CN104007045A - 一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，结合颗粒离散元方法和计算流体动力学方法，建立骨架颗粒模型、骨架孔隙中符合宾汉姆流体特征的两相介质泥浆模型，进行泥浆成膜试验的模拟。本发明根据室内试验获取细观参数，模拟掌子面骨架颗粒组成，模拟泥浆中细颗粒组成，施加注浆压力边界条件，进行数值模拟，从细观角度判定泥浆在掌子面骨架颗粒组中是否形成泥膜。本发明根据模拟结果，可以从浆液配置方面提出改进措施，提高成膜效果，从而对实际工程具有指导意义。

Description

一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法

技术领域

本发明涉及一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，特别涉及一种将颗粒离散元与计算流体力学方法相结合的盾构泥浆成膜数值模拟方法，属于岩土工程中流固耦合分析技术领域。

背景技术

随着长江中下流跨江城市沿江开发的兴起，我国掀起了一股修建大型过江过河隧道的热潮，泥水盾构以其适用地质范围广、开挖面稳定性高等优点深受青睐。泥水盾构以压力泥浆支护开挖面，泥膜的形成对开挖面稳定非常重要，尤其在高渗透性地层，泥浆极易穿透地层直接渗出而不能形成所需的支护压力，从而诱发开挖面失稳等事故发生。

由于目前从宏观的角度基于连续介质方法研究泥浆成膜尚不具有较好的适应性，较常见为采用有限元或差分法法模拟工程注浆。在采用有限元或差分法模拟注浆时，无法描述泥浆中细颗粒粒径与骨架颗粒孔隙关系，因此无法模拟泥浆入渗或成膜过程；浆液的模拟一般均假设服从达西渗流，如此则与泥浆实际流动过程存在一定的差异。

土体颗粒在颗粒流程序(Particle Flow Code，简称PFC)中可以用粒径较大的颗粒表示，而对于水泥浆液颗粒则采用粒径较为细小的颗粒来模拟，在适当的流体边界条件下，即可模拟水泥浆液小颗粒在土体大颗粒形成的孔隙中流动的物理过程，可以直观的观测泥浆中细颗粒在地层孔隙中的动态扩散过程，从细观尺度描述泥浆细颗粒穿越地层中的孔隙及在孔隙通道中的运移规律。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，采用颗粒离散元与计算流体力学相结合的方法，从细观角度研究浆液在骨架孔隙中流动、附着过程，从而实现对泥浆成膜机理的分析和研究。本发明可以对现场泥浆成膜过程进行仿真，起到替代室内试验的作用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，结合颗粒离散元方法和计算流体动力学方法，建立骨架颗粒模型、骨架孔隙中符合宾汉姆流体特征的两相介质泥浆模型，进行泥浆成膜试验的模拟，具体步骤如下：

步骤1，根据颗粒分析实验，获取掌子面骨架颗粒级配曲线；

步骤2，根据相对密实度试验，确定掌子面骨架颗粒细观参数；再根据步骤1中的掌子面骨架颗粒级配曲线以及相对密实度，利用颗粒离散元方法，建立相应的掌子面骨架颗粒离散元模型；

步骤3，利用计算流体动力学方法，建立符合宾汉姆流体特征的两相介质泥浆模型，具体如下：

301，泥浆注入过程中确保颗粒与流体不发生离析及分选，划分流核区大小，建立泥浆中颗粒分区判据并对泥浆中颗粒分区，实现对具有宾汉姆流体特征的泥浆运动特征的描述；

所述确保颗粒与流体不发生离析及分选，具体如下：

a.利用计算流体动力学分析初始流场，获取注浆源周边骨架颗粒孔隙中泥浆流速及压力分布；

b.根据宾汉姆流体的屈服应力及压力梯度，确定骨架孔隙中流核区与外围区的界限。

c.按照浆液流速的分布，设定各区的颗粒运动状态；

302，将颗粒与浆液间的相间耦合力、颗粒间作用力及分区判据作用于颗粒，利用颗粒离散法分析得出颗粒下一时步速度、密度分布，并依据前端颗粒的位置确定泥浆锋面，实时调整流场分析边界；

