基于离散元的渗流致断级配土颗粒运移数值分析方法研究
发布时间：2021-01-29 11:44
天然土层和土工构筑物中广泛存在着断级配土,例如,河流沉积的砂砾土、土石坝反滤层与防渗体构成的滤层-土基系统以及油气开采时砾石防砂层与储层砂构成的滤层-土基系统。在渗流作用下,断级配土内部易发生细颗粒在粗骨架内的运移,引起土体细颗粒流失、优势渗流通道形成和土体强度弱化,进而诱发坝基管涌破坏、土石坝防渗体冲蚀以及砾石层防砂失效等重大工程灾害。渗流引起断级配土细颗粒运移机理涉及颗粒尺度的颗粒-颗粒相互作用以及粗骨架孔隙尺度的颗粒-流体耦合,物理试验和基于宏观本构的数值模拟难以深入理解上述细观机理。离散元（DEM）从颗粒尺度建模岩土体,基于离散元的颗粒-流体耦合分析方法为认识上述细观机理提供了有效的数值工具。然而,目前离散元中岩土颗粒细观参数的确定较为困难,现有的岩土颗粒细观参数标定方法未充分考虑细观参数之间的交互影响,导致参数标定过程需反复试错,耗时且准确性差。另一方面,现有基于离散元的颗粒-流体耦合分析方法无法兼顾流场求解尺度和耦合计算负担,限制了其在细颗粒运移模拟分析中的应用。针对上述问题,基于土工三轴试验和离散元模拟,在细观参数标定过程中考虑细观参数的交互影响。基于离散元和计算流体动力...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：260 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１断级配土的典型级配曲线示意图??
粒－流体耦合：在粗骨架孔隙渗流作用下，断级配土内细颗粒在粗骨架孔隙中发生运动??和迁移，造成细颗粒流失，同时，细颗粒之间以及细颗粒与粗骨架之间发生相互作用，??引起粗骨架局部孔隙阻塞（图１．３）?？，另一方面，随着断级配土内细颗粒的运移和流失，??粗骨架孔隙流体向细颗粒流失区域汇集，骨架孔隙内逐渐形成优势孔隙渗流（图１．３）［１３］。??然而，目前关于断级配土内细颗粒运移的研宄多是基于宏观尺度的试验观测和唯象描述。??例如，对土体是否发生管涌的判断以及管涌临界水力梯度的预测大多依赖于土体的宏观??级配曲线［１３，１７＿１９］；类似地，砾石层防砂设计准则以及出砂预测模型多基于砾石层和地层??
直接测量法通过颗粒尺度的室内试验直接测量单个颗粒的细观参数。Ｄｕｔｔ等［５７］采用??纳米压痕试验［５８］测量了一种石英砂一一Ｏｔｔａｗａ砂颗粒的杨氏模量。在纳米压痕试验中??（见图１．４），首先对砂颗粒进行切片和抛光处理，在砂颗粒上产生抛光面；然后，采??用特定压头垂直贯入砂颗粒抛光面一定深度后卸载，根据压头卸载的力－位移曲线（图??１．４（ｂ））获得砂颗粒的杨氏模量。Ｄｕｔｔ等［５７］对Ｏｔｔａｗａ砂颗粒进行测试，获得其杨氏模量??平均值为１０５?ＧＰａ；然而，由于试验操作繁琐且耗时，Ｄｕｔｔａ等仅测试了?１０个砂颗粒，??结果不具有代表性。Ｗａｎｇ等［５９］通过纳米压痕试验测试了另一种石英砂一一Ｅｇｌｉｎ砂颗粒??的杨氏模量。试验中测试了６组不同粒径区间内的颗粒，对每一组粒径区间内的颗粒进??行了近１００组的纳米压痕测试。结果显示，Ｅｇｌｉｎ砂的杨氏模量在３０？１２０?ＧＰａ范围内??变化，数值上存在一定波动；Ｗａｎｇ等［５９］分析认为砂颗粒内部的缺陷可能对试验结果产??生一定影响，引起结果的波动。类似的研宄还见于Ｅｒｄｏｇａｎ等［６（）］和又１１等［６１］。目前看来，??由于试验手段的局限性
