岩土力学 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (1): 403-412.doi: 10.16285/j.rsm.2017.1075

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

粒径及级配特性对土体渗透系数影响的细观模拟

刘一飞,郑东生,杨 兵,祝 兵,孙明祥   

  1. 西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031
  • 收稿日期:2017-05-31 出版日期:2019-01-11 发布日期:2019-01-31
  • 通讯作者: 杨兵,男,1976年生,博士,副教授,主要从事边坡动力学及稳定性分析方面的研究工作。E-mail: yangb@home.swjtu.edu.cn E-mail:470692042@qq.com
  • 作者简介:刘一飞,男,1990年生,博士研究生,主要从事岩土工程流固土耦合理论方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目资助(No. 10902112,No. 41176073);中央高校基本科研业务费专项资金资助(No. 2682017QY02)。

Microscopic simulation of influence of particle size and gradation on permeability coefficient of soil

LIU Yi-fei, ZHENG Dong-sheng, YANG Bing, ZHU Bing, SUN Ming-xiang   

  1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China
  • Received:2017-05-31 Online:2019-01-11 Published:2019-01-31
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (10902112, 41176073) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2682017QY02).

摘要: 渗透系数是体现土体渗透特性的主要参数。已有关于粒径及级配特性对土体渗透系数影响的研究主要采用试验研究方法,在试验研究中各个变量相互影响,很难完全独立改变某一参数,从而造成已有研究结论差异较大。在其他参数不变条件下数值模拟基本可以独立改变某一参量,弥补试验研究方法的不足。采用离散元数值模拟方法,通过调节控制粒径的方式,随机生成不同粒径、不同孔隙率、不同级配的土体多孔介质。利用格子Boltzmann方法从细观孔隙流体尺度模拟了土中的渗流。研究结果表明,格子Boltzmann方法可以准确有效地模拟土中的渗流;在渗流过程中存在主通道现象和大粒径效应;计算结果与Kozeny-Carman(简称K-C)公式完全一致,且证明K-C公式适用于不同级配的土体;渗透系数随不均匀系数和曲率系数的增大而增大;给出了一个包含级配参数的渗透系数计算公式,该公式与K-C公式基本等价,但所含参数是工程中较易测量的,对实际工程有一定的参考意义。

关键词: 格子Boltzmann方法, 渗透系数, 粒径, 级配, 土体

Abstract: Permeability coefficient is a main parameter to reflect the permeability of soil. Existent studies about influence of particle size and gradation on permeability coefficient of soil mainly focused on experiments. It is difficult to change a parameter completely independently because of the interaction of various variables in the experimental study, which results in considerable differences between the conclusions from different researchers. Under the condition that other parameters remain unchanged, numerical simulation can basically change a certain parameter independently to make up for the shortcomings of experimental methods. In this paper, the particle discrete element method is used to generate soil of porous media with different particle sizes, different porosities and gradations by adjusting the size of the control particles. Lattice Boltzmann method is used to simulate seepage in soil at meso-pore fluid scale. The results show that the lattice Boltzmann method can simulate soil seepage accurately and effectively. Main passageway phenomena and large particle size effect are found in the seepage process. The simulation results are in good agreement with those by Kozeny-Carman (K-C) formula, demonstrating the K-C formula is applicable to porous media with different gradations. The permeability coefficient increases with the increase of uniformity coefficient and the curvature coefficient. A formula for calculating permeability coefficient with gradation parameters is given. The formula is nearly equivalent to K-C formula, but the parameters in this formula can be measured easily.

Key words: lattice Boltzmann method, permeability coefficient, particle size, gradation, soil

中图分类号: 

  • TU 411
[1] 桂跃, 吴承坤, 赵振兴, 刘声钧, 刘锐, 张秋敏. 微生物分解有机质作用对泥炭土工程性质的影响[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 147-155.
[2] 李超, 李涛, 荆国业, 肖玉华. 竖井掘进机撑靴井壁土体极限承载力研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 227-236.
[3] 鲍宁, 魏静, 陈建峰. 桩承式路堤土拱效应三维离散元分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 347-354.
[4] 潘锐, 程桦, 王雷, 王凤云, 蔡毅, 曹广勇, 张朋, 张皓杰, . 巷道浅层破碎围岩锚注加固承载特性试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(6): 1887-1898.
[5] 徐东升, 黄明, 黄佛光, 陈成. 不同级配珊瑚砂水泥胶结体的破坏行为分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(5): 1531-1539.
[6] 褚福永, 朱俊高, 翁厚洋, 叶洋帆. 粗粒料级配缩尺后最大干密度试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(5): 1599-1604.
[7] 薛阳, 吴益平, 苗发盛, 李麟玮, 廖康, 张龙飞. 库水升降条件下考虑饱和渗透系数空间变异性的白水河滑坡渗流变形分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(5): 1709-1720.
[8] 范日东, 杜延军, 刘松玉, 杨玉玲, . 无机盐溶液作用下砂−膨润土竖向隔离屏障 材料化学相容性试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 736-746.
[9] 吴二鲁, 朱俊高, 王龙, 陈鸽, . 粗粒料的单参数级配方程及其适用性研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 831-836.
[10] 盛建龙, 韩云飞, 叶祖洋, 程爱平, 黄诗冰, . 粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型与数值分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 1048-1055.
[11] 李红坡, 陈征, 冯健雪, 蒙宇涵, 梅国雄, . 双层地基水平排水砂垫层位置优化研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 437-444.
[12] 闫超萍, 龙志林, 周益春, 旷杜敏, 陈佳敏, . 钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 581-591.
[13] 彭家奕, 张家发, 沈振中, 叶加兵, . 颗粒形状对粗粒土孔隙特征和渗透性的影响[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 592-600.
[14] 刘成禹, 陈博文, 罗洪林, 阮家椿, . 满流条件下管道破损诱发渗流侵蚀的试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 1-10.
[15] 王刚, 韦林邑, 魏星, 张建民, . 压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 32-38.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
No Suggested Reading articles found!