基于不规则钙质砂颗粒发展的拖曳力系数模型及其在细观流固耦合数值模拟中应用

钙质砂广泛分布于我国南海海域,作为岛礁填筑材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达液体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要指标,目前国内外对具有极不规则形状钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。在前期大量钙质砂颗粒沉降试验基础上,建立了能够考虑形状系数的颗粒与液体相互作用拖曳力系数理论公式;在已建立的计算流体动力学-离散元法(CFD-DEM)流固耦合理论框架下,将新发展的拖曳力系数公式嵌入到流固耦合程序中,模拟钙质砂颗粒在液体中沉降过程。通过将模拟结果与室内沉降试验对比,验证了新建立的拖曳力模型及程序实现的准确性。研究结果表明,较CFD-DEM程序中已有的未考虑颗粒形状的拖曳力系数半经验模型,新的拖曳力系数模型能够更准确地模拟不规则颗粒在液体中沉降过程;同时,在数值建模中无需采用异形颗粒即可以反映颗粒形状对拖曳力的影响,这将大大降低数值模拟的计算量,提高计算效率。研究可进一步应用于钙质砂水中堆填后固结沉降以及冲刷等实际工程问题分析中。     

基于不规则钙质砂颗粒发展的拖曳力系数模型及CFD-DEM流固耦合数值方法

钙质砂广泛分布于我国南海海域,作为岛礁填筑材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达液体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要指标,目前国内外对具有极不规则形状钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。在前期大量钙质砂颗粒沉降试验基础上,建立了能够考虑形状系数的颗粒与液体相互作用拖曳力系数理论公式;在已建立的CFD-DEM流固耦合理论框架下,将新发展的拖曳力系数公式嵌入到流固耦合程序中,模拟钙质砂颗粒在液体中沉降过程。通过将模拟结果与室内沉降试验对比,验证了新建立的拖曳力模型及程序实现的准确性。研究结果表明,较CFD-DEM程序中已有的未考虑颗粒形状的拖曳力系数半经验模型,新的拖曳力系数模型能够更准确地模拟不规则颗粒在液体中沉降过程;同时,在数值建模中无需采用异形颗粒即可以反映颗粒形状对拖曳力的影响,这将大大降低数值模拟的计算量,提高计算效率。研究可进一步应用于钙质砂水中堆填后固结沉降以及冲刷等实际工程问题分析中。     

基于不规则钙质砂颗粒发展的拖曳力系数模型及CFD-DEM流固耦合数值方法

钙质砂广泛分布于我国南海海域,作为岛礁填筑材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达液体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要指标,目前国内外对具有极不规则形状钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。在前期大量钙质砂颗粒沉降试验基础上,建立了能够考虑形状系数的颗粒与液体相互作用拖曳力系数理论公式;在已建立的CFD-DEM流固耦合理论框架下,将新发展的拖曳力系数公式嵌入到流固耦合程序中,模拟钙质砂颗粒在液体中沉降过程。通过将模拟结果与室内沉降试验对比,验证了新建立的拖曳力模型及程序实现的准确性。研究结果表明,较CFD-DEM程序中已有的未考虑颗粒形状的拖曳力系数半经验模型,新的拖曳力系数模型能够更准确地模拟不规则颗粒在液体中沉降过程;同时,在数值建模中无需采用异形颗粒即可以反映颗粒形状对拖曳力的影响,这将大大降低数值模拟的计算量,提高计算效率。研究可进一步应用于钙质砂水中堆填后固结沉降以及冲刷等实际工程问题分析中。     

基于不规则钙质砂颗粒发展的拖曳力系数模型及CFD-DEM流固耦合数值方法

钙质砂广泛分布于我国南海海域,作为岛礁填筑材料,其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降。拖曳力系数是表达液体对土体颗粒表面力的参数,也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要指标,目前国内外对具有极不规则形状钙质砂拖曳力系数的研究十分有限。在前期大量钙质砂颗粒沉降试验基础上,建立了能够考虑形状系数的颗粒与液体相互作用拖曳力系数理论公式;在已建立的CFD-DEM流固耦合理论框架下,将新发展的拖曳力系数公式嵌入到流固耦合程序中,模拟钙质砂颗粒在液体中沉降过程。通过将模拟结果与室内沉降试验对比,验证了新建立的拖曳力模型及程序实现的准确性。研究结果表明,较CFD-DEM程序中已有的未考虑颗粒形状的拖曳力系数半经验模型,新的拖曳力系数模型能够更准确地模拟不规则颗粒在液体中沉降过程;同时,在数值建模中无需采用异形颗粒即可以反映颗粒形状对拖曳力的影响,这将大大降低数值模拟的计算量,提高计算效率。研究可进一步应用于钙质砂水中堆填后固结沉降以及冲刷等实际工程问题分析中。     

