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运用离散单元法研究土体管涌机理

倪小东  
【摘要】:管涌是渗透变形的一种重要的破坏形式,给江河两岸的人民带来了巨大的经济损失和人员伤亡。目前对于管涌的研究从不同的方向对管涌的原理进行了揭示,采用的具体方法也不一样,但是由于管涌是由于颗粒的运移引起的,因此如果能够从颗粒受力机理上进行探索,进而揭示管涌的机理可以说是比较有意义的探索。 基于这样的想法,联系现有的数值计算方法,考虑离散单元法作为研究散粒体比较有效的工具,因此设想利用离散元的方法来进行管涌机理的研究。 本文的工作主要包括: (1)研究了离散元方法目前在工程中的运用,以及目前管涌研究所采取的方法,得出离散元方法研究管涌的优势所在。 (2)针对目前离散元方法中考虑流体作用较少的现状,仔细分析了离散元计算的基本原理,分析将流体的计算方法,分析流体计算时应该采用的计算方法,并在分析颗粒与流体间作用的基础上,将颗粒对流体间的作用作为流体方程中的一项体积力,在此前提下计算流体动力学方程,同时颗粒受到流体施加的力,将其作为颗粒受到的外力施加在颗粒上,通过不断的计算迭代,得出最终的结果。 (3)选用颗粒流软件PFC对管涌的发展过程进行数值模拟,采用粗细两种颗粒进行模拟,尝试得出几何条件对管涌发生的影响,验证了S.S.Tomlinson和Y.P.Valid通过反滤层试验得出的管涌发生的几何条件。 (4)考虑管涌发生的几何条件,及水力条件,进行管涌计算模拟,得到了和实际比较接近的结论,说明了离散元方法运用于管涌研究中的可行性,并借助于PFC软件的优势,得出颗粒起动力,与颗粒受到的阻力进行比较,得出管涌的大致判别方式。 (5)针对影响管涌的条件进行了定性的分析,讨论了计算区域的几何尺寸,也即横截面积以及渗径对管涌的影响作用,以及渗透水头的施加速度对管涌发展的影响。


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