用二维模型进行模拟。 通过大量前期模拟,并将二维模拟结果与试验结果进行比较,发现二维模型基本 可以达到定性模拟淤堵现象、判定真空预压加固效果的要求。 3.2 颗粒流方法 与连续介质力学方法不同的是,PFC模型的基本构成为颗粒(Particle),通 过颗粒和颗粒之间的接触作用来反映模型的宏观力学性质。PFC颗粒之间的接触 力通过刚性颗粒之间的力学微小重叠来模拟计算,力和重叠量的关系通过牛顿第 二定律建立。颗粒之间的接触破坏分为剪切和断开两种,这两种破坏形式使材料 应力应变规律经历从峰前线性到峰后非线性的转化,从而决定了材料的本构关 系。因此,在PFC计算中需要通过设置颗粒的几何和力学参数,如颗粒粒径、刚 度、摩擦系数、粘结强度等微观力学参数来定义材料的本构关系。 3.2.1 固相运动理论 颗粒之间接触力计算采用“力-位移定律”。采用“牛顿运动定律”,更新 颗粒与颗粒之间、颗粒与边界之间的位置,构成新接触,并在时步循环条件下令 整体达到新的平衡。 3.2.1.1 力-位移计算 21 第 3 章 离散元数值模型建立 接触力 为矢量,依据矢量分解规则,分解为法向接触力 和切向接触力 。 法向接触力表达式为: 其中, 表示接触点处的法向刚度; 表示法向位移量,是指颗粒-颗粒, (3-1) 或者颗粒-墙体之间变形的重叠量。 切向接触力采用增量的形式,其表达式为: (3-2) 其中, 表示切向刚度; 表示切向位移增量。 3.2.2.2 运动定律 颗粒间的不平衡力和不平衡力矩使颗粒产生线速度和角速度,可以分别通过 平动方程和转动方程表示它们的关系。 平动方程为: 其中, 表示颗粒的不平衡力;m 表示颗粒实体总质量; 表示颗粒体积 (3-3) 力加速度。 转动方程为: 其中, 表示颗粒的不平衡力矩; 表示颗粒的角动量。 (3-4) 3.2.2 液相流动理论 饱和多孔介质是土颗粒、流体组成的两相体。固体和液体两相流动规律可以 用连续方程和 Navier-Stokes 方程描述,流体流动方向上体力的变化用压力梯度 方程来描述。流固相互作用方程基于以上流动方程和压力梯度方程。 3.2.2.1 连续方程和 N-S 方程 流固两相介质中的流体的连续方程和 N-S 方程分别如下: 22 jFnjFsjFnnnjF=KUnKnUnssjjΔF=-kΔUsksjΔUm..jjjF=(x+g)jFjgjjM=HjMjH 第 3 章 离散元数值模型建立 (3-5) (3-6) 其中, 表示孔隙率, 为流速矢量, 为时间, 为黏性应力张量, 表 示流体密度, 表示渗流压力, 是重力加速度, 为单位体积内颗粒与流体 的相互作用力。 3.2.2.2 压力梯度方程 压力梯度方程根据流体流动状态的不同,有两种形式。以 x 方向为例,当处 于层流状态即雷诺数为 1~10 时,满足达西定律条件,梯度方程如式 3-7 所示。 (3-7) 其中, 表示流体粘滞系数; 表示重力加速度; 表示水力传导率; 表示流体密度; 表示平均流速; 表示渗透率。 渗透率和孔隙率的关系如式 3-8 所示: 其中, 表示一个系数,取值范围 0.003-0.0055; 表示颗粒的平均粒径。 当雷诺数较大时,压力梯度表达式如式 3-9 所示: (3-8) (3-9) 3.2.2.3 颗粒流体相互作用方程 根据连续方程、N-S 方程和压力梯度方程可推导出流固相互作用过程中单个 颗粒受到的作用力为: (3-10) 其中, 表示单位体积内颗粒与流体的相互作用力; 表示单元体内各 个颗粒的直径。 压力梯度若只由颗粒和流体之间的相互作用引起,则 表达式为: 23 ()nntu()()fffnnnnntintfuuupgnutfpgintffffddxKk00xxgpuufgKf0xuk232(1)pdnkcncpd22233(1)(1)1501.75fffppdnndxndnd00xxpuu3()16ipddndxxixintdfpfxintfipdxintf 第 3 章 离散元数值模型建立 (3-11) 3.2.3 PFC 数值模拟过程简介 数值模拟大致可分为模型建立,模型求解,结果处理三大部分。 