CN112347709A - 一种基于dem-cfd耦合的渗透注浆过程模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于DEM‑CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法及系统，所述方法包括：获取岩土体颗粒级配曲线；根据所述颗粒级配曲线生成岩土体计算模型；获取平行粘结键初始参数，对岩土体计算模型的强度进行初始化；对岩土体计算模型信息网格划分，生成流体计算网格；根据流体计算网格的渗透系数及流体粘度的时空特性，进行浆液扩散过程的模拟。本发明能够考虑岩土体和浆液之间的相互作用，实现渗透注浆过程的真实模拟。

Description

一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及计算流体动力学(CFD)仿真技术领域，尤其涉及一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法及系统。

技术背景

隧道工程建设中经常遭遇断层、岩溶等不良地质，导致工程灾害频发，给工程安全建设、人民生命财产保障、生态环境保护等带来了严峻挑战。注浆加固技术在隧道开挖施工过程中得到了广泛应用，通过液压、气压或电化学的方法，把某些能很好地与岩土体固结的浆液注入到岩土体的孔隙、裂隙中去，使岩土体成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体，从而达到改善岩土体的物理力学性质的目的。

注浆方法按照浆液的渗透方式可分为充填注浆法、渗透注浆法、挤密注浆法和劈裂注浆法。其中，渗透注浆法是在不破坏地层构造的压力下，把浆液注入到充填土的孔隙或缝隙，排挤出孔隙和裂隙中的水和气体，而基本上不改变岩土体结构和体积。其加固模式为随着浆液在充填土孔隙中以渗流方式向四周扩散，流经位置在浆液固结后将土颗粒胶结成整体，从而提高岩土体整体的强度及稳定性。

据发明人了解，国内外大量学者通过理论计算、有限元及离散元数值模拟的方法对渗透注浆过程进行模拟，但考虑到单一计算方法难以同时模拟岩土体强度提高、浆液渗流两个过程，尤其是难以考虑岩土体和浆液之间的相互作用，难以实现渗透注浆过程的模拟。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于DEM(离散元)-CFD(计算流体动力学)耦合的渗透注浆过程模拟方法及系统，便于对渗透注浆效果进行分析，能够考虑岩土体和浆液之间的相互作用，实现渗透注浆过程的真实模拟。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，包括：

获取岩土体颗粒级配曲线；

根据所述颗粒级配曲线生成岩土体计算模型；

获取平行粘结键初始参数，对岩土体计算模型的强度进行初始化；

对岩土体计算模型信息网格划分，生成流体计算网格；

根据流体计算网格的渗透系数及流体粘度的时空特性，进行浆液扩散过程的模拟。

第二方面，本发明提供一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟系统，包括：

岩土体参数获取模块，用于获取岩土体颗粒级配曲线；

计算模型生成模块，用于根据所述颗粒级配曲线生成岩土体计算模型；

模型初始化模块，用于获取平行粘结键初始参数，对岩土体计算模型的强度进行初始化；

网格划分模块，用于对岩土体计算模型信息网格划分，生成流体计算网格；

渗透注浆过程模拟模块，用于根据流体计算网格的渗透系数及流体粘度的时空特性，进行浆液扩散过程的模拟。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过CFD部分读取DEM部分中固体颗粒模型的孔隙率信息，换算成流体计算所需的渗透系数，进而对浆液在岩土体中流动所构成的多孔介质流场模型进行计算，实现浆液在岩土体中的扩散过程的模拟。

本发明通过DEM部分读取CFD部分中浆液扩散的范围判定固体颗粒模型强度增大范围，进而增大该范围内平行粘结模型的强度，模拟出岩土体被浆液加固后强度提高的过程。

本发明的CFD部分和DEM部分的两部分计算通过DEM向CFD部分提供模型孔隙率信息，CFD向DEM部分提供流体扩散范围实现耦合。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。

图1为本发明实施例1提供的渗透注浆过程模拟实现的计算流程图；

图2为本发明实施例1提供的岩土体计算模型示意图；

其中，1为注浆孔，2为固体计算颗粒，3为流体计算网格，4为流体计算域左侧不透水边界，5为流体计算域上、右、下侧自由透水边界；

图3为本发明实施例1提供的浆液粘度与注浆时间的关系曲线；

图4为本发明实施例1提供的浆液粘度随浆液扩散的变化示意图；

图5为本发明实施例1提供的随浆液凝固，固体模型逐渐加固过程的示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，本实施例以富水破碎地层渗透注浆过程为例，可以理解的，本实施例还可应用于松散的砂性土层或有裂隙的岩石地层等渗透注浆法适用的地层；

