[发明专利]多相复合材料的等效渗透系数细观尺度研究方法

说明书

本发明涉及一种多相复合材料的等效渗透系数细观尺度研究方法。本发明针对复合材料的非均质特性，从细观尺度角度，基于有限元方法建立了数值模型以此估计其等效渗透系数。所建立的数值模型通过Monte Carlo算法进行模拟，得到了细观尺度下具有空间随机性的多相材料结构，结合有限元计算方法和达西定律，对复合材料的等效渗透系数进行评估。本发明从细观尺度出发，提出了一种可实现模拟多相复合材料的内部结构非均质性的方法，为分析多相复合材料的渗透特性提供了新思路，且模拟方法简单易行，快速方便。

技术领域

本发明属于多相复合材料特性研究领域，特别涉及一种多相复合材料的等效 渗透系数细观尺度研究方法。

背景技术

渗流特性是材料允许液体通过其相互连接的孔隙的能力，同强度和变形特性 均为岩土材料的较为重要的物理力学参数。渗流特性会引起水库大坝失稳等渗漏 问题，影响工程效益；另一方面，它会带来渗透和稳定问题，如涌水和流土等导致 滑坡或基坑倒塌。一般情况下，渗透性能可以用渗透系数来表征，也称为水力特 性。

目前，确定材料的渗透系数主要通过试验方法直接测量和间接获取两种方法 实现。渗透系数的实验测量方法可以分为两类，第一类是基于达西定律，在试样 两侧同时施加水头，通过测量渗流量计算渗透系数。这种方法又称为渗透试验， 包括常水头试验和变水头试验。第二种方法以太沙基固结理论为基础，通过固结 系数反求试样的渗透系数，该系数是通过测量试样变形随时间的发展而得到的。 事实上，由于受试验条件、试样大小、试样缺陷等诸多因素的影响，不同试验方 法测得的渗透率系数往往相差较大，难以达到很高的精度。同时由于土样在取样 时避免不了扰动的影响，很难取得具有代表性的原状试样，故常需要进行野外井 点抽水等试验来测量渗透特性。但无论采用何种方法，通过试验测量或现场试验 测定渗透系数都是一项繁琐费时、资金与人力成本较高的工作。

试验或场地测量等直接方法测量渗透系数外，还可通过间接方法获得渗透系 数。如利用分形模型对渗透系数进行评估，但该方法不能反映流体在材料中的流 动情况以及渗流机制；通过CT扫描技术对材料的真实内部结构进行重构，该方 法能够较为真实的模拟材料的内部组成，但仅适用于某一特定的材料，不能得到 渗流的一般规律；有学者根据SWCC实验的基质吸力值确定渗透系数；或提出 适用于某种土体的经验公式，如经典的Terzaghi公式、Hazen公式、Kozeny-Carman 公式等，但这些方法对于非均质性较强、各相渗透系数差异较大的多相复合材料 并不适用。多相复合材料的渗透系数不是简单的各组分之间的简单组合，而且由 高、低渗透介质的耦合作用共同决定。

因此，确定多相复合材料的渗透系数仍是岩土工程中的一个难点问题。对于 非均质的多相复合材料而言，其渗透系数是由不同的渗透介质材料复合而成。由 于不同相之间的渗透性能可能存在着明显差异，多相复合材料的细观内部渗流场 分布具有极端的不均匀性，并且受各相的含量、形态及空间分布等细观结构特征 的影响。渗流场在细观尺度上的不均匀性，将在一定程度上影响其整体宏观渗透 特征。因此，寻找一种有效的方法来评估多相复合材料的渗透系数，从细观尺度 上研究土-石混合料内部组分的性质和等效渗透系数，具有重要的理论意义和工 程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多相复合材料的等效渗透系数细观尺度研究方 法。本发明所提供的这种细观尺度研究方法，是基于有限元方法建模，通过Monte Carlo算法实现多相复合材料内部结构的非均质性，并结合达西定律，对复合材 料的等效渗透系数进行评估。