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基于细观结构数值实验的胶结土岩混合料渗透特性及经验预测
1. 主要摘要
本文探讨了胶结土岩混合料（CSRMs）的渗透特性，建立了CSRMs的随机细观结构模型，并通过实验测定饱和和非饱和渗透参数。数值模拟结果表明，CSRMs的渗透系数随岩块含量变化，达到40%时渗透系数最低。此外，岩块倾角、长短轴比等因素显著影响渗透特性。本文总结了CSRMs的渗透系数经验公式，揭示了CSRMs渗透特性与物料结构间的关系，为土岩混合料在工程中的应用提供了理论支撑。
2. 引言
CSRMs因其高强度、良好的水稳定性和低压缩变形特性被广泛应用于高速铁路路基和土石坝等工程中。然而，CSRMs的复杂材料组成和结构效应导致其渗透特性不均，常规的渗透实验难以全面反映其特性。本文采用数值模拟方法，通过细观结构模型探讨了CSRMs在饱和和非饱和状态下的渗透特性，并研究了岩块含量、形状和取向对渗透系数的影响。
3. 主要内容
岩块特性包括含量、尺寸、形状和取向。本文通过随机生成的多边形模型模拟岩块形状，并采用对数正态分布描述岩块尺寸分布。岩块的形状由椭圆模型随机变换而成，以近似天然岩块的复杂几何特征。
CSRMs中的岩块随机分布。本文采用几何控制点和边界侵入判断法，确保随机布置的岩块在不重叠的情况下填充整个结构模型，形成符合实际的CSRMs模型。
采用随机细观结构模型描述CSRMs内部的岩土界面，生成不同岩块含量和形状的模型，用于后续的渗透特性模拟。
使用Richards方程模拟CSRMs在非饱和条件下的渗透过程，在饱和条件下则使用Darcy定律。方程结合土水特征曲线描述非饱和渗透，确保模拟结果的可靠性。
基于室内试验测定CSRMs的饱和和非饱和参数，包括土水特征曲线和饱和渗透系数。采用Teros-21和5TM传感器测量试样在不同吸力条件下的水分含量。
使用COMSOL软件对CSRMs模型进行饱和/非饱和渗流模拟。模型的上边界施加渗流压力，两侧设为不透水边界，底部设为渗透约束，保证模拟与实验条件一致。
CSRMs的渗透系数随岩块含量增加呈先减小后增大的趋势，在40%岩块含量时达到最小值。模型表明岩块含量增加延长了渗透路径，但较高含量则提升了渗流速率。
随岩块倾角增加，CSRMs的渗透系数呈非线性增加。当岩块长轴与渗流方向垂直时，渗透路径最长，渗透系数最小。
CSRMs的渗透系数随岩块长短轴比增加而降低。较大的长短轴比增加了水阻界面，使渗透路径更长，降低了渗透性。
当土体与岩块渗透率差异小于三个数量级时，CSRMs渗透系数受两者共同影响；当差异大于三个数量级时，渗透性主要由较高渗透率的一侧决定。
本文根据不同影响因素，提出了CSRMs渗透系数的经验预测公式。公式分别考虑了岩块含量、倾角和形状等因素，预测结果与实验数据具有较高相关性。
4. 主要结论
岩块长轴垂直渗流方向时，渗透路径最长，渗透系数最小，倾角对渗透性的非线性影响显著。
岩块长短轴比越大，渗透路径越长，渗透系数越低，特别是在高岩块含量条件下。
当土体和岩块渗透率相差超过三个数量级时，渗透性由渗透率较高的一侧主导。
本文提出的经验公式为CSRMs渗透性预测提供了有效工具，有助于工程中对CSRMs渗透性的理论理解和应用。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— VOF-DEM耦合探讨多孔介质的应变敏感特性
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM裂缝性地层颗粒-流体渗流模拟
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