如图1所示，本实施例提供的一种基于DEM-CFD耦合的富水破碎地层渗透注浆过程模拟方法包括以下步骤：

步骤1：获取岩土体颗粒级配曲线。

从现场需进行渗透注浆加固的区域取得岩土体试样，进行室内筛分实验，获得岩土体试样的颗粒级配曲线。

步骤2：根据所述颗粒级配曲线生成固体计算模型，如图2所示。

基于步骤1中获得的岩土试样颗粒级配曲线，在Particle Flow Code(PFC)软件中生成相应的颗粒，组成固体计算模型，在颗粒间以平行粘结模型连接，用以提供颗粒间的抗剪、抗拉强度。

步骤3：获取固体计算模型的平行粘结模型初始强度，赋予固体计算模型。

步骤4：对固体计算模型信息网格划分，生成流体计算网格。

根据步骤2中所生成的固体计算模型的空间尺寸，在相同空间位置划分合理的流体计算网格，用于模拟浆液在岩土体中的扩散。

步骤5：根据流体计算网格的渗透系数及流体粘度的时空特性，进行浆液扩散过程的模拟。

在PFC软件中通过命令获取DEM计算中d时刻流体网格i内的孔隙率s_i，计算出在流体计算中所需的渗透系数k_i：

k_i＝f(s_i)

其中：k_i为网格i内的渗透系数；s_i为网格i内的孔隙率；ρ_j为浆液密度；D_i为网格i内的颗粒平均直径；g为重力加速度；μ_j为浆液的动力粘滞系数。

注浆过程中浆液的粘度μ与注浆时间t、浆液扩散边界距注浆孔距离l有关，如流体粘度表达式：

μ＝f(t,l)

根据如图3所示的浆液粘度的时变特性，将浆液的扩散过程分为n个时间步t_n(n＝1,2,3…)，在这n个时间步内，浆液边界向外扩散n次，第i次扩散后的浆液边界距注浆孔的距离为l_i，以此在计算第m个时间步时(m<n)，该计算步从距注浆孔l_m-1至l_m区域浆液扩散过程中的粘度为μ_m＝f(t_m,l_m)，如图4所示。

假设在渗透注浆过程中，由于注浆压力较小，不考虑浆液对岩土体中承担荷载的骨架颗粒的影响。基于所生成的流体模型，设置入口流体压力为注浆压力p₀，根据流体计算参数对浆液的扩散过程进行CFD计算，模拟浆液在岩土体中孔隙、裂隙中的扩散过程，直至注浆结束；

其中，CFD计算流体的流速、压力、在岩土体中的扩散范围信息，计算所需的条件包括粘度、渗透系数、入口压力等。

步骤6：根据浆液扩散范围对相应区域的固体计算模型进行加固，进行岩土体模型强度增大过程模拟。

步骤6.1：判定固体计算模型强度增大区域。

获取注浆过程结束后浆液扩散的范围，对应至步骤2中所建立的固体计算模型，将浆液所覆盖的区域判定为该区域模型的强度增大。

步骤6.2：固体模型强度增大过程模拟。

根据步骤6.1中所判定的固体模型强度增大区域，以注浆孔为中心，从四周向注浆孔逐渐增大固体颗粒间平行粘结模型的强度，用以模拟浆液从扩散最边缘先凝固使该部分岩土体最先被加固，逐渐向注浆孔位置凝固而加固岩土体的过程，如图5所示，区域加固顺序为3-2-1。当注浆孔周围固体模型也被加固后，视为注浆加固过程模拟完成，停止计算。

具体地，固体模型加固方法是根据标定的岩土体强度与平行粘结模型强度参数的关系，找到与注浆加固后岩土体强度相对应的平行粘结模型参数，逐步更新颗粒间平行粘结模型参数，使得该区域固体模型的抗压强度、抗剪强度增大。