颗粒级配与形状对钙质砂渗透性的影响

钙质砂是富存于热带海洋环境（包括中国南海海域）中的一种特殊岩土介质,具有不同于陆源砂的水理性质。采用传统常水头渗流试验,首先探究了不同不均匀系数和曲率系数条件下级配对钙质砂渗透性的影响。针对钙质砂的颗粒形状特性,采用扫描电镜（SEM）与图像处理技术,引入球度 和圆度X的比值 从三维空间角度上对颗粒形状进行了定量描述。并在粒径区间、相对密实度相同的条件下,通过与福建标准砂、玻璃珠进行对比试验来考察钙质砂渗透特性,从而进一步探究颗粒形状对钙质砂渗透性的影响。试验结果表明,钙质砂渗透性随着颗粒粒径不均匀系数和曲率系数的增大而增大,符合级配对一般砂土渗透性的影响规律;钙质砂颗粒形状具有较强的结构性和不均匀性,同等密实度下钙质砂的渗透性小于陆源的石英砂。本研究获得的钙质砂渗透规律对今后南海岛礁填筑和海上平台基础工程设计具有一定的指导意义。     

南海岛礁吹填钙质砂渗透特性试验研究

南海吹填钙质砂的渗透性对于岛礁地下淡水的形成至关重要。通过室内常水头渗透试验研究了吹填钙质砂的级配、孔隙比和渗透性之间的相互关系,开展了相同级配钙质砂在不同孔隙比下的渗透性试验,研究了不均匀系数和曲率系数对钙质砂渗透系数的影响规律。试验结果表明,钙质砂的渗透系数和10~e(e为孔隙比)有很好的线性关系,并且与不均匀系数、曲率系数和颗粒粒径都有很好的相关性;通过对室内试验结果考虑多因素的分析,建立了钙质砂渗透系数计算模型,该模型公式可为岛礁吹填土层的渗透性评估和新填岛礁地下淡水的形成分析提供参考。     

考虑形貌特征和级配影响的钙质砂压缩破碎力学特性研究

针对岛礁大型构筑物修建过程中由于高应力而导致作为地基材料的钙质砂发生破碎,进而引发地基沉降变形问题。本文采用高压固结仪对钙质砂开展了一系列终止压力为16 MPa的侧限压缩试验,研究了高应力水平下钙质砂的压缩破碎特性。同时基于显微图像采集和处理技术对钙质砂颗粒的形状参数(圆度和完整度)进行了定量化表征,研究了钙质砂的形状分布规律。最终分别探讨了级配特征(如平均粒径、不均匀系数)、形貌特征等因素对钙质砂压缩和破碎特性的影响。结果表明:随着平均粒径的增大,钙质砂颗粒的形状不规则程度逐渐增加,其棱角也越发育。随着竖向应力的增大,在e-logp平面内,不同粒径钙质砂的压缩曲线逐渐会聚并相交于一条直线,初始粒径对其压缩特性的影响逐渐减小以致消失。而不同级配钙质砂的压缩曲线也发生会聚,但未相交于一条直线。当试样的不均匀系数(C_u)相近时,其压缩破碎量随着平均粒径(d₅₀)的增大而逐渐增加,当试样的d₅₀相近时,其压缩破碎量随着C_u增大而逐渐减小。上述研究成果将对南海岛礁大型工程建设提供重要科学依据。     

含橡胶纤维钙质砂的渗透和固结特性试验研究

珊瑚岛礁常年处于复杂的海洋动力环境中,岛上堤坝围堰、基坑等构筑物的地基渗透变形甚至破坏会导致地基承载力失效的可能性变高。为探究橡胶纤维固化钙质砂的渗透特性和固结特性,采用常水头渗透试验和固结试验研究不同纤维含量下钙质砂的渗透规律和固结变形规律,并设置含纤维玻璃珠对照组。钙质砂具有颗粒形状极不规则、多棱角、内孔隙多等特点,为进一步研究颗粒形状的影响,采用高速动态图像粒度分析仪对钙质砂和玻璃珠的颗粒形状和粒径进行分析。试验结果表明,纤维含量对钙质砂试样渗透特性几乎无影响,但是含纤维玻璃珠试样中,随着纤维含量的增加,渗透系数先增加后减小。由于形状不规则橡胶纤维的加入,一定程度上填补了钙质砂之间的孔隙;钙质砂试样存在 800 kPa 的压力阈值,当压力超过800 kPa后,其压缩模量增幅变缓;不同纤维含量试样的e-lg p曲线可以用Harris模型表示,钙质砂组的材料系数 C= 5,玻璃珠组材料系数C= 3,此外,材料参数a、b与纤维含量有较好的线性关系。提出了合理的预测模型指导地基加固,具有十分重要的理论价值与工程实际意义。     