所述确定泥浆锋面具体是指，通过追踪颗粒的运移规律，将颗粒沿流线方向运移的最远位置确定为泥浆锋面，将其调整为下一分析时步流域边界；

步骤4，基于步骤2中的掌子面骨架颗粒离散元模型和步骤3中的两相介质泥浆模型，模拟泥浆成膜的过程，根据泥浆中颗粒在掌子面骨架颗粒离散元模型内部或表面依附状态，判别是否形成泥膜，结束模拟过程；

所述判别是否形成泥膜，具体是指，根据泥浆锋面的迁移特征，获取泥浆中颗粒运动特征及锋面附近的泥浆密度，判别泥浆成膜效果。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明采用颗粒离散元的模拟方法，不仅可以避免在采用有限元或差分法模拟注浆时无法描述浆液中细颗粒粒径与骨架颗粒孔隙关系的问题，而且还可以方便地追踪细颗粒在骨架孔隙中扩展的整个过程；

(2)本发明采用细观颗粒流方法模拟盾构机泥浆成膜中细颗粒运移具有特殊的优势，同时骨架孔隙中宾汉姆流体及细颗粒两相介质的运动与工程实际契合，为盾构机泥浆成膜数值模拟提供了新的研究思路，可以指导室内泥浆配比试验。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是掌子面骨架颗粒离散元模型。

图3是宾汉姆流体流速分布图，其中，(a)为流核高度计算控制体；(b)为管道中流速分布图。

图4是泥浆中细颗粒与掌子面骨架颗粒离散元模型示意图。

图5是泥浆成膜过程中浆液扩散过程示意图，其中，(a)为0s时刻浆液扩散示意图；(b)为1s时刻浆液扩散示意图；(c)为100s时刻浆液扩散示意图；(d)为200s时刻浆液扩散示意图。

图6是泥浆在地层中成膜效果判别分区图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，结合颗粒离散元方法和计算流体动力学方法，建立骨架颗粒模型、骨架孔隙中符合宾汉姆流体特征的两相介质泥浆模型，进行泥浆成膜试验的模拟，具体步骤如下：

步骤1，根据颗粒分析实验，获取掌子面骨架颗粒级配曲线；

步骤2，根据相对密实度试验，确定掌子面骨架颗粒细观参数；再根据步骤1中的掌子面骨架颗粒级配曲线以及相对密实度，利用颗粒离散元方法，建立相应的掌子面骨架颗粒离散元模型；

步骤3，利用计算流体动力学方法，建立符合宾汉姆流体特征的两相介质泥浆模型，具体如下：

301，泥浆注入过程中颗粒与流体不发生离析及分选，划分流核区大小，建立泥浆中颗粒分区判据并对泥浆中颗粒分区，实现对具有宾汉姆流体特征的泥浆运动特征的描述；

302，将颗粒与浆液间的相间耦合力、颗粒间作用力及分区判据作用于颗粒，利用颗粒离散法分析得出颗粒下一时步速度、密度分布，并依据前端颗粒的位置确定泥浆锋面，实时调整流场分析边界；

步骤4，基于步骤2中的掌子面骨架颗粒离散元模型和步骤3中的两相介质泥浆模型，模拟泥浆成膜的过程，根据泥浆中颗粒在骨架模型内部或表面依附状态，判别是否形成泥膜，结束模拟过程。

以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

由于目前从宏观的角度基于连续介质方法研究泥浆成膜尚不具有较好的适应性(如较常见的采用有限元法模拟工程注浆，因此本发明设计一种采用颗粒离散元与计算流体动力学相结合的方法，从细观角度研究浆液在骨架孔隙中流动、附着过程，从而实现对泥浆成膜机理的分析和研究。

本发明一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法的具体实施例，如图1所示其步骤如下：

步骤1，选取实际工程的掌子面作为试样，对其进行颗粒试验，绘制颗粒级配曲线。

步骤2，建立相应掌子面骨架颗粒离散元模型，如图2所示，分别模拟5种不同粒径及渗透系数的砂性地层，代表5组掌子面骨架颗粒模型，模型具体参数下表所示。

地层序号	1	2	3	4	5
						颗粒粒径(mm)	0.1～0.25	0.25～0.5	0.5～1	1～2	2～5
渗透系数(cm/s)	1.36×10-2	7.24×10-2	2.94×10-1	1.15	5.7
						模型尺寸(mm)	4×2×2	8×4×4	16×8×8	32×16×16	64×32×32
孔隙率	0.32	0.33	0.33	0.32	0.30