通过开展室内试验，标定固体模型的平行粘结模型初始强度以及不同的岩土体强度对应的平行粘结模型参数进行宏细观参数标定。根据岩土体强度与平行粘结模型参数的对应关系，使模型在平行粘结模型粘结作用下的强度指标与岩土体试样一致。

根据对现场取回试样进行三轴压缩和巴西劈裂试验测得岩土试样的弹性模量E、泊松比ν、摩擦系数c、抗压强度σ_t、抗拉强度σ_l，标定其平行粘结模型的弹性模量E_c、法向刚度k_n、切向刚度k_s、法向粘结强度σ_c、切向粘结强度τ_c。

根据以上步骤中建立的数值模型结合注浆加固试验进行一系列参数标定，得到注浆过程中岩土体宏观强度与平行粘结模型细观参数对应关系表达式：

σ_d＝f₁(n_d,r_1d,r_2d,r_3d,…,r_nd,E_c,k_n,k_s,σ_cd,τ_cd)

τ_d＝f₂(n_d,r_1d,r_2d,r_3d,…,r_nd,E_c,k_n,k_s,σ_cd,τ_cd)

式中，σ_d、τ_d为d时刻的岩土体的抗压强度、抗剪强度，σ_cd、τ_cd为d时刻的平行粘结模型的法向粘结强度、切向粘结强度，n_d为d时刻的模型中粘结键数量，r_1d、r_2d…r_nd为d时刻模型中各粘结键的粘结半径。

实施例2

本实施例提供一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟系统，包括：

岩土体参数获取模块，被配置为获取岩土体颗粒级配曲线；

计算模型生成模块，被配置为根据所述颗粒级配曲线生成岩土体计算模型；

模型初始化模块，被配置为获取平行粘结键初始参数，对岩土体计算模型的强度进行初始化；

渗透注浆过程模拟模块，被配置为对岩土体计算模型信息网格划分，生成流体计算网格；根据流体计算网格的渗透系数及流体粘度的时空特性，进行浆液扩散过程的模拟；根据浆液扩散过程确定岩土体计算模型的相应区域，进行注浆加固过程模拟。

此处需要说明的是，上述模块涉及的各步骤与方法实施例1相对应，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，包括：

获取岩土体颗粒级配曲线；

根据所述颗粒级配曲线生成岩土体计算模型；

获取平行粘结键初始参数，对岩土体计算模型的强度进行初始化；

对岩土体计算模型信息网格划分，生成流体计算网格；

根据流体计算网格的渗透系数及流体粘度的时空特性，进行浆液扩散过程的模拟。

2.如权利要求1所述的一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，流体计算网格的渗透系数根据网格的孔隙率计算。

3.如权利要求1所述的一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，流体粘度根据注浆时间、浆液扩散边界距注浆孔距离计算。

4.如权利要求1所述的一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，所述浆液扩散过程的模拟包括：

将浆液的扩散过程分为n个时间步，每个时间步内浆液边界向外扩散l次，根据每次浆液扩散后的浆液边界距注浆孔的距离，计算各个时间步浆液扩散过程中的粘度，直至注浆结束。

5.如权利要求1所述的一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：根据浆液扩散过程确定岩土体计算模型的相应区域，进行注浆加固过程模拟。

6.如权利要求5所述的一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，模拟注浆加固过程包括：

获取注浆结束后的岩土体计算模型，确定浆液扩散的范围；

根据浆液扩散范围，模拟注浆加固过程。

7.如权利要求6所述的一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，模拟注浆加固过程包括：

以注浆孔为中心，从四周向注浆孔逐渐增大固体颗粒间平行粘结模型的强度，用以模拟浆液从扩散最边缘先凝固使该部分岩土体最先被加固，逐渐向注浆孔位置凝固而加固岩土体，当注浆孔周围固体模型也被加固后，视为注浆加固过程模拟完成。

8.一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟系统，其特征在于，包括：

岩土体参数获取模块，用于获取岩土体颗粒级配曲线；

计算模型生成模块，用于根据所述颗粒级配曲线生成岩土体计算模型；

模型初始化模块，用于获取平行粘结键初始参数，对岩土体计算模型的强度进行初始化；

网格划分模块，用于对岩土体计算模型信息网格划分，生成流体计算网格；

渗透注浆过程模拟模块，用于根据流体计算网格的渗透系数及流体粘度的时空特性，进行浆液扩散过程的模拟。

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。

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