3.2.3.1 模型建立 模型建立的一般步骤为:数值 “网格” 模型生成、颗粒体的接触状态建立、 接触模型设置及其参数赋值、边界条件和初始状态建立。 数值“网络”模型即在特定形状特定区域内生成指定数目指定半径的一系列 颗粒。颗粒生成之后,需要建立颗粒体的接触状态,通过半径放大使颗粒达到指 定孔隙率,相邻颗粒之间接触与否根据所模拟土体自身性质决定,一般情况下相 邻颗粒必须接触。 上文提到接触模型决定着材料的本构关系,因此接触模型设置及其参数赋值 至关重要。接触模型分为刚度、滑动、粘结三种。其中,刚度模型表现接触颗粒 间力和位移的弹性关系;滑动模型表现接触颗粒之间的滑移关系;粘接模型表现 颗粒间切向力和法向力作用强度范围。接触模型需要通过参数赋值赋予材料属 性,包括颗粒属性和墙体属性及粘接属性,例如刚度、强度、摩擦系数等参数。 边界条件及初始状态通过设置墙体,颗粒速度、位移及施加荷载确定。颗粒 流模型的荷载包括主动荷载和被动荷载。主动荷载是指重力;被动荷载是指颗粒 被动地施加速度和外力。初始状态需要重现土体的初始地应力,经过自重及一系 列作用后,达到稳定状态,通过平均应力来实现。 3.2.3.2 模型求解 模型求解一般步骤: 1、定义模拟对象:明确模拟意图,了解实现模拟意图所需的条件,在尽可 能反映真实试验现象的条件下将模拟对象进行简化,忽略对所模拟问题影响不大 的条件,使模拟对象达到解释微观机理的要求。 2、构造并运行简化模型:建模时按照实际工序将模拟过程进行分解,建立 阶段性简化模型,提高解题效率。通过每一步简化模型的运行,可对每一阶段的 结果和准确度有更好的把控,通过分析简化模型的结果可判定所选的接触类型是 否有代表性、边界条件是否合适,并做好下一阶段计算的准备。 3、计算时间控制:程序运行过程中,时间步长的计算有两种,自动时步和 限定时步。自动时步受颗粒周围接触数目和瞬间刚度值的变化。限定时步与颗粒 24 dndxxintpf 第 3 章 离散元数值模型建立 体的大小和接触刚度有关的,静力分析条件下,令颗粒的自由度与时间匹配,能 加快模型收敛,以获得稳定解。颗粒流数值模拟过程中,计算时间只和粒子数目 呈近似的线性增长关系。 4、运行计算模型:在模型正式运行之前先进行试运行,检验模型运行是否 正常。计算结束后,根据对应特性参数的试验或理论计算结果来检查模拟结果是 否合理。确定模型方案准确可行后,导入所有的数据文件进行计算。 3.2.3.3 数据保存处理 对每阶段的运行结果进行保存,以便后续计算阶段使用。例如保存初始模型 计算结果,以便在此基础上改变荷载条件,进行平行模拟。在模拟过程中应记录 不同时步颗粒运移状态,监测不同测点不同参数变化过程,绘制时程曲线,便于 分析颗粒流动、渗流场变化规律。 3.3 模型建立 受计算机运算能力限制,颗粒数过大(接近实际),计算将难以进行,模拟 时将模型进行了适当缩小,甚至只能对局部进行模拟,因此最终的结果只能去定 性分析,无法做到定量分析。为了保证软件模拟的准确性,前期验证工作必须充 分,即通过不断调整微观参数使宏观力学物理性质与实际接近。微观参数的确定 是本软件模拟的一大难点。在使用颗粒流软件解决特定问题之前,需要确定颗粒 集合微观参数,包括颗粒尺寸分布及颗粒间接触刚度和强度等,计算模型微观参 数的正确取值是获取精确模拟结果的关键。 3.3.1 模型形状、尺寸及边界 在真空压力作用下,孔隙水主要沿水平方向渗流,两个排水板之间的土颗粒 主要受到水平方向的渗流力和竖向的自重力作用,因此可取沿两个排水板连线的 剖面(如图 2-4 所示)作为模拟面,模型可简化为一个平面二维矩形。试验中排 水板为左右对称布置,间距 0.4m,每个排水板的水平影响范围为 0 到 0.2m,排 水板入土有效深度为 0.3m,因此设定模型尺寸比例为 2:3。为了防止颗粒数目过 大影响计算效率,再将模型尺寸按比例进行一定的缩小,最终确定模型尺寸为水 平 0.20cm,竖向 0.30cm。 