步骤3，建立符合宾汉姆流体特征的两相介质模型，具体如下：

3.1根据水泥浆液的水灰比及密度，即求得浆液中水泥颗粒与水的体积比，在给定浆液体积的情况下即可求得水泥颗粒的总体积，根据水泥颗粒粒径，可求得水泥颗粒的个数，以模拟泥浆中细颗粒，本实例中共采用9组浆液进行成膜模拟，具体参数下表所示。

编号

比重

粒径范围(μm)

有效粒径(μm)

细颗粒个数(个/cm3)

1	1.1	50～81	76	3.98E+5
					2	1.2	50～81	76	7.95E+5
3	1.3	50～81	76	1.20E+6
					4	1.1	50～130	118	1.53E+5
5	1.2	50～130	118	3.07E+5
					6	1.3	50～130	118	4.06E+5
7	1.1	50～211	187	5.03E+4
					8	1.2	50～211	187	1.01E+5
9	1.3	50～211	187	1.51E+5

3.2泥浆注入过程细颗粒与流体不发生离析及分选，建立泥浆中细颗粒分区判据，实现对具有宾汉姆流体特征泥浆运动特征描述，最终建立符合宾汉姆流体特征的两相介质模型。

宾汉姆流体流变方程如下：

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_0+\mathrm{\μ}\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}---\left(1\right)$

式中，τ表示剪切应力，τ₀表示剪断强度或启动切应力，μ表示粘度，表示剪切速率。

若由外力产生的切应力小于τ₀，其只有弹性变形但不发生流动；当切应力大于τ₀时，流体将发生流动，并且剪切应力和剪切速率之间呈简单的线性关系。

如图3中(b)所示的宾汉姆流体管道内流动示意图，在半径为r₀的管道中，取一段长为dl、半径为c、且与管道共轴线的圆柱型流体，如图3中(a)所示，则可以得到：

dp·(πc²)＝τ·(2π·c·dl)   (2)

由于宾汉姆流体具有结构强度τ₀，当剪应力小于τ₀时浆液将不发生剪切流动。因此宾汉姆流体在流动过程中将存在对称于中面的厚度为2c的流核存在，在这厚度的流体无剪切变形，因此高度为2c的浆液将做整体式活塞运动。

细颗粒分区判据通过以下方法建立：通过根据注浆压力以及孔隙半径，可获得非剪切区半径，此即为泥浆中细颗粒分区判据，如图3中(b)所示。

按照流核区受力平衡，则有：

2τ₀·dl＝dp·c_max   (3)

由公式(3)可得流核高度为：

c_max＝2τ₀·dl/dp   (4)

式中，c_max即为非剪切区半径(即流核区半径)，泥浆中细颗粒在该区时保持与浆液做整体式活塞运动，超出此区域则遵循剪切运动。由于离散单元可以监控每个颗粒位置，因此通过分析域内压力梯度，并结合启动切应力，应用公式(4)可以建立浆液中细颗粒分区判据，进而明确得出浆液中细颗粒应遵循的运动方式。

3.3施加模型水压力边界条件，追踪细颗粒运移规律，将颗粒沿流线方向运移的最远位置确定为泥浆锋面，将其调整为下一分析时步流域边界。

步骤4，基于步骤2中的掌子面骨架颗粒离散元模型和步骤3中的两相介质泥浆模型，模拟泥浆成膜的过程，根据泥浆中颗粒在骨架模型内部或表面依附状态，判别是否形成泥膜，结束模拟过程。

图4为泥浆中细颗粒与掌子面骨架颗粒离散元模型示意图；图5是泥浆成膜过程中浆液扩散过程示意图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为0s、1s、100s、200s时刻浆液扩散示意图，d1、d2、d3分别表征1s、100s、200s时刻浆液锋面位置。从图中可以明显看出，100s～200s时刻之间，模型中浆液锋面迁移趋于缓慢，由此可以判断浆液扩散基本趋于稳定。