连续排水边界下分数阶黏弹性饱和土体一维固结分析

采用分数阶Kelvin模型来描述饱和土体的流变特性,在连续排水边界条件下,利用Laplace变换推导出变换域内的饱和土体一维固结解析解,再通过Crump法对有效应力和固结沉降进行数值反演,得到了分数阶导数黏弹性饱和土体的一维固结半解析解。将连续排水边界退化到Terzaghi排水边界,退化后的结果与已有文献一致,验证了所得半解析解的可靠性。最后,基于所得解,分析了相关参数对土体固结的影响。结果表明,界面参数反映排水边界的透水性,从而影响土体中超孔隙水压力的消散速率;黏滞系数在固结后期对沉降发展影响较大,其值越大,沉降发展越慢;当阶次a不为零时,分数阶次越小,土体表现出的黏滞性越强,整体固结沉降发展越缓慢,次固结沉降发展也越缓慢。     

变荷载下双层地基一维非线性固结近似解析解

目前考虑土体非线性压缩及渗透特性的双层地基非线性固结解均假定土体固结系数保持不变,能反映固结系数变化的双层地基非线性固结解还很鲜见。引入经典的e- 和e- 非线性关系描述土体的非线性压缩、渗透特性,在假定双层地基上、下土层压缩指数与渗透指数比值 相等且不等于1的基础上,得到变荷载下考虑土体固结系数变化的双层地基一维非线性固结近似解。该解答在 1条件下可退化为已有的 1时双层地基一维非线性固结解。基于此解探讨了双层地基上、下土层参数的相对比值对非线性固结性状的影响。结果表明：单面排水条件下 越小,下层土与上层土的相对压缩性越低、相对渗透性越高,则双层地基非线性固结速率越快;减小 值,增加双层地基中压缩性小、渗透性高的土层的厚度,会加快地基的固结速率。     

钙质砂水理性质及对岛礁淡水透镜体形成的影响

钙质砂的水理性质对岛礁地下淡水透镜体的形成至关重要。通过室内试验的方法从透水性、容水性和给水性3个方面对南海钙质砂的水理性质进行了研究,并在此基础上进一步结合数值模拟手段,探讨了上述相关性质对岛礁淡水透镜体形成的影响。结果表明：南海钙质砂多具有级配不良且不均匀的特征;其渗透系数通常在0.023~110 m/d之间,区域间差异较大,而孔隙度和给水度则主要集中在0.40~0.55和0.012~0.310之间,与同粒径范围的陆源砂相比,呈现出容水性好但给水性偏低的特征。钙质砂的水理性质对岛礁地下淡水透镜体形成的影响主要体现在流速、厚度、资源储量以及形成时间等方面,其中钙质砂的透水性越好,地下水中的流速越快,咸淡水间的混合作用越强,导致淡水透镜体的厚度越薄,储量越少;给水性则主要影响钙质砂中淡水透镜体的资源储量,对淡水透镜体的厚度及形状影响较小。     

经验公式简便求法典型实例

介绍了试验研究资料绘在有关函数的坐标纸上仍然不是直线关系的找经验公式简便方法。作为实例,选择了水力学和土力学中常用的关系曲线,分别是点绘在双对数、半对数和普通方格纸上的。借该3例典型曲线叙述了求经验公式的简便方法过程,并求得相应曲线的球体潜水运动阻力系数公式、泥沙沉降速度公式、软土地基沉降固结度公式和给水度公式。     

粘性土-砂井地基单井固结模型的改进

单井固结模型的计算中通常将砂井周围土体简单划分为涂抹区和非涂抹区,不符合实际砂井周围土体的渗透系数分布复杂的事实。本文在Terzaghi固结理论的基础上提出了改进的单井固结模型,以一个待定参数流量系数Cq取代涂抹区和非涂抹区渗透系数来刻画砂井周围土体的横向渗透性特征,使单井固结问题得到高度简化又不失严密性。本文将改进模型用于非完整砂井单井固结的最终沉降量的数值计算,并将计算结果与谢康和改进法以及Hart法的解析解进行了比较,证明了改进模型数值解的可靠性。     

