陳 爽

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司， 南京 211899)

隨著泥水盾構(gòu)技術(shù)日趨成熟，其被廣泛應(yīng)用于大斷面、超長距離、復(fù)雜地層情況下的隧道建設(shè)中[1-2]。近年，開挖面失穩(wěn)事故在多地盾構(gòu)隧道施工中時(shí)有發(fā)生[3-5]，如南京地鐵10號(hào)線越江隧道、揚(yáng)州瘦西湖隧道等，開挖面穩(wěn)定控制是盾構(gòu)法施工亟待解決的問題。根據(jù)泥水盾構(gòu)的工作原理，開挖面前方的水土壓力主要通過泥膜傳力來平衡[6]，泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性與泥漿成膜特性直接相關(guān)。

關(guān)于泥漿成膜特性的研究，中國學(xué)者已取得了許多成果。姜騰等[7]通過自制的室內(nèi)泥漿氣密性測試系統(tǒng)，分析了泥漿性質(zhì)、氣壓大小對(duì)對(duì)泥膜形成質(zhì)量的影響；葉偉濤等[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)不同泥漿相對(duì)密度和黏度下試驗(yàn)的單位濾失量、成膜時(shí)間和泥膜形態(tài)等進(jìn)行了分析，并探討了泥倉壓力和含砂率對(duì)泥漿成膜的影響；林鈺豐等[9]利用自行設(shè)計(jì)的泥漿滲透裝置，分析了地層滲透系數(shù)對(duì)泥漿成膜的影響，并提出了是否有效成膜的判斷方法；宋洋等[10]通過自制的模擬泥水盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)不同泥漿配比下的滲透規(guī)律及動(dòng)、靜態(tài)成膜規(guī)律進(jìn)行了分析。由上述研究現(xiàn)狀可以看出，有關(guān)泥漿成膜、泥漿性能的研究仍停留在微觀機(jī)理和宏觀應(yīng)用層面，針對(duì)特定地層的泥漿成膜規(guī)律尚不清晰。

中國學(xué)者多通過離散元模擬分析泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過程中泥膜與地層的相互作用。劉成等[11]基于三維顆粒流離散元程序YADE，分析了泥漿侵入土層初始階段泥膜的動(dòng)態(tài)形成機(jī)理和多因素影響規(guī)律，提出粒徑比是泥膜狀態(tài)的決定因素，泥漿顆粒密度影響相對(duì)較?。粭钺摰萚12]依托盾構(gòu)實(shí)際工程，通過室內(nèi)泥膜試驗(yàn)和顆粒流數(shù)值方法，分析研究了泥膜在氣壓作用下破壞過程；加瑞等[13]通過三維顆粒流程序模擬了泥漿顆粒在壓力差作用下的成膜過程，分析了泥膜質(zhì)量的主要影響因素，提出增加泥漿d85(d85表示顆粒含量占85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑)和泥漿密度有助于形成良好的泥膜；畢慶杰[14]采用離散元-流體(PFC-FLUENT)耦合的顆粒細(xì)觀模型及室內(nèi)相似模型，對(duì)砂性地層的滲透破壞過程及滲透破壞對(duì)端頭土體穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究。

為了解決泥水盾構(gòu)在砂卵石地層中成膜困難的問題，得到砂卵石地層泥漿滲透細(xì)觀成膜機(jī)理，依托京張高鐵清華園隧道，利用自制的泥漿滲透裝置，對(duì)不同級(jí)配下的砂卵石地層進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，觀察泥漿滲透及成膜過程，對(duì)泥漿顆粒在砂卵石地層中的堆積形態(tài)進(jìn)行細(xì)觀分析，同時(shí)基于流體-離散元(FLUENT-EDEM)耦合計(jì)算原理，采用數(shù)值仿真的手段，對(duì)泥漿顆粒在地層孔隙中的運(yùn)移軌跡進(jìn)行細(xì)觀分析，以探究在不同泥漿顆粒大小、密度和壓力條件下的泥漿成膜規(guī)律。

