一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，結(jié)合顆粒離散元方法和計算流體動力學方法，建立骨架顆粒模型、骨架孔隙中符合賓漢姆流體特征的兩相介質(zhì)泥漿模型，進行泥漿成膜試驗的模擬。本發(fā)明根據(jù)室內(nèi)試驗獲取細觀參數(shù)，模擬掌子面骨架顆粒組成，模擬泥漿中細顆粒組成，施加注漿壓力邊界條件，進行數(shù)值模擬，從細觀角度判定泥漿在掌子面骨架顆粒組中是否形成泥膜。本發(fā)明根據(jù)模擬結(jié)果，可以從漿液配置方面提出改進措施，提高成膜效果，從而對實際工程具有指導(dǎo)意義。
【專利說明】一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，特別涉及一種將顆粒離散元與計算流體力學方法相結(jié)合的盾構(gòu)泥漿成膜數(shù)值模擬方法，屬于巖土工程中流固耦合分析【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著長江中下流跨江城市沿江開發(fā)的興起，我國掀起了一股修建大型過江過河隧道的熱潮，泥水盾構(gòu)以其適用地質(zhì)范圍廣、開挖面穩(wěn)定性高等優(yōu)點深受青睞。泥水盾構(gòu)以壓力泥漿支護開挖面，泥膜的形成對開挖面穩(wěn)定非常重要，尤其在高滲透性地層，泥漿極易穿透地層直接滲出而不能形成所需的支護壓力，從而誘發(fā)開挖面失穩(wěn)等事故發(fā)生。
[0003]由于目前從宏觀的角度基于連續(xù)介質(zhì)方法研究泥漿成膜尚不具有較好的適應(yīng)性，較常見為采用有限元或差分法法模擬工程注漿。在采用有限元或差分法模擬注漿時，無法描述泥漿中細顆粒粒徑與骨架顆?？紫蛾P(guān)系，因此無法模擬泥漿入滲或成膜過程；漿液的模擬一般均假設(shè)服從達西滲流，如此則與泥漿實際流動過程存在一定的差異。
[0004]土體顆粒在顆粒流程序(Particle Flow Code,簡稱PFC)中可以用粒徑較大的顆粒表示，而對于水泥漿液顆粒則采用粒徑較為細小的顆粒來模擬，在適當?shù)牧黧w邊界條件下，即可模擬水泥漿液小顆粒在土體大顆粒形成的孔隙中流動的物理過程，可以直觀的觀測泥漿中細顆粒在地層孔隙中的動態(tài)擴散過程，從細觀尺度描述泥漿細顆粒穿越地層中的孔隙及在孔隙通道中的運移規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，采用顆粒離散元與計算流體力學相結(jié)合的方法，從細觀角度研究漿液在骨架孔隙中流動、附著過程，從而實現(xiàn)對泥漿成膜機理的分析和研究。本發(fā)明可以對現(xiàn)場泥漿成膜過程進行仿真，起到替代室內(nèi)試驗的作用。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明提供一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，結(jié)合顆粒離散元方法和計算流體動力學方法，建立骨架顆粒模型、骨架孔隙中符合賓漢姆流體特征的兩相介質(zhì)泥漿模型，進行泥漿成膜試驗的模擬，具體步驟如下:
[0008]步驟I，根據(jù)顆粒分析實驗，獲取掌子面骨架顆粒級配曲線；
[0009]步驟2，根據(jù)相對密實度試驗，確定掌子面骨架顆粒細觀參數(shù)；再根據(jù)步驟I中的掌子面骨架顆粒級配曲線以及相對密實度，利用顆粒離散元方法，建立相應(yīng)的掌子面骨架顆粒離散元模型；
[0010]步驟3，利用計算流體動力學方法，建立符合賓漢姆流體特征的兩相介質(zhì)泥漿模型，具體如下:
[0011]301，泥漿注入過程中確保顆粒與流體不發(fā)生離析及分選，劃分流核區(qū)大小，建立泥漿中顆粒分區(qū)判據(jù)并對泥漿中顆粒分區(qū)，實現(xiàn)對具有賓漢姆流體特征的泥漿運動特征的描述；
[0012]所述確保顆粒與流體不發(fā)生離析及分選，具體如下:
[0013]a.利用計算流體動力學分析初始流場，獲取注漿源周邊骨架顆粒孔隙中泥漿流速及壓力分布；
[0014]b.根據(jù)賓漢姆流體的屈服應(yīng)力及壓力梯度，確定骨架孔隙中流核區(qū)與外圍區(qū)的界限。
[0015]c.按照漿液流速的分布，設(shè)定各區(qū)的顆粒運動狀態(tài)；
