《CFD-DEM粗粒化技术及其在粗粒土渗流潜蚀计算中的应用研究》

技术简介：

粗粒土作为一种常见的多孔介质,由于其内部颗粒粒径相差较大、级配分布不均匀等特点,导致其抗渗透能力较弱,在强降雨条件下,土体内部的细颗粒会发生潜蚀,进而引发一系列的工程灾害。离散元法作为岩土工程领域新兴的数值分析方法,它的特点是将研究对象视为若干个刚性颗粒的集合,可以从细观层面上分析土体发生变形破坏的内在机理,因此该方法在分析土体渗流潜蚀时存在着显著的优势。然而,由于在离散元法中,颗粒生成数量过多会极度影响其计算效率,因此,亟需找到一种粗粒化方法,提高离散元法的计算效率,使其能够在CFD-DEM(流固耦合)耦合条件下,进行多尺度的数值仿真。为了解决上述问题,本课题提出一种基于CFD-DEM的粗粒化方法,该方法可以用于研究粗粒土的渗流潜蚀效应,也可以用于工程尺度的仿真模拟,具体研究内容与成果如下:(1)基于量纲分析理论和离散元基本原理,得出粗粒土在离散元力学试验中关于峰值应力的相似关系;在相似关系中,通过控制L/R特征长度参数,来缩放离散元中的粗粒土颗粒,据此建立粗粒土粗粒化模型,并通过三轴数值试验验证该模型的有效性。试验结果证明:当L/R大于40且颗粒数量大于100w时,粗粒化前后的试件力学特性保持一致。(2)对工程现场挖掘的粗粒土弃渣进行室内三轴试验,并根据室内三轴试验建立相应的离散元单元试验模型,对离散元中的细观参数进行敏感性分析;最终将室内三轴试验数据与离散元三轴试验数据对比,得到符合该粗粒土宏观力学特性的细观参数。(3)基于粗粒化CFD-DEM技术,构建粗粒土渗流潜蚀模型,结合标定完成的细观参数,验证粗粒化方法在渗流潜蚀效应中的有效性,并分析粗粒土的渗流潜蚀规律,构建粗粒土渗流潜蚀描述模型。结果表明:粗粒化CFD-DEM技术在探究粗粒土渗流潜蚀效应时是有效的,粗粒土内部的细颗粒潜蚀量值和CFD模块中设置的流速相关,并且可以采取数学模型表征粗粒土渗流潜蚀的一般规律。(4)基于粗粒化CFD-DEM技术,针对张吉怀高铁某标段的弃渣场边坡,构建降雨工况下的边坡模型,将强度折减法应用于离散元法中求解不同工况下弃渣场边坡的安全系数,并分析边坡变形破坏过程。结果表明:粗粒化CFD-DEM技术可以应用于分析降雨边坡的稳定性计算,通过该方法计算出的弃渣场边坡安全系数和采取GeoStudio软件计算出的结果相似,这证明了粗粒化CFD-DEM在工程尺度上的适用性。该方法不仅为高效率计算工程尺度的离散元模型补充了理论依据,并且为从细观角度上分析边坡稳定性提供了新的思路。

研发人员：陈佳鑫