1 砂卵石地層泥漿滲透試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

開展泥漿在不同滲透系數(shù)砂卵石地層中的滲透成膜試驗(yàn)探究地層顆粒分布對(duì)泥漿成膜形態(tài)的影響，泥漿滲透裝置如圖1所示。

圖1 泥漿滲透試驗(yàn)裝置Fig.1 Permeability test equipment

本試驗(yàn)采用的裝置是封閉式泥漿滲透室，采用有機(jī)玻璃作為側(cè)壁，上下利用鐵蓋結(jié)合高分子橡膠圈進(jìn)行封閉。頂蓋安裝兩個(gè)閥門和一個(gè)氣壓監(jiān)測表，氣壓監(jiān)測表可以實(shí)時(shí)讀取壓力室內(nèi)的氣壓值，兩個(gè)閥門，進(jìn)氣閥門通過壓力輸送管與空氣壓縮機(jī)相連，泄氣閥門用于調(diào)節(jié)滲透室內(nèi)的氣壓，進(jìn)氣閥門和泄氣閥門共同配合使用，達(dá)到穩(wěn)定調(diào)節(jié)壓力倉內(nèi)氣壓的目的。底部設(shè)計(jì)了隔層，可以保證水能夠滲透排出。

1.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)開始前，用砂石鋪設(shè)濾層，然后將地層土樣逐層的填裝和壓實(shí)，在地層填充完畢后，自下而上緩慢地注入自來水使得地層達(dá)到飽和狀態(tài)并靜止24 h。開始試驗(yàn)后將水面降至與地層表面同一高度，隨后關(guān)閉底部閥門。利用導(dǎo)流管將試驗(yàn)?zāi)酀{加入地層上方。

試驗(yàn)加載采用分級(jí)加載的方式，且泥漿在每級(jí)壓力作用下濾失速度達(dá)到穩(wěn)定即表示滲透達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，觀察記錄泥膜的形成過程和滲透距離。加載完成后，關(guān)閉進(jìn)氣閥門和空氣壓縮機(jī)，打開泄氣閥門進(jìn)行泄壓，依次松開頂蓋螺帽，揭開頂蓋，取下有機(jī)玻璃圓筒，取出泥膜進(jìn)行觀察量測。

1.3 材料的制備

1.3.1 試驗(yàn)地層的配制

試驗(yàn)的設(shè)計(jì)依托于京張高鐵清華園隧道穿越砂卵石地層盾構(gòu)工程，采用篩分后的河砂和標(biāo)準(zhǔn)砂模擬砂卵石地層，按不同比例配制出了5種不同滲透系數(shù)的砂卵石地層(地層編號(hào)：D1、D2、D3、D4、D5)，5種地層的級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 5種地層的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 The grain distribution curve of five stratum

各地層的滲透系數(shù)采用常水頭滲透裝置測定，測定結(jié)果如表1所示。

表1 各地層滲透系數(shù)Table 1 Permeability coefficient of each stratum

1.3.2 泥漿的配制

試驗(yàn)中采用與清華園隧道現(xiàn)場性能指標(biāo)相近的泥漿，配制泥漿的主要材料為清水、膨潤土、粉土顆粒、羧甲基纖維素鈉(CMC)、碳酸鈉。先利用膨潤土和清水組成基礎(chǔ)漿液，再加入CMC和粉土來調(diào)節(jié)泥漿的比重和黏度，具體的泥漿配比如表2所示。

表2 泥漿配比

泥漿逐步調(diào)制完成，靜置36 h后通過攪拌機(jī)充分?jǐn)噭?，?jīng)測試其基本的性能參數(shù)如表3所示。

表3 泥漿性能測試結(jié)果

2 砂卵石地層泥漿成膜形態(tài)的細(xì)觀分析

泥水平衡盾構(gòu)中的泥漿滲透成膜類型，從宏觀上分為三類[15]，泥漿滲透成膜試驗(yàn)結(jié)果如下。

第一類是泥漿完全滲透濾失，如在D1地層中，因地層孔徑太大，導(dǎo)致泥漿急劇流失，既沒有在地層表面形成泥皮，也沒有在地層內(nèi)部形成穩(wěn)定的滲透帶。此時(shí)泥漿壓力全部用于抵抗地層中孔隙水壓力，并未對(duì)掘進(jìn)面起到支護(hù)作用，最后形成圖3所示的地層。

圖3 泥漿完全濾失Fig.3 Slurry completely filtered out

第二類是泥漿部分濾失，如在D3地層中，泥漿進(jìn)入一段地層，對(duì)地層中的孔隙進(jìn)行填充，并在地層表面淤積泥漿顆粒，最終在地層表面形成泥皮。滲透帶和泥皮共同組成的泥膜如圖4所示。