[0016]302，將顆粒與漿液間的相間耦合力、顆粒間作用力及分區(qū)判據(jù)作用于顆粒，利用顆粒離散法分析得出顆粒下一時步速度、密度分布，并依據(jù)前端顆粒的位置確定泥漿鋒面，實時調(diào)整流場分析邊界；
[0017]所述確定泥漿鋒面具體是指，通過追蹤顆粒的運移規(guī)律，將顆粒沿流線方向運移的最遠位置確定為泥漿鋒面，將其調(diào)整為下一分析時步流域邊界；
[0018]步驟4，基于步驟2中的掌子面骨架顆粒離散元模型和步驟3中的兩相介質(zhì)泥漿模型，模擬泥漿成膜的過程，根據(jù)泥漿中顆粒在掌子面骨架顆粒離散元模型內(nèi)部或表面依附狀態(tài)，判別是否形成泥膜，結(jié)束模擬過程；
[0019]所述判別是否形成泥膜，具體是指，根據(jù)泥漿鋒面的遷移特征，獲取泥漿中顆粒運動特征及鋒面附近的泥漿密度，判別泥漿成膜效果。
[0020]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0021](I)本發(fā)明采用顆粒離散元的模擬方法，不僅可以避免在采用有限元或差分法模擬注漿時無法描述漿液中細顆粒粒徑與骨架顆?？紫蛾P(guān)系的問題，而且還可以方便地追蹤細顆粒在骨架孔隙中擴展的整個過程；
[0022](2)本發(fā)明采用細觀顆粒流方法模擬盾構(gòu)機泥漿成膜中細顆粒運移具有特殊的優(yōu)勢，同時骨架孔隙中賓漢姆流體及細顆粒兩相介質(zhì)的運動與工程實際契合，為盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬提供了新的研究思路，可以指導(dǎo)室內(nèi)泥漿配比試驗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0024]圖2是掌子面骨架顆粒離散元模型。
[0025]圖3是賓漢姆流體流速分布圖，其中，(a)為流核高度計算控制體；(b)為管道中流速分布圖。
[0026]圖4是泥漿中細顆粒與掌子面骨架顆粒離散元模型示意圖。
[0027]圖5是泥漿成膜過程中漿液擴散過程示意圖，其中，(a)為Os時刻漿液擴散示意圖；(b)為Is時刻漿液擴散示意圖；(C)為IOOs時刻漿液擴散示意圖；(d)為200s時刻漿液擴散示意圖。
[0028]圖6是泥漿在地層中成膜效果判別分區(qū)圖。
【具體實施方式】
[0029]下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0030]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解的是，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。
[0031]本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0032]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
[0033]本發(fā)明設(shè)計一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，結(jié)合顆粒離散元方法和計算流體動力學方法，建立骨架顆粒模型、骨架孔隙中符合賓漢姆流體特征的兩相介質(zhì)泥漿模型，進行泥漿成膜試驗的模擬，具體步驟如下:
[0034]步驟I，根據(jù)顆粒分析實驗，獲取掌子面骨架顆粒級配曲線；
[0035]步驟2，根據(jù)相對密實度試驗，確定掌子面骨架顆粒細觀參數(shù)；再根據(jù)步驟I中的掌子面骨架顆粒級配曲線以及相對密實度，利用顆粒離散元方法，建立相應(yīng)的掌子面骨架顆粒離散元模型；
[0036]步驟3，利用計算流體動力學方法，建立符合賓漢姆流體特征的兩相介質(zhì)泥漿模型，具體如下:
[0037]301，泥漿注入過程中顆粒與流體不發(fā)生離析及分選，劃分流核區(qū)大小，建立泥漿中顆粒分區(qū)判據(jù)并對泥漿中顆粒分區(qū)，實現(xiàn)對具有賓漢姆流體特征的泥漿運動特征的描述；
[0038]302，將顆粒與漿液間的相間耦合力、顆粒間作用力及分區(qū)判據(jù)作用于顆粒，利用顆粒離散法分析得出顆粒下一時步速度、密度分布，并依據(jù)前端顆粒的位置確定泥漿鋒面，實時調(diào)整流場分析邊界；