【参考文献】：
期刊论文
[1]渤海油田疏松砂岩储层动态出砂预测[J]. 李进,许杰,龚宁,韩耀图,高斌. 西南石油大学学报(自然科学版). 2019(01)
[2]深部岩石考虑残余强度时三轴试验离散元定量模拟及参数分析[J]. 李磊,蒋明镜,张伏光. 岩土力学. 2018(03)
[3]CFD-DEM耦合计算中的体积分数算法[J]. 刘德天,傅旭东,王光谦. 清华大学学报(自然科学版). 2017(07)
[4]砂土管涌的反滤机理颗粒流模拟研究[J]. 张凤德,杨云超,荣冠,张璐,李响. 水电与新能源. 2017(06)
[5]基于正交实验的海上疏松砂岩油藏防砂参数优选方法[J]. 孙东征,刘凯铭,孙金,闫伟,曹砚锋,闫新江,汪伟. 中国海上油气. 2017(02)
[6]考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法[J]. 王胤,艾军,杨庆. 岩土力学. 2017(06)
[7]天然气水合物开采过程中的出砂与防砂问题[J]. 李彦龙,刘乐乐,刘昌岭,孙建业,业渝光,陈强. 海洋地质前沿. 2016(07)
[8]砂砾石与砂接触冲刷试验研究[J]. 陈群,彭君,朱分清. 岩土力学. 2016(S1)
[9]反滤层设计原理与准则[J]. 刘杰,谢定松. 岩土工程学报. 2017(04)
[10]基于防砂模拟试验装置的砾石充填防砂参数优化设计研究[J]. 张磊,曹砚锋,潘豪. 长江大学学报(自科版). 2015(26)
博士论文
[1]疏松砂岩油藏适度出砂井近井地层渗透率变化规律研究[D]. 谢一婷.西南石油大学 2017
[2]考虑出砂影响的砾石充填防砂水平井产能预测方法研究[D]. 李彦超.中国石油大学（华东） 2013
[3]三轴试验土样全表面变形测量方法及其应用[D]. 刘潇.大连理工大学 2012
[4]单调与循环加荷条件下砂土力学性质细观模拟[D]. 史旦达.同济大学 2007
[5]管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究[D]. 张刚.同济大学 2007
硕士论文
[1]基于局部平均的DEM-SPH耦合数值模拟及GPU并行计算[D]. 李浩林.大连理工大学 2018
[2]土的剪胀机理及试验研究[D]. 鹿英奎.北方工业大学 2012
本文编号：3006831
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：260 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１断级配土的典型级配曲线示意图??
粒－流体耦合：在粗骨架孔隙渗流作用下，断级配土内细颗粒在粗骨架孔隙中发生运动??和迁移，造成细颗粒流失，同时，细颗粒之间以及细颗粒与粗骨架之间发生相互作用，??引起粗骨架局部孔隙阻塞（图１．３）?？，另一方面，随着断级配土内细颗粒的运移和流失，??粗骨架孔隙流体向细颗粒流失区域汇集，骨架孔隙内逐渐形成优势孔隙渗流（图１．３）［１３］。??然而，目前关于断级配土内细颗粒运移的研宄多是基于宏观尺度的试验观测和唯象描述。??例如，对土体是否发生管涌的判断以及管涌临界水力梯度的预测大多依赖于土体的宏观??级配曲线［１３，１７＿１９］；类似地，砾石层防砂设计准则以及出砂预测模型多基于砾石层和地层??