圖4 泥皮和滲透帶Fig.4 Filter cake and permeability zone

第三類是泥漿顆粒幾乎完全被阻擋在地層表面，如在D5地層中，很少泥漿顆粒進(jìn)入地層，在壓力作用下，泥漿在地層表面脫水，如圖5所示。

圖5 泥皮Fig.5 Filter cake

為了觀察泥漿在砂卵石地層中成膜的形態(tài)，即泥皮、地層、滲透帶的細(xì)觀形態(tài)。取出試驗(yàn)?zāi)酀{在模擬地層中滲透成膜后的具有代表性的D3地層部分樣本，利用電子顯微鏡進(jìn)行觀察，從細(xì)觀上分析泥皮、滲透帶與地層之間的形態(tài)特征。

圖6為泥漿在地層中滲透后形成的泥膜和地層的結(jié)合體在濕、干狀態(tài)下的圖像。通過近距離觀察可以發(fā)現(xiàn)，泥漿在地層中形成的泥皮與地層緊密的貼合，泥皮較為致密，泥皮與地層有清楚的界限。從砂土地層顆粒周圍充填的泥漿滲入組分可以看出，滲入的泥漿通過地層的過濾顏色變淡，充盈在砂土顆粒周圍，這對(duì)增大砂土地層的黏滯性起到了很大的作用。利用烘箱將樣本地層烘干，可以看出，烘干后的泥皮在失水后體積縮小并緊貼在地層表面，形成了堅(jiān)硬的泥殼。

圖6 D3地層中形成的泥皮Fig.6 Filter cake in D3 stratum

圖7為地層中泥漿滲透帶在濕、干兩種條件下的形態(tài)?？梢钥闯觯趬毫ψ饔孟履酀{滲透將砂土中的孔隙水?dāng)D出，充填在砂土顆粒周圍。由圖7(b)可見，地層顆粒表面覆蓋了一層土顆粒，且顆粒與顆粒之間有明顯的泥漿淤積擁堵痕跡。

圖7 泥漿在D3地層中的滲透帶Fig.7 Permeability zone of mud in D3 stratum

通過以上現(xiàn)象可以得出，由于膨潤土顆粒具有內(nèi)部膨脹等特性，當(dāng)泥漿侵入地層時(shí)，泥漿顆粒會(huì)在地層內(nèi)部或者表面形成阻塞，阻塞顆粒群在泥漿壓力作用下失去結(jié)晶，最終形成微透水或不透水的泥膜。而通過對(duì)砂卵石地層中泥漿滲透成膜試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，泥漿在壓力的作用下向地層中發(fā)生滲透，其最終滲透形態(tài)主要由泥漿粒徑控制。適當(dāng)?shù)哪酀{粒徑能夠滲透進(jìn)地層并有效阻塞地層孔隙，從而形成泥膜。

3 基于FLUENT-EDEM耦合的泥漿滲透數(shù)值模型

基于上述試驗(yàn)，為了深入分析泥漿顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、堵塞機(jī)理和影響因素，采用FLUENT-EDEM耦合數(shù)值模擬方法對(duì)泥漿的滲透過程進(jìn)行深入研究。

3.1 FLUENT-EDEM耦合數(shù)值方法的實(shí)現(xiàn)

FLUENT-EDEM耦合計(jì)算方法通過將離散元顆粒和流體模型進(jìn)行耦合，可以實(shí)現(xiàn)流體在顆粒體孔隙中的耦合計(jì)算。

粒子-流體相互作用力由壓力梯度力、阻力、升力和虛擬質(zhì)量力組成。壓力梯度力包括由于重力引起的浮力和流體中的加速壓力梯度力。阻力是由流體對(duì)顆粒的粘性剪切作用引起；虛擬質(zhì)量力由粒子和流體之間的相對(duì)加速度引起。升力，包括薩夫曼升力和馬格努斯升力，是由于粒子旋轉(zhuǎn)引起的升力或向上力。在顆粒沉降過程中，顆?？赡茉诖怪狈较蛏弦韵喈?dāng)小的加速度下降，其中升力和虛擬質(zhì)量力的影響可以忽略不計(jì)。因此，在本次模擬中，僅考慮拖曳力和壓力梯度力。

本次模擬使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算阻力，因?yàn)轭w粒的加速度在沉降中相當(dāng)小，故忽略了加速壓力梯度，壓力梯度力僅被認(rèn)為是浮力，浮力Fd的計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：ρ為密度，g/m3；d為直徑，m；g為重力加速度，m/s2。

