天然岩土颗粒材料液体中拖曳力系数试验研究

摘要

钙质砂作为南海岛礁填筑常用的岩土颗粒材料，其渗透性很大程度上决定着填筑后土体的固结和沉降，从而影响海工构筑物的安全和稳定。钙质砂通常由珊瑚、贝类等海洋生物遗骸组成，因此在化学成分及矿物组成方面区别于其他岩土颗粒材料。另外，其内外孔隙都极其发育，颗粒易破碎，颗粒形貌极不规则，导致其力学和水理性质与陆源石英砂有很大区别。
　　拖曳力系数是表达流体与颗粒之间相互作用的无量纲物理量，也是表征颗粒状土体渗透能力的一个重要参数，目前国内外对钙质砂等天然岩土材料拖曳力系数的研究十分有限。本文首先通过长宽比、圆形度分析比较了钙质砂和石英砂的表面形态，并引入一个修正的三维参数?对钙质砂和石英砂这两种天然非规则颗粒材料的形状进行定量描述，发现石英砂颗粒平均?值为0.7，钙质砂颗粒平均?值为0.57；从分形角度讨论了钙质砂和石英砂颗粒的形状分维数，发现钙质砂分形维数较石英砂更大，钙质砂颗粒的形态更复杂。
　　通过自行设计和加工的沉降装置，开展了一系列天然岩土和机械加工的单个颗粒在液体中的沉降试验，利用高速相机记录颗粒沉降过程，结合图像处理技术获得颗粒沉降平衡速度Ut。对于规则颗粒试验结果，本文从拖曳力系数和颗粒沉降平衡速度两个方面，采用统计学参数对以往各模型的误差进行了系统分析，发现Brown和Lawler模型的计算误差较小，从而将其作为研究不规则颗粒拖曳力系数的基础；对于钙质砂和石英砂两种天然不规则材料，通过 Ut计算出拖曳力系数 CD和雷诺数Re,分析了形状和雷诺数对颗粒拖曳力系数的影响，得到拖曳力系数随Re和?的增大而减小的规律。通过引入形状影响系数?可以体现不同雷诺数区间上?对CD的影响大小，最后分别拟合出包含CD、Re及?三个参数的钙质砂和石英砂拖曳力系数半经验模型。该模型能够考虑不规则颗粒形状对拖曳力系数的影响，从而提高对土体渗透性预测的精度，对南海岛礁填筑工程中钙质砂固结和沉降的计算及海工构筑物基础的稳定性评价具有重要意义。
　　通过借鉴Di Felice的研究成果，建立了钙质砂颗粒集合体与单颗粒拖曳力的联系，并嵌入到CFD-DEM程序中。通过单颗粒液体中自由沉降数值模拟，与同比尺物理模型试验结果进行了对比分析，验证了该程序的有效性，并证明模型嵌入后能极大的提高程序在模拟计算不规则颗粒沉降平衡速度的精度，为进一步研究形状不规则的天然岩土材料的渗流特性起到良好的铺垫作用。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究意义

1.4 研究内容和方法

2 颗粒细观形状定量描述

2.1 颗粒形状二维描述方法

2.2 颗粒形状三维描述方法

2.3 钙质砂和石英砂颗粒形状参数对比

2.4 颗粒形状分形描述

2.5 本章小结

3 试验原理及方法

3.1 试验原理

3.2 试验材料

3.3 试验方法

3.4 本章小结

4 试验结果与分析

4.1 规则颗粒试验结果与分析

4.2 钙质砂拖曳力系数模型

4.3 石英砂拖曳力系数模型

4.4 误差分析

4.5 颗粒表面形态的影响

4.6 本章小结

5 颗粒沉降CFD-DEM数值模拟

5.1 单颗粒拖曳力系数到颗粒集合体的过渡

5.2 数值模型建立

5.3 球体颗粒沉降数值模拟

5.4 钙质砂颗粒沉降模拟

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