钙质砂的休止角研究与工程应用

砂土的天然休止角对土堆设计、基坑设计和边坡稳定性研判有重要的指导意义。砂土的天然休止角受土颗粒的摩擦特性、颗粒形状、粒径和含水状态等诸多因素的影响。开展了钙质砂的天然休止角试验,研究了多种因素对钙质砂天然休止角的影响规律。结果表明：钙质砂3种常见颗粒形状中,片状休止角最大,枝棒状次之,块状最小;钙质砂天然休止角随着粒径的增大而增大;当平均粒径相同时,天然休止角随着不均匀系数的增大而增大,随着曲率系数的增大而减少;通过与标准石英砂的对比试验发现,石英砂的天然休止角小于钙质砂天然休止角。对现场钙质砂边坡测量后表明,钙质砂地基经过振冲挤密后基坑开挖最大坡角略大于室内测得的天然休止角。研究结果对钙质砂土堆和基坑设计等工程实践有一定指导意义。     

波浪荷载作用下饱和钙质砂孔压特性及累积损失能量试验研究

钙质砂是一种海洋生物成因土,为我国南海岛礁吹填的主要材料。研究其动力特性对开发南海资源意义重大。实际工程中,钙质砂主要受到幅值和主应力方向均变化的波浪荷载作用,其作用效果与一般定轴剪切试验有较大不同。因此,利用空心圆柱扭剪仪模拟波浪荷载,开展一系列饱和钙质砂的不排水试验,重点研究循环应力比CSR和相对密实度Dr对钙质砂孔压特性的影响,并与石英砂对比分析,发现颗粒形态差异导致了两类砂土不同的孔压发展模式。同时,引入能量法,初步探究钙质砂累积损失能量变化规律。在此基础上,建立了考虑不同相对密实度的钙质砂孔压-累积损失能量模式。     

线性加载下含砂垫层地基固结分析

针对含水平排水砂垫层地基的固结问题,建立了线性加载下夹砂垫层地基的二维固结模型,并通过边界转换法、积分变换法给出了相应的半解析解。在通过对解答的退化以及数值法验证半解析解正确性的基础上,分析了砂垫层与地基土的几何及物理参数对地基固结的影响。研究表明：对于地基土,地基固结速率随土体水平渗透系数增大而提高,随地基宽度的增大而降低;对于砂垫层,固结速率随砂垫层厚度、水平渗透系数的增大而提高;对于外荷载,加荷速率越快,孔压达到峰值所需时间也越短,地基固结速率亦随之提高。此外,以地基顶面砂垫层为例,综合考虑砂垫层的渗透系数与厚度对砂垫层透水性的影响,当组合参数 时（ 、 、 、 分别为砂垫层厚度、水平渗透系数、土体宽度和竖向渗透系数）,砂垫层近似为完全排水边界。     

南海钙质砂宏细观破碎力学特性

针对取自我国南部某海域的钙质砂样本,做了以下两方面工作：一是通过电子显微镜获取了钙质砂颗粒的几何投影图像,利用图像处理技术对图形进行黑白二值化处理,获取单元颗粒形状轮廓边界,使用圆度和粗糙度2个参数对钙质砂的颗粒形状进行定义和量化。二是通过不同围压下的三轴固结排水剪切试验及试验前后的颗分测量对比,研究了颗粒破碎对钙质砂的变形、强度、能量耗散等特性的影响。研究表明,大粒径钙质砂（粒径大于2.0 mm）和小粒径钙质砂（粒径小于0.5 mm）形态比较接近圆形、颗粒表面相对光滑;相比而言,中间粒径（粒径介于0.5～2.0 mm之间）钙质砂形状较不规则,表面棱角较多。钙质砂在三轴排水剪切过程中发生颗粒破碎,试样向着级配均匀的方向发展。随着初始围压的增大,颗粒破碎程度加大,土样整体剪胀趋势减小,而破碎引起的能量耗散增加。而在高围压（初始围压为600 kPa）剪切过程中,仅考虑摩擦耗散,以及同时考虑摩擦、体积耗散两种情况下,计算得到的最大颗粒破碎耗散分别可达土样总输入塑性功的25%和18%。