3.2 數(shù)值模型的建立及參數(shù)設(shè)定

模型的建立主要分為3個(gè)步驟：①FLUENT網(wǎng)格劃分；②EDEM初始化；③FLUENT-EDEM耦合設(shè)置，具體如下。

3.2.1 FLUENT網(wǎng)格劃分

在FLUENT-EDEM耦合模擬期間，F(xiàn)LUENT網(wǎng)格獨(dú)立于粒子運(yùn)動(dòng)而工作。FLUENT網(wǎng)格的尺寸對(duì)于粒度的選擇至關(guān)重要。由于孔隙度和阻力計(jì)算算法原因，單元尺寸應(yīng)大于顆粒直徑的2～4倍。圖8為本次模擬的滲透柱模型，該模型中FLUENT網(wǎng)格的尺寸為顆粒直徑的5倍，滿足計(jì)算精度要求。

D為地層顆粒直徑圖8 滲透柱模型示意圖Fig.8 Schematic diagram of permeation column model

3.2.2 EDEM初始化

EDEM初始化的主要目的是生成砂卵石柱，其占據(jù)滲透柱體積的1/2。顆粒在重力作用下自然穩(wěn)定。在滲透柱內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生7×104個(gè)單分散砂卵石顆粒，然后在底部沉降，其平均孔隙率為0.38(接近實(shí)際地層的平均孔隙率)，如圖9所示。

H為模型的高度；D為模型的直徑圖9 EDEM中滲透模型示意圖Fig.9 Schematic diagram of penetration model in EDEM

3.2.3 FLUENT-EDEM耦合設(shè)置

FLUENT-EDEM耦合設(shè)置較為復(fù)雜。參照文獻(xiàn)[16]中的相關(guān)耦合計(jì)算參數(shù)，確定了相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)置，如EDEM時(shí)間步長、耦合間隔和流體模型、耦合參數(shù)等，如表4所示。

4 泥漿滲透成膜細(xì)觀機(jī)理及影響因素模擬結(jié)果

4.1 基于EDEM的泥膜細(xì)觀形態(tài)

數(shù)值模擬得出了3種滲透模式下的滲透過程以及滲透規(guī)律，并且3種不同類型的泥膜與滲透試驗(yàn)得出了泥膜形態(tài)相對(duì)應(yīng)。分別對(duì)3種不同種類的泥漿滲透模式進(jìn)行分析。泥漿和地層顆粒均簡化為球形顆粒。

4.1.1 泥皮型泥膜(I型泥膜)

該工況中，泥漿顆粒直徑為0.1 mm，地層顆粒直徑為0.3 mm。滲透柱進(jìn)口設(shè)置為壓力邊界，壓力為50 kPa。

此工況計(jì)算了地層顆粒直徑與泥漿顆粒之比為3的情況。從圖10(a)可以看出，地層在泥漿顆粒滲透前后并沒有太明顯的變化。隨著泥皮的逐漸成形，對(duì)流體的阻礙作用逐漸增大。通過泥皮建立了泥漿與地層之間的壓力傳遞關(guān)系，地層受到了一定壓縮，孔隙率從0.38縮小到了0.36。從圖10(b)可以看出，泥漿顆粒幾乎沒有滲透進(jìn)入地層，均被地層阻擋在外。

圖10 I型泥膜Fig.10 Filter cake I

4.1.2 泥皮+滲透帶型泥膜(II型泥膜)

該工況泥漿顆粒直徑為0.1 mm，地層顆粒直徑為0.5 mm。滲透柱進(jìn)口設(shè)置為壓力邊界，壓力為50 kPa，滲透平衡狀態(tài)如圖11(a)所示。

圖11 II型泥膜Fig.11 Filter cake II

此工況計(jì)算了地層顆粒直徑與泥漿顆粒之比為5的情況，從圖11(b)可以看出，地層在泥漿顆粒滲透前后并沒有太明顯的變化。與上一種工況相比，由于該次增大了地層的顆粒直徑，形成的地層孔隙有所增大。泥漿在滲透過程中有部分泥漿顆粒進(jìn)入了地層，對(duì)地層中的孔隙進(jìn)行了一定程度的填堵，從而減小了地層的滲透系數(shù)。隨后泥漿顆粒逐漸滯留在地層表面形成了泥皮。泥漿在地層中的滲透深度明顯大于第一種工況，形成的是泥皮+滲透帶型泥膜。