[0039]步驟4，基于步驟2中的掌子面骨架顆粒離散元模型和步驟3中的兩相介質(zhì)泥漿模型，模擬泥漿成膜的過程，根據(jù)泥漿中顆粒在骨架模型內(nèi)部或表面依附狀態(tài)，判別是否形成泥膜，結(jié)束模擬過程。
[0040]以下通過具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步闡述:
[0041]由于目前從宏觀的角度基于連續(xù)介質(zhì)方法研究泥漿成膜尚不具有較好的適應(yīng)性(如較常見的采用有限元法模擬工程注漿，因此本發(fā)明設(shè)計一種采用顆粒離散元與計算流體動力學相結(jié)合的方法，從細觀角度研究漿液在骨架孔隙中流動、附著過程，從而實現(xiàn)對泥漿成膜機理的分析和研究。
[0042]本發(fā)明一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法的具體實施例，如圖1所示其步驟如下:[0043]步驟1，選取實際工程的掌子面作為試樣，對其進行顆粒試驗，繪制顆粒級配曲線。
[0044]步驟2，建立相應(yīng)掌子面骨架顆粒離散元模型，如圖2所示，分別模擬5種不同粒徑及滲透系數(shù)的砂性地層，代表5組掌子面骨架顆粒模型，模型具體參數(shù)下表所示。
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，其特征在于，結(jié)合顆粒離散元方法和計算流體動力學方法，建立骨架顆粒模型、骨架孔隙中符合賓漢姆流體特征的兩相介質(zhì)泥漿模型，進行泥漿成膜試驗的模擬，具體步驟如下: 步驟I，根據(jù)顆粒分析實驗，獲取掌子面骨架顆粒級配曲線； 步驟2，根據(jù)相對密實度試驗，確定掌子面骨架顆粒細觀參數(shù)；再根據(jù)步驟I中的掌子面骨架顆粒級配曲線以及相對密實度，利用顆粒離散元方法，建立相應(yīng)的掌子面骨架顆粒離散元模型； 步驟3，利用計算流體動力學方法，建立符合賓漢姆流體特征的兩相介質(zhì)泥漿模型； 步驟4，基于步驟2中的掌子面骨架顆粒離散元模型和步驟3中的兩相介質(zhì)泥漿模型，模擬泥漿成膜的過程，根據(jù)泥漿中顆粒在掌子面骨架顆粒離散模型內(nèi)部或表面依附狀態(tài)，判別是否形成泥膜，結(jié)束模擬過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟3中利用計算流體動力學方法，建立符合賓漢姆流體特征的兩相介質(zhì)泥漿模型，具體如下: 301，泥漿注入過程中確保顆粒與流體不發(fā)生離析及分選，劃分流核區(qū)大小，建立泥漿中顆粒分區(qū)判據(jù)并對泥漿中顆粒分區(qū)，實現(xiàn)對具有賓漢姆流體特征的泥漿運動特征的描述； 302，將顆粒與漿液間的相間耦合力、顆粒間作用力及分區(qū)判據(jù)作用于顆粒，利用顆粒離散法分析得出顆粒下一時步速度、密度分布，并依據(jù)前端顆粒的位置確定泥漿鋒面，實時調(diào)整流場分析邊界。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟301中所述確保顆粒與流體不發(fā)生離析及分選，具體如下: a.利用計算流體動力學分析初始流場，獲取注漿源周邊骨架顆?？紫吨心酀{流速及壓力分布； b.根據(jù)賓漢姆流體的屈服應(yīng)力及壓力梯度，確定骨架孔隙中流核區(qū)與外圍區(qū)的界限； c.按照漿液流速的分布，設(shè)定各區(qū)的顆粒運動狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟302中所述確定泥漿鋒面具體是指，通過追蹤顆粒的運移規(guī)律，將顆粒沿流線方向運移的最遠位置確定為泥漿鋒面，將其調(diào)整為下一分析時步流域邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種泥水盾構(gòu)機泥漿成膜數(shù)值模擬方法，其特征在于，步驟4中所述判別是否形成泥膜，具體是指，根據(jù)泥漿鋒面的遷移特征，獲取泥漿中顆粒運動特征及鋒面附近的泥漿密度，判別泥漿成膜效果。
【文檔編號】G01N13/04GK104007045SQ201410198910
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】倪小東, 趙帥龍, 王媛 申請人:河海大學