根据泥浆锋面迁移与时间关系，结合泥浆中细颗粒运动特征及锋面附近泥浆密度，判别泥浆成膜效果，为便于分析，将5种地层编号分别定义为地层1～地层5，9种泥浆编号分别定义为泥浆1～泥浆9，图4展示了地层1，泥浆1的模型成膜过程。

为进一步对本发明方法开展研究，分别对5种地层中采用9组泥浆进行泥浆成膜模拟，泥浆成膜与否判别图如图6所示，图中每个点代表一个模拟试验结果，即表示有效粒径为b(纵坐标)的泥浆在孔隙直径为a(横坐标)的地层中成膜的模拟结果，方形的点表示形成了泥皮型泥膜，圆形的点表示形成了泥皮+渗透带型泥膜，三角形的点表示不能形成泥膜。

图中分别表征比重为1.1，有效粒径分别为76mm、118mm、187mm的1、4、7号泥浆在5种地层中的成膜情况，从图中可以看出模拟结果分布的规律性较强，方形的点分布在直线L＝G的左侧，三角形点则分布在直线L＝3.5G的右侧，而圆形的点分布在直线L＝G与L＝3.5G之间，说明：

(1)当L<G时，该泥浆在该地层形成泥皮型泥膜；

(2)当G≤L≤3.5G时，该泥浆在该地层形成泥皮+渗透带型泥膜；

(3)当L>3.5G时，该泥浆在该地层不能形成泥膜。

以上所述的各组模拟结果，与室内试验结果相比较为一致。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1. 一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，其特征在于，结合颗粒离散元方法和计算流体动力学方法，建立骨架颗粒模型、骨架孔隙中符合宾汉姆流体特征的两相介质泥浆模型，进行泥浆成膜试验的模拟，具体步骤如下：

步骤1，根据颗粒分析实验，获取掌子面骨架颗粒级配曲线；

步骤2，根据相对密实度试验，确定掌子面骨架颗粒细观参数；再根据步骤1中的掌子面骨架颗粒级配曲线以及相对密实度，利用颗粒离散元方法，建立相应的掌子面骨架颗粒离散元模型；

步骤3，利用计算流体动力学方法，建立符合宾汉姆流体特征的两相介质泥浆模型； 

步骤4，基于步骤2中的掌子面骨架颗粒离散元模型和步骤3中的两相介质泥浆模型，模拟泥浆成膜的过程，根据泥浆中颗粒在掌子面骨架颗粒离散模型内部或表面依附状态，判别是否形成泥膜，结束模拟过程。

2. 根据权利要求1所述的一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，其特征在于，步骤3中利用计算流体动力学方法，建立符合宾汉姆流体特征的两相介质泥浆模型，具体如下：

301，泥浆注入过程中确保颗粒与流体不发生离析及分选，划分流核区大小，建立泥浆中颗粒分区判据并对泥浆中颗粒分区，实现对具有宾汉姆流体特征的泥浆运动特征的描述； 

302，将颗粒与浆液间的相间耦合力、颗粒间作用力及分区判据作用于颗粒，利用颗粒离散法分析得出颗粒下一时步速度、密度分布，并依据前端颗粒的位置确定泥浆锋面，实时调整流场分析边界。

3. 根据权利要求2所述的一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，其特征在于，步骤301中所述确保颗粒与流体不发生离析及分选，具体如下：

a. 利用计算流体动力学分析初始流场，获取注浆源周边骨架颗粒孔隙中泥浆流速及压力分布；

b. 根据宾汉姆流体的屈服应力及压力梯度，确定骨架孔隙中流核区与外围区的界限；

c. 按照浆液流速的分布，设定各区的颗粒运动状态。

4. 根据权利要求2所述的一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，其特征在于，步骤302中所述确定泥浆锋面具体是指，通过追踪颗粒的运移规律，将颗粒沿流线方向运移的最远位置确定为泥浆锋面，将其调整为下一分析时步流域边界。

5. 根据权利要求1所述的一种泥水盾构机泥浆成膜数值模拟方法，其特征在于，步骤4中所述判别是否形成泥膜，具体是指，根据泥浆锋面的迁移特征，获取泥浆中颗粒运动特征及锋面附近的泥浆密度，判别泥浆成膜效果。