直接测量法通过颗粒尺度的室内试验直接测量单个颗粒的细观参数。Ｄｕｔｔ等［５７］采用??纳米压痕试验［５８］测量了一种石英砂一一Ｏｔｔａｗａ砂颗粒的杨氏模量。在纳米压痕试验中??（见图１．４），首先对砂颗粒进行切片和抛光处理，在砂颗粒上产生抛光面；然后，采??用特定压头垂直贯入砂颗粒抛光面一定深度后卸载，根据压头卸载的力－位移曲线（图??１．４（ｂ））获得砂颗粒的杨氏模量。Ｄｕｔｔ等［５７］对Ｏｔｔａｗａ砂颗粒进行测试，获得其杨氏模量??平均值为１０５?ＧＰａ；然而，由于试验操作繁琐且耗时，Ｄｕｔｔａ等仅测试了?１０个砂颗粒，??结果不具有代表性。Ｗａｎｇ等［５９］通过纳米压痕试验测试了另一种石英砂一一Ｅｇｌｉｎ砂颗粒??的杨氏模量。试验中测试了６组不同粒径区间内的颗粒，对每一组粒径区间内的颗粒进??行了近１００组的纳米压痕测试。结果显示，Ｅｇｌｉｎ砂的杨氏模量在３０？１２０?ＧＰａ范围内??变化，数值上存在一定波动；Ｗａｎｇ等［５９］分析认为砂颗粒内部的缺陷可能对试验结果产??生一定影响，引起结果的波动。类似的研宄还见于Ｅｒｄｏｇａｎ等［６（）］和又１１等［６１］。目前看来，??由于试验手段的局限性
【参考文献】：
期刊论文
[1]渤海油田疏松砂岩储层动态出砂预测[J]. 李进,许杰,龚宁,韩耀图,高斌. 西南石油大学学报(自然科学版). 2019(01)
[2]深部岩石考虑残余强度时三轴试验离散元定量模拟及参数分析[J]. 李磊,蒋明镜,张伏光. 岩土力学. 2018(03)
[3]CFD-DEM耦合计算中的体积分数算法[J]. 刘德天,傅旭东,王光谦. 清华大学学报(自然科学版). 2017(07)
[4]砂土管涌的反滤机理颗粒流模拟研究[J]. 张凤德,杨云超,荣冠,张璐,李响. 水电与新能源. 2017(06)
[5]基于正交实验的海上疏松砂岩油藏防砂参数优选方法[J]. 孙东征,刘凯铭,孙金,闫伟,曹砚锋,闫新江,汪伟. 中国海上油气. 2017(02)
[6]考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法[J]. 王胤,艾军,杨庆. 岩土力学. 2017(06)
[7]天然气水合物开采过程中的出砂与防砂问题[J]. 李彦龙,刘乐乐,刘昌岭,孙建业,业渝光,陈强. 海洋地质前沿. 2016(07)
[8]砂砾石与砂接触冲刷试验研究[J]. 陈群,彭君,朱分清. 岩土力学. 2016(S1)
[9]反滤层设计原理与准则[J]. 刘杰,谢定松. 岩土工程学报. 2017(04)
[10]基于防砂模拟试验装置的砾石充填防砂参数优化设计研究[J]. 张磊,曹砚锋,潘豪. 长江大学学报(自科版). 2015(26)
博士论文
[1]疏松砂岩油藏适度出砂井近井地层渗透率变化规律研究[D]. 谢一婷.西南石油大学 2017
[2]考虑出砂影响的砾石充填防砂水平井产能预测方法研究[D]. 李彦超.中国石油大学（华东） 2013
[3]三轴试验土样全表面变形测量方法及其应用[D]. 刘潇.大连理工大学 2012
[4]单调与循环加荷条件下砂土力学性质细观模拟[D]. 史旦达.同济大学 2007
[5]管涌现象细观机理的模型试验与颗粒流数值模拟研究[D]. 张刚.同济大学 2007
硕士论文
[1]基于局部平均的DEM-SPH耦合数值模拟及GPU并行计算[D]. 李浩林.大连理工大学 2018
[2]土的剪胀机理及试验研究[D]. 鹿英奎.北方工业大学 2012
本文编号：3006831
本文链接：https://www.wllwen.com/jianzhugongchenglunwen/3006831.html