4.1.3 滲透帶型泥膜(III型泥膜)

該工況，泥漿顆粒直徑為0.1 mm，地層顆粒直徑為1 mm。滲透柱進(jìn)口設(shè)置為壓力邊界，壓力為50 kPa。滲透平衡狀態(tài)如圖12(a)所示。

此工況計(jì)算了地層顆粒直徑與泥漿顆粒之比為10的情況。從圖12(b)中可以看出，地層在泥漿顆粒滲透前后并沒有太明顯的變化，由于地層顆粒與泥漿顆粒尺寸相差較大，地層堆積后所形成的孔隙較大，導(dǎo)致泥漿顆粒直接從地層的孔隙中穿行而過。雖然有部分泥漿顆粒滯留在地層中，但對(duì)地層的改變并不明顯，泥漿在地層中完全濾失，并沒有形成泥膜。

圖12 III型泥膜Fig.12 Filter cake III

4.2 顆粒相對(duì)大小對(duì)成膜的影響

泥漿壓力為50 kPa時(shí)，泥漿密度為1.29 g/cm3下，地層中泥漿顆粒大小不同時(shí)泥膜的形成情況分別如圖13所示。可以看出，泥漿的顆粒大小對(duì)泥膜的形成質(zhì)量影響較大?？傮w而言，泥漿的粒徑越大，泥漿顆粒在掘進(jìn)面的堆積效率越高，成膜形態(tài)越好。

圖13 不同顆粒比值下泥漿滲透現(xiàn)象Fig.13 Slurry infiltration phenomenon under different particle ratios

當(dāng)D/d=3(D為地層顆粒直徑；d為泥漿顆粒直徑)時(shí)，地層的孔隙足夠小，導(dǎo)致泥漿顆粒沒有滲透進(jìn)入地層，從而在地層表面形成擁堵，形成泥皮，如圖13(a)所示；當(dāng)D/d=5時(shí)，地層的孔隙依然較小，導(dǎo)致泥漿顆粒沒有滲透進(jìn)入地層，全部在地層表面形成擁堵，形成滲透帶型泥膜，如圖13(b)所示；當(dāng)D/d=7時(shí)，地層的孔隙較大，導(dǎo)致泥漿顆粒全部滲透進(jìn)入地層，在地層內(nèi)部造成大量擁堵，大量泥漿顆粒滯留在地層內(nèi)部，同時(shí)也有大量泥漿顆粒穿透地層到達(dá)地層底部，如圖13(c)所示；當(dāng)D/d=9時(shí)，此時(shí)地層的孔隙足夠大，大量泥漿顆粒流失，無法在地層中形成有效的泥膜，如圖13(d)所示。

根據(jù)結(jié)果總結(jié)了地層顆粒直徑D與泥漿顆粒直徑d的比值D/d與成膜之間的關(guān)系，如圖14所示。

圖14 不同D/d下泥漿顆粒濾失情況Fig.14 Filtration of slurry particles under different D/d

隨著泥漿顆粒的平均粒徑減小，在泥水壓力作用下泥漿顆粒開始進(jìn)入地層孔隙。從圖14可以觀察到，當(dāng)?shù)貙宇w粒直徑D與泥漿顆粒直徑d的比值D/d<3時(shí)，有少量顆粒進(jìn)入地層孔徑；當(dāng)37時(shí)，大部分泥漿顆粒通過地層孔徑滲入到掘進(jìn)面前方較遠(yuǎn)距離，最終在掘進(jìn)面堆積的泥漿顆粒較少，泥膜在掘進(jìn)面的成膜質(zhì)量較差。

4.3 泥漿密度對(duì)成膜的影響

泥漿壓力P為50 kPa時(shí)，控制地層顆粒直徑D與泥漿顆粒直徑d的比值D/d=5時(shí)，通過調(diào)整泥漿顆粒數(shù)量來控制泥漿密度ρ，形成ρ=1.12、1.14、1.16、1.18、1.2 g/cm35種不同的泥漿密度，以開展?jié)B透試驗(yàn)。不同的泥漿密度下掘進(jìn)面的泥漿顆粒堆積狀態(tài)如圖15所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泥漿密度越大，其堵塞能力越強(qiáng)，越容易在地層表面形成泥膜，滲透深度約小，而泥漿的密度越小，在泥漿滲透開始后，容易發(fā)生堵塞不及時(shí)的現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)顆粒繼續(xù)在地層中通過，影響泥皮的形成。