模型是由球和墙组成的,球代表土颗粒,墙代表模型边界。模型试验中将淤 泥置于模型箱中,上部通过土工布和密封膜包裹,起到了防止颗粒和水分由四周 25 第 3 章 离散元数值模型建立 流失的作用,颗粒和水只能通过排水板流失,因此数值模型除了左边界为排水板 边界外,其余均为刚性墙边界,设置墙体刚度是颗粒刚度的 100 倍左右,以防止 颗粒由于速度过快出现“穿墙逃逸”现象。模拟排水板时同样将其近似为刚性边 界,只考虑过滤作用,不考虑排水板的弯折。滤膜孔隙状态是决定排水板淤堵性 能最重要的因素,如何反映滤膜的孔隙特征是模拟排水板的关键。第二章室内试 验所用的 B 型排水板滤膜孔洞排列较规则,由压汞试验确定滤膜的平均孔径约 为 0.03mm,因此可采用一系列间距为 0.03mm 的点墙来模拟排水板。以上对边 界的设置虽然将墙体都设置为了刚性墙,与实际有一定不符,但不会影响颗粒的 水平竖向运移以及流场的分布,因此满足模拟要求。 考虑到本文模拟对象为吹填浮泥,是一种超高含水率的淤泥,含水率200% 以上,经搅拌均匀后颗粒处于完全的悬浮状态,并且试验中真空压力的施加也是 在土粒沉积之前进行的,因此模型的初始应力状态不考虑自重平衡应力,四个边 界的应力初始条件也设置为零,模拟过程中通过给颗粒施加重力加速度及浮力, 模拟处于悬浮状态的颗粒在水力作用下的横向和竖向运移。 真空渗流场的模拟是通过在土颗粒单元四周设置流体单元,形成流体网格来 实现流固相互作用。每个流体网格和网格中的颗粒组成一个流体计算单元,固相 计算和流固计算交替进行。根据固液相理论,流体网格划分影响着计算精确度及 计算效率,需建立简单模型进行试算。本模型最终确定流体单元个数为120个 (10×12)。生成流网时,会在模型四个边界外各生成一排(列)流体单元,用 来设置流体边界条件。室内模型试验通过在排水板位置进行抽真空使真空度达到 -80kPa,实现在水平方向上对整个土体施加真空压力,因此在数值模拟过程中, 通过将左边界处流体单元的流体压力设置为-80kPa,右边界处流体压力设置为 0kPa,形成水平方向的渗流压力梯度,来等效模拟渗流场对整个土体施加真空压 力。考虑 到真 空预压 过程中 主要通 过排 水板排 水,因 此上 下墙体 采用粗糙 (nonslip)不透水流体边界。 计算简图如图3-1所示。图中颗粒根据3.3.2节进行孔隙比及级配的等效转换 而生成,为了便于观察颗粒运移前后位置变化,按照颗粒所在位置不同区分了颜 色。图中颗粒处于悬浮状态,黏粒间尚没有发生无接触黏结,与试验吹填淤泥状 态一致。 26 第 3 章 离散元数值模型建立 图 3-1 颗粒流模型 3.3.2 颗粒组成和初始孔隙比 颗粒的生成需要考虑很多因素,颗粒组成和初始孔隙状态对真空预压过程淤 堵的产生影响很大,模拟使应使其尽量接近实际。第二章所用的土样,粒径主要 在 0.0015mm~0.02mm 之间,因此模拟时颗粒最小粒径取 0.0015mm,最大粒径 取 0.02mm。 3.3.2.1 颗粒级配转换 要确定颗粒组成,需要通过颗粒级配、孔隙比计算不同粒径颗粒对应的颗粒 数目。第二章中图 2-1 颗粒级配曲线反映的是三维状态下的颗粒级配情况,需要 转换为二维状态下的级配曲线,可按照徐国建等[60]使用的方法进行转换,下面为 具体转换过程。 颗粒级配通常由各粒径组颗粒含量确定,首先需要参照颗分试验的级配曲线 找出几个粒径特征点,将数值试样颗粒分成若干粒径组。根据上述粒径范围本次 模拟取 0.005mm、0.010mm、0.020mm 为粒径特征点,将颗粒分为(0.0015mm, 0.005mm)、(0.005mm,0.010mm)、(0.010mm,0.020mm)三个组,三个粒 径组在三维状态下的百分含量 、 、 分别为 65%、20%、15%。,三维状 态下各个粒组颗粒数目可根据式 3-12 计算。 (3-12) 27 1w2w3w31131/iavgiavgiwrnnwr 第 3 章 离散元数值模型建立 式中: 为各粒组颗粒平均粒径, 为各粒组颗粒数目,本模拟用粒径 0.005mm 的 颗粒 代表黏 粒,根 据模型 大小设 定三维 状态下 其颗粒 数量为 =10000 个。 