Bingham流体模型在灌浆工程中的应用与模拟工具介绍

Bingham流体模型在灌浆工程中的应用与模拟工具介绍

Bingham流体模型是一种在岩土工程中广泛应用的流变学模型，特别适用于描述具有屈服应力的材料，如泥浆和淤泥。本文将介绍该模型在灌浆工程中的应用，并重点阐述UDEC和Fracman两种计算工具的具体使用方法。

1. 引言

Bingham流体模型用于描述在低应力时表现为刚性体，而在高应力时则像粘性流体一样流动的材料。这种模型在岩土工程等多个领域都有应用，特别是在水泥灌浆模拟中。目前常用的计算工具有UDEC、Fracman和Anura3D。

2. UDEC

UDEC（Universal Distinct Element Code）是一种用于分析岩土工程问题的数值模拟软件。以下是使用Bingham流体模型进行灌浆模拟的具体步骤：

1. 配置流体选项：

   block config fluid
   

   这个命令激活UDEC中流体流动分析选项。默认情况下，UDEC只模拟岩体的力学行为，配置流体流动选项后就可以模拟流体在节理和基质材料中的运动。3DEC相应的命令为：

   model config fluid
   

2. 定义浆体材料参数：
   浆体材料参数主要是密度和粘结力。

   block fluid property density
   block fluid property cohesion
   

3. 开启稳态流计算：

   block fluid steady-state on
   

4. 初始化孔隙压力：

   block domain initialize pore-pressure
   

3. Fracman

Fracman是一种专门用于分析断裂网络（DFN）的软件，其灌浆功能主要用于设计灌浆参数。Fracman采用Bingham流体注入算法，使用与FracMan DFN水力压裂方法类似的质量平衡算法。它适用于压裂注浆，在钻井过程中采用钻削再注浆（DCRI）策略；为隧道工程提供应力相关方法，称之为孔隙控制灌浆（ACG）。

在FracMan中进行注浆模拟需要在模型中定义井（或隧道）、一组或多组断裂、包含初始压力场和应力的网格、用于定义注浆后断裂临界应力分析的应力网格，以及用于选择断裂的裂缝过滤器。要进行分析，从文件菜单中选择"DFN模拟">"地质力学">"灌浆"，然后在三个"灌浆定义"选项卡中输入所需参数，如下图所示。