基于CFD-DEM方法的高频脉冲灌浆渗透行为与介观机理研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Penetration behavior and mesoscopic mechanism in high-frequency pulsating grouting via CFD-DEM method

　　

**摘要**

高频脉动灌浆技术因其能够克服传统稳压灌浆中渗透效率低和分布不均的问题而受到广泛关注。然而，目前的研究主要通过实验和CFD（计算流体力学）方法集中于该灌浆方法的宏观渗透距离，而介观渗透过程和机制则被忽视。因此，本研究采用CFD-DEM（计算流体力学-离散元法）技术来研究其渗透行为。首先，通过实验室灌浆试验验证数值模型的可靠性。其次，分析了平均压力、脉动频率、脉动幅度和细颗粒含量对高频脉动灌浆和传统稳压灌浆渗透性能的影响，并从能量传递的角度解释了这些模式的形成机制。最后，从力学响应和细颗粒侵蚀的角度揭示了脉动灌浆的介观机制。结果表明，随着脉动频率的增加，渗透距离先增大后减小。增大脉动幅度能单调地提高灌浆性能。在高压和高细颗粒含量条件下，高频脉动灌浆可以增强渗透性能。高频压力波通过连续输入动能实现了比稳压灌浆显著更高的能量传递效率。脉动压力可以缓解细颗粒堵塞并重构颗粒，二者协同作用降低渗透阻力并增强浆液渗透能力。本研究为阐明高频脉动灌浆的机制和提出新的灌浆方法提供了参考。

**引言**

灌浆是加固土壤和控制渗漏的常用方法，可有效增强土壤稳定性并提高土层的承载能力[1]。该方法通常在稳压条件下进行，操作简单且技术成熟。然而，稳压灌浆在工程实践中存在一些问题，如颗粒堵塞、渗透不均和渗透范围有限[2]。为克服这些问题，近年来提出了高频脉动灌浆技术。该技术通过在平均静压$\bar{p}$上叠加具有特定频率$f$和幅值$A_m$的循环压力扰动，增强浆液在土壤中的渗透能力[3,4]。

尽管高频脉动灌浆技术的有效性已得到认可，但相关研究仍局限于实验方法。B?rgesson等人[5]通过现场试验验证了脉动灌浆可以通过降低流体粘性和克服流动阻力来改善灌浆渗透性能。Tang等人[6,7]通过砂注浆试验研究了土壤、浆液和灌浆参数对浆液渗透的影响，发现脉动灌浆能实现更大且更均匀的渗透范围，并进一步确定了最佳灌浆参数。Wakita等人[8]通过实验室和现场试验也发现，施加高频灌浆压力可显著扩大浆液渗透范围。Mohammed等人[9]通过人工裂隙试验发现，在动态压力条件下灌浆性能最佳。然而，实验方法只能捕捉宏观渗透结果，无法实现实时监控并揭示土壤与浆液之间的相互作用。

相比之下，数值模拟在研究浆液渗透的时空演变和土-浆相互作用方面具有优势。CFD（计算流体力学）方法已被广泛应用于表征连续介质中脉动浆液的流动。例如，Zhang[10]、Cao[11]和Dou[12]基于COMSOL Multiphysics平台的二次开发，对比分析了脉动灌浆和稳压灌浆的渗透规律。Li等人[13]采用CFD方法研究了不同参数对桩周循环脉动灌浆和稳压灌浆的影响。Tang等人[7]也利用CFD系统研究了不同土壤和浆液条件下脉动和稳压灌浆的渗透性能。然而，CFD方法将土壤视为连续均质介质，忽略了土壤颗粒的离散性，且难以捕捉颗粒间的相互作用。根据Dou等人[14]的研究，浆液-土壤耦合的动态响应是揭示脉动灌浆渗透机制的关键。因此，虽然CFD方法在分析宏观模式方面具有优势，但在揭示脉动灌浆机制方面仍显不足。

近年来，CFD-DEM（计算流体力学-离散元法）技术在多相渗流和岩土过程的研究中得到广泛应用。该方法可以将土壤离散化为颗粒介质并描述离散土壤颗粒的运动，在揭示浆液渗透机制方面具有优势。该方法已被应用于灌浆过程模拟。Hu等人[15]基于CFD-DEM方法研究了非级配土壤的内部侵蚀。Liu等人[16]利用CFD-DEM模拟研究了盾构隧道施工中土-浆相互作用。Li等人[17]使用VOF-DEM方法研究了孔隙率和灌浆压力对饱和砂层灌浆过程的影响。Yang等人[18]也采用CFD-DEM方法从微观层面模拟了浆液的渗透行为。这些研究表明，CFD-DEM方法可以揭示流固相互作用和渗流过程的介观机制。

因此，本研究采用CFD-DEM方法研究高频脉动灌浆的渗透行为和介观机制。本文结构如下：第2节介绍CFD-DEM方法的控制方程及耦合策略；第3节介绍数值模型的建立及其通过实验室灌浆试验的验证；第4节分析脉动灌浆和稳压灌浆条件下浆液的渗透性能，重点讨论平均压力、脉动频率、脉动幅度和细颗粒含量的影响；第5节从土壤力学响应和细颗粒迁移的角度揭示高频脉动灌浆的介观机制；第6节总结主要发现和结论。

**部分章节节选**

**控制方程**

土壤灌浆可以视为固-液三相耦合问题。固相为砂颗粒，使用DEM代码LIGGGHTS进行模拟。流体相包括注入的浆液和空气，使用CFD代码OpenFOAM进行模拟。三相耦合模拟基于CFDEMcoupling代码。本研究中使用cfdemSolverMultiphase求解器模拟涉及固相的多相流耦合模型[19]。

**实验模型**

图2展示了实验设备，主要由空气压缩机、浆液罐、脉动电磁阀、控制单元、土箱和输送管道组成。灌浆压力由空气压缩机提供。当空气压缩机启动时，高压空气进入浆液罐，将浆液压入土箱中。浆液罐中的压力可通过压力表监测。脉动电磁阀由振荡控制单元控制……

**不同条件下浆液渗透行为研究**

系统研究了影响浆液渗透的四个因素——平均压力、脉动频率、压力幅度和细颗粒含量，以比较稳压灌浆和脉动灌浆的渗透特性。分析了渗透距离和灌浆量的差异，以识别浆液渗透行为的一般规律。此外，灌浆入口下方每隔10 mm处的流体压力……

**高频脉动灌浆的介观机制**

从土壤的力学响应和细颗粒侵蚀两个方面研究了高频脉动灌浆的介观机制。

**结论**

采用CFD-DEM方法研究了高频脉动灌浆的渗透模式和介观机制。通过室内实验验证了模型的可靠性。分析了平均压力、脉动频率、脉动幅度和细颗粒含量对浆液渗透的影响，并从能量传递的角度解释了这些模式的形成机制。最后，进一步……

**CRediT作者贡献声明**

陈晓彬：写作——审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。
陈军：写作——初稿撰写，软件，方法学，形式分析，概念构思。
唐路波：写作——审稿与编辑，方法学，概念构思。
周应华：监督，资金获取。
杨伟超：监督，资金获取。
梁维群：调查。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到自然资源部深部金资源勘查开采技术创新中心开放基金项目（项目编号：LDKF-2023BZX-16）、国家自然科学基金（项目编号：51978674）和中国铁路集团科技创新重大项目（项目编号：2023-Major-03）的支持。

陈晓彬 | 陈军 | 唐路波 | 周应华 | 杨伟超 | 梁维群
中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心，长沙，410075，中国