二维数值试样实际上是三维数值试样的一个特征截面,这个特征截面各粒组 颗粒与三维数值试验相同,各粒组颗粒数目比例通过式 3-13 确定。 式中: 为黏粒组(粒径 0.005mm)在二维状态下的颗粒数目,根据模型尺寸 大小设定 =10000 个,其它颗粒组数目根据式 3-13 计算。 (3-13) 3.3.2.3 初始孔隙比转换 土体在三维状态下的孔隙比要小于二维状态下的孔隙比,因此需要进行一定 的转换,本次模拟采用了非等粒径转换方法[50],具体步骤如下。 首先经式 3-12、3-13 计算出各粒组颗粒数目后,利用 PFC 内置命令 Generate 随机生成颗粒,此方法生成的各颗粒组内颗粒按半径平均分布;然后通过公式 3-14 计算出目标二维试样的等效孔隙比 ,最后根据式 3-15 计算出颗粒半径 方法倍数 m,整个过程需要用 PFC 进行颗粒粒径统计。计算公式 3-14、3-15 如 下所示。 式中: 为实际孔隙比, 为生成颗粒的粒径; (3-14) (3-15) 式中: 为模型宽度, 为模型高度。 由表 2-1 可知模拟试样的初始孔隙比为 4.6,经过 24 小时的自重固结之后吸 出表层水,孔隙比减小为 4,所以数值模型三维状态实际孔隙比为 4。联立式 3-14、 3-15 进行换算,算得等效二维孔隙比为 2.43。 经过对试验用土样的级配及孔隙比进行二维等效转换,最终确定了数值模拟 土样的级配曲线如图 3-2 所示,由图可得数值模拟土样级配曲线与试验用土级配 曲线基本一致。按照此级配曲线及上述等效二维孔隙比,本模型最终生成土颗粒 10925 个。 28 avgirin1n111'/'iavgiiavgnrnnnr1'n1'n2de3220.667(1)1idiavgiiererrweir22(1)dibhmerbh 第 3 章 离散元数值模型建立 图 3-2 试验用土级配曲线及数值模拟土样级配曲线 3.4 模型计算参数确定 3.4.1 参数确定方法 颗粒流模型的宏观特性由组成模型的颗粒和墙体的微观参数决定,颗粒材料 强度参数和变形参数决定着物理力学模型的宏观力学响应和变形特性,选择合适 的颗粒微观参数才能使模拟结果与实际相符[61]。由 3.2 节可知 PFC 模型微观参 数包括物理几何参数和接触本构参数,物理几何参数根据上一节的方法确定,本 构关系的确定需要的参数比较多,而且各参数之间相互影响,且多数为非线性关 系。 为了反映黏性颗粒运移过程中聚集形成“假粉粒”团聚体的现象,PFC 提供 了切向接触粘结力 s_bond 和法向接触粘结力 n_bond 两个参数来实现颗粒间的凝 聚。粉粒间的接触本构模型则选取刚度接触模型,没有接触粘结参数。除此之外, 墙体作为颗粒运移边界需要考虑其法向刚度、切向刚度及摩擦系数。确定这些参 数需要借助物理试验进行参数标定,例如用 PFC 模拟轴向压缩试验,将常规三 轴物理试验得出的应力应变曲线作为数值模拟目标,对数值模型参数不断试错反 演,直到数值模拟得出的应力应变曲线与试验结果一致。 在数值模拟之前,取真空预压法处理后的土样进行三轴压缩、渗透等试验, 29 0.10.010.001020406080100120 小于某粒径之土质量百分数(%)粒径(mm) 数值土样 试验土样 第 3 章 离散元数值模型建立 试验所得物理力学参数如表 3-1 所示。 表 3-1 土样物理力学参数 粘聚力 c/kPa 内摩擦角 φ(°) 27.17 7.0 注:本土样取真空预压后表层土体 初始弹性模量 E/MPa 2.68 泊松比 孔隙比 0.29 1.48 3.4.2 双轴试验模拟 3.4.2.1 模型建立 PFC 可模拟双轴压缩试验并绘制出应力应变曲线近似反映土样的应力应变 特性。模型尺寸取 0.2cm×0.1cm,颗粒密度 2750kg/m3,粒径范围 0.0015mm 到 0.005mm,该范围为黏粒粒径范围,主要考虑到只有黏粒颗粒需要施加粘结作用。 