圖15 不同密度下泥漿滲透規(guī)律Fig.15 Slurry infiltration law under different density

泥漿顆粒的密度為1.12 g/cm3時(shí)，大部分泥漿顆粒通過地層孔徑滲入到掘進(jìn)面前方較遠(yuǎn)距離；如圖16所示，隨著泥漿密度的增加，掘進(jìn)面上堆積的泥漿顆粒逐漸增多，泥膜成型質(zhì)量有所提高。

圖16 不同密度下泥漿滲透深度Fig.16 Slurry infiltration depth under different density

當(dāng)泥漿密度較大時(shí)，可以堵塞或者滯留在地層中的泥漿顆粒的數(shù)目隨之增加，而這將減小地層的孔徑，導(dǎo)致堆積在地層表面的顆粒數(shù)目增多。實(shí)際工程中泥漿密度越大，泥漿的粘度越大，輸送困難，因此實(shí)際工程中增加泥漿密度時(shí)需要考慮泥漿循環(huán)處理能力。

4.4 泥漿壓力對(duì)成膜的影響

泥漿壓力是泥漿滲透成膜的驅(qū)動(dòng)力，理論上壓力越大，滲透深度越大，泥漿顆粒越容易通過地層產(chǎn)生濾失。在相同條件下，通過調(diào)整泥漿壓力使得泥漿在不同泥漿壓力(50、100、150、200、250 kPa)下進(jìn)行滲透。隨著泥漿壓力從50 kPa逐漸提高到250 kPa，泥漿顆粒在地層中的滲透有一定的差別，泥漿滲透深度有較小的改變，但不穩(wěn)定的泥皮出現(xiàn)了破壞的跡象。其中變化最大的是地層的孔隙率，隨著壓力的提高，地層的壓縮量逐漸增大，孔隙率從38.5%降低到33%。這是由于地層被壓縮所致，壓力的改變并沒有給泥膜帶來較大的改變。

在D/d=5的情況下，泥漿顆粒的密度為1.2 g/cm3時(shí)，不同泥漿壓力下掘進(jìn)面的泥漿顆粒堆積狀態(tài)如圖17所示。不同泥漿壓力下的泥漿滲透深度如圖18所示。

圖17 不同泥漿壓力下的滲透成膜規(guī)律Fig.17 Slurry infiltration law under different mud pressure

圖18 不同泥漿壓力下的泥漿滲透深度Fig.18 Slurry infiltration depth under different mud pressure

由圖18可見，泥漿的壓力越大，泥漿顆粒在掘進(jìn)面的堆積效率越低，成膜形態(tài)越差。在一定范圍內(nèi)，隨著泥漿壓力的增大，泥漿顆粒在地層中的滲透深度有一定的增大，但并不明顯，即泥漿壓力對(duì)泥漿滲透深度的影響較小。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)細(xì)觀分析，泥漿成膜過程可表述為膨潤土顆粒當(dāng)泥漿侵入地層時(shí)，由于具有內(nèi)部膨脹等特性，泥漿顆粒在地層內(nèi)部或者表面形成阻塞，阻塞顆粒群在泥漿壓力作用下失水結(jié)晶，形成泥膜。最終泥膜形態(tài)主要由泥漿顆粒與地層的粒徑控制。

(2)采用FLUENT-EDEM耦合計(jì)算能夠模擬室內(nèi)試驗(yàn)的泥漿滲透過程，可到不同泥漿顆粒大小、泥漿密度和泥漿壓力下泥漿在砂卵石地層中的滲透軌跡和成膜狀態(tài)，并得到三種類型的泥膜。

(3)根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)?shù)貙宇w粒直徑D與泥漿顆粒直徑d的比值D/d<3時(shí)，形成泥皮型泥膜；當(dāng)37時(shí)，無法形成泥膜。

(4)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明顆粒相對(duì)大小、泥漿密度和泥漿壓力這3個(gè)參數(shù)均對(duì)泥漿滲透軌跡和成膜狀態(tài)存在不同程度的影響，相同條件下泥漿的滲透深度隨泥漿密度增大而減小，隨著泥漿壓力的增大而增大，但泥漿壓力的影響較小。