0825 文献阅读 The Role of Foam in Improving the Workability of Sand: Insights of DEM

DOI:10.3390/min12020186

Liu, ZR (Liu, Zhengri) [1] ; Wang, SY (Wang, Shuying) [1] ; Qu, TM (Qu, Tongming) [2] ; Geng, XY (Geng, Xueyu) [3]

Abstract:

目的：通过结合离散元和塌落度实验研究泡沫改良沙土性能的细观机制

发现：

泡沫注入沙土样本中可以增加周围的配位数和接触数

力传递模式从沙沙变为沙泡、沙沙、泡泡接触，传递的接触力大小显著变小

泡沫的存在降低了接触范围的摩擦强度，降低了沙粒的微观稳定性

接触力的法向方向由垂直向水平方向转变

keywords: earth pressure balance shield; soil conditioning; slump tests; sand; foam; discrete element modeling

1 Introduction:

土压平衡盾构掘进原理，磨损刀具耗费时间

土的和易性（workability）影响EPB工作

合适的流动和塑性有利于润滑盾构掘进

低塑性状态的土是必要的

需要在刀盘前加入添加剂，泡沫是最常用的

---

泡沫相比土有更小的刚度和粒径，是一种亚稳态材料，但是能显著影响土的性质

---

塌落度是评价土的和易性以及渣土改良最方便的手段

---

泡沫改良土的机理

however：前人的研究大多集中在宏观视角

---

现有研究大多在宏观上进行分析，已经有不能解释泡沫改良土的机理

不同于已有研究，本研究通过DEM探寻颗粒尺度泡沫渣土改良机制

2 Slump Test

2.1 test material

沙子来源：Xiangjiang River, China

粒径曲线

泡沫种类：阴阳离子混合型泡沫剂：阳离子表面活性剂十二烷基氯化铵+阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠+非离子表面活性剂氯化十二烷

泡沫发泡系统及性能指标

2.2 test equipment

采用比例尺实验。1：2缩小尺度的塌落度桶被应用，减少DEM的运算时间 标准实验也被应用于其中

2.3 test procedures and conditions

180s内完成实验，采用含水量为10%的土体

2.4 test results

3 Numerical Simulation

为探究泡沫对土和易性的影响，分析泡沫对粒径间的接触力方向和大小、力链演化等的影响

在泡沫改良土DEM模型中将泡沫和土颗粒简化为球型粒子

采用基于梯度自动校准的方法进行修正在文献[41]

3.1 numerical modeling

PFC3D 离散元软件建模

3.2 slump barrel

3.3 sand particles

忽略细颗粒土

3.1.3 foam particles

受限于算例，泡沫采用d50大小 0.15mm

3.1.4 Numerical Modeling Procedures

3.2 parameter calibration

选取parallel bond model [47]

使用an automated parameter calibration method优化

3.3 verification of the DEM Model

将实验值与模型值进行对比

对比模型照片

证明DEM模型十分适用于泡沫改良的细观解释

4 Numerical Modeling Results and Analysis

4.1 effect of foam on particle contacts

4.1.1 effect of foam on the coordination number

泡沫对配位数的影响

泡沫使得土颗粒排列致密，空隙体积更小，填充于空隙中间

4.1.2 effect of foam on the number of particle contacts

泡沫对颗粒接触数的影响

4.1.3 effect of foam on the evolution of force chains

泡沫对力链演化的影响

泡沫能够削弱力链，降低砂的剪应力

4.2 effect of foam on contact force distribution

泡沫对接触力分布的影响

比较不同状态下泡沫的法向力的大小和方向变化规律

4.2.2 泡沫对颗粒间接触力大小的影响

5 Conclusions

使用气固两相流模拟了土颗粒和泡沫，解释了改良机理如下：

1、泡沫气泡填充砂的孔隙，导致泡沫条件砂的配位数增加。随着泡沫的加入，颗粒接触的数量大大增加，因为在砂的孔隙中会出现一些“泡沫-砂”和“泡沫-泡沫”的接触。

2、由于泡沫气泡的引入显著增加了颗粒接触次数，从而增加了砂样中的力传递路径，泡沫气泡可以削弱条件砂的内力链结构。

3、在砂粒中加入泡沫时，法向接触力的主方向向水平方向转移更为显著，砂粒有水平运动的倾向。

4、随着FIR的增大，平均法向接触力从1.2 × 10-3 N(非调节状态)下降到5.5 × 10-4 N(过度调节状态)，为最大值的0.46倍，即加入足够的泡沫可使平均法向接触力降低50%以上。

5、砂粒需要克服摩擦强度才能移动，摩擦力受颗粒间法向接触力和摩擦系数的影响。泡沫可以润滑砂粒，降低摩擦系数，进而降低颗粒之间的法向接触力，导致摩擦阻力降低。

---

pressure chamber 土仓

screw conveyor 螺旋输送机

foam nozzles set 泡沫喷嘴

cutterhead 刀盘

bulkhead 舱壁

macroscopic perspectives 宏观视角

particle-scale 颗粒尺度

grain size distribution curve 粒度分布曲线

mesoscopic parameters 细观参数

particles 粒子

specimen 样品