孔隙比取表 2-4 中表层土土样的孔隙比 1.48,并进行二维转换,保证试样处于相 对密实的状态。左右墙体通过伺服机制控制速度,维持侧向应力固定不变,相当 于三轴试验的围压。上下墙体刚度较大,作为加载平台,通过设定一定的相对速 度实现对试样的轴向加载,加载方式为应变控制式。 在双轴压缩过程中,通过记录上下墙体的相对位移和墙面接触力合力来绘制 应力应变曲线,通过不同围压下的应力应变曲线计算弹性模量、泊松比,确定三 点主应力并绘制应力莫尔圆确定粘聚力和内摩擦角。 3.4.2.2 初始弹性模量和泊松比 为了得到反映试样弹性特性的参数,取颗粒间的摩擦系数 ,接触切 向粘结力 s_bond=l×1015N,接触法向粘结力 n_bond=l×1015N,保证试样发生足 够的弹性变形。加载方式采用先加载后卸载,加载过程中对以下变量进行监测: devi:轴向偏应力 ,其中 为轴向应力; deax:轴向应变 ; devol:体积应变 ; 并通过绘制应力随应变变化及体应变随轴应变变化曲线计算弹性模量和泊 松比,计算公式如下: (3-16) 30 10.0dacaavxyadaaE

新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第1页 第1页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第2页 第2页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第3页 第3页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第4页 第4页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第5页 第5页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第6页 第6页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第7页 第7页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第8页 第8页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第9页 第9页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第10页 第10页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第11页 第11页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第12页 第12页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第13页 第13页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第14页 第14页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第15页 第15页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第16页 第16页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第17页 第17页 / 共64页


新近吹填淤泥真空预压淤堵机理的试验研究及离散元模拟64p 第18页 第18页 / 共64页


说明:e文库 网站作为信息服务提供商,积极倡导原创、高质量的文档分享及各方权益的保护。本站只允许浏览文档前18页的内容,下载后的文档将可以浏览全部内容并且会比当前页面所见更加清晰,请放心下载!
下载此文档