摘要
颗粒材料如砾石、砂土等常见于实际岩土工程中，海洋工程中岛礁填筑以及近海砂床上平台建设也常涉及到钙质砂等颗粒材料。颗粒材料常由于渗流引发土体破坏和变形问题，例如支护结构间的土体渗流变形和砂床上吸力锚负压贯入的土塞产生。颗粒与流体间的耦合作用极为复杂，而基于离散元的流固耦合数值模拟方法（CFD-DEM）能有效反应颗粒与流体间的相互作用，并从细观角度研究颗粒材料渗流问题。然而当前用于表征流体对颗粒作用的拖曳力模型尚且无法考虑颗粒级配的影响，使得CFD-DEM数值方法在模拟级配颗粒材料渗流问题上存在缺陷。 本文首先从颗粒与颗粒相互作用、流体运动以及流体与颗粒相互作用三方面解构了CFD-DEM流固耦合数值方法的内在原理，分析了耦合计算的框架和步骤。同时通过开源软件的运用实现了CFD-DEM数值计算，为后续考虑级配的拖曳力模型建立以及模型的嵌入应用奠定基础。 为建立考虑级配的颗粒堆积体拖曳力模型，对不同形状、粒径、孔隙率和级配的颗粒堆积体开展了渗流试验，探究各参数对于颗粒堆积体渗流特性的影响，试验结果证明孔隙率的影响最大。同时整合试验所得拖曳力系数结果，通过基于遗传编程的符号回归算法拟合得到包含5参数（等效粒径、级配、雷诺数、孔隙率、形状系数）的拖曳力模型方程。将该模型对渗流试验结果进行预测，相关系数高达0.89，具有一定的推广性。 将考虑级配的拖曳力模型嵌入到颗粒堆积体CFD-DEM流固耦合数值方法计算中，并将其应用于考虑结构物影响的砂土渗流变形和砂土中吸力锚负压贯入流固耦合数值模拟中。通过模拟考虑结构物影响的砂土渗流变形全过程，从土体内部颗粒尺度变化上提出了包含三个阶段的渗流变形发展机理。本文从土体自身属性的角度分析其对渗流变形形式以及土体抵抗变形的影响，同时还分析了土体渗流变形中结构物产生的支挡作用，为实际工程设计提供了一定的理论依据。通过对照室内1g吸力锚模型试验，本文对级配砂土中吸力锚负压沉贯过程进行了CFD-DEM模拟研究。通过颗粒尺度上的土体观测和流场监测，分析了吸力锚贯入过程中砂层与渗流场的变化，得到了锚外负压损失和锚内土体渗透性的变化情况，从细观尺度上解释了砂土中吸力锚的沉贯机理。 上述模拟说明考虑级配的拖曳力模型在CFD-DEM流固耦合数值方法中具有适用性和有效性，也说明该数值分析方法对于岩土工程领域涉及颗粒材料渗流的工程问题有极大的参考意义。
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