基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制

 速凝类浆液的双液混合注浆方式及其黏度时变特性导致浆液扩散区内黏度空间分布不均匀。基于此,认为速凝类浆液流型为具有黏度时变性的宾汉流体,研究其在静水条件下水平裂隙中的注浆扩散过程,建立了恒定注浆速率条件下考虑浆液黏度时空变化的水平裂隙注浆扩散理论模型,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,进而得到注浆压力与注浆时间及浆液扩散半径的关系。通过与不考虑黏度空间不均匀性所得结果进行比较,说明考虑黏度空间不均匀的必要性。通过在数值计算模型中预定义黏度空间分布函数,实现了考虑黏度空间分布不均匀性的裂隙注浆数值模拟。通过理论分析、数值模拟与试验结果三者的对比,验证了理论分析及数值模拟的合理性,希望为实际注浆工程中注浆参数的确定提供一定借鉴。     

速凝浆液裂隙动水注浆扩散数值模拟与试验验证EI北大核心CSCD

针对动水注浆中常用的2种速凝浆液,水泥–水玻璃浆液与高聚物改性水泥浆液,考虑浆液黏度时变特性,应用有限元计算软件COMSOL Multiphysics建立动水条件下裂隙注浆扩散的数值模型,研究动水条件下裂隙注浆扩散规律并分析不同黏度时变特性、初始动水流速与注浆速率对注浆扩散过程的影响,并将数值模拟结果与模型试验进行对比,验证数值模拟方法的有效性。研究结果表明:浆液扩散形态在逆水方向和顺水方向表现出明显的差异性;进水边界处的压力逐渐趋近于远端的地下水压强,注浆初期在裂隙边界附近及绕流区内流速较高,注浆后期整个裂隙内的流速变化幅度不大;在试验条件下,初始动水流速与注浆速率的提高均会导致裂隙内压力及流速的增加,注浆速率对裂隙内压力分布的影响比初始动水流速显著;C-S浆液与GT–1浆液扩散规律类似,但由于两者黏度时变性的差异导致两者扩散规律稍有差别。     

速凝浆液裂隙动水注浆扩散数值模拟与试验验证

针对动水注浆中常用的2种速凝浆液,水泥–水玻璃浆液与高聚物改性水泥浆液,考虑浆液黏度时变特性,应用有限元计算软件COMSOL Multiphysics建立动水条件下裂隙注浆扩散的数值模型,研究动水条件下裂隙注浆扩散规律并分析不同黏度时变特性、初始动水流速与注浆速率对注浆扩散过程的影响,并将数值模拟结果与模型试验进行对比,验证数值模拟方法的有效性。研究结果表明:浆液扩散形态在逆水方向和顺水方向表现出明显的差异性;进水边界处的压力逐渐趋近于远端的地下水压强,注浆初期在裂隙边界附近及绕流区内流速较高,注浆后期整个裂隙内的流速变化幅度不大;在试验条件下,初始动水流速与注浆速率的提高均会导致裂隙内压力及流速的增加,注浆速率对裂隙内压力分布的影响比初始动水流速显著;C-S浆液与GT–1浆液扩散规律类似,但由于两者黏度时变性的差异导致两者扩散规律稍有差别。     

速凝浆液裂隙动水注浆扩散规律模拟试验

针对地下工程动水注浆中常用的两种速凝浆液,水泥-水玻璃浆液（C-S浆液）与高聚物改性水泥浆液（GT-1浆液）,开展动水条件下的裂隙注浆模拟试验,研究速凝浆液的注浆扩散规律,包括浆液扩散形态、注浆压力场分布、浆液留存率及动水流量变化规律,对比分析了C-S浆液与GT-1浆液对动水注浆的适用性。研究结果表明:动水环境对速凝浆液裂隙注浆扩散过程影响显著,顺水扩散与逆水扩散存在明显差异,注浆扩散前期浆液扩散形态为“非对称椭圆”,逆水方向的半椭圆长轴长度小于顺水方向的半椭圆长轴长度,注浆扩散后期浆液从出流边界流出,浆液扩散形态为“U”形;动水流速较低时,C-S浆液与GT-1浆液均可以保持较高的浆液留存率,但是随着动水流速增加,浆液留存率显著降低;注浆压力由注浆孔向周围非线性衰减,且注浆影响压力场的范围有限;GT-1浆液相比C-S浆液具有明显的优越性,主要体现在浆液扩散范围、动水抗分散能力、堵水效率、可注性等方面。     

水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟

普通硅酸盐水泥浆液作为岩土工程注浆中最为常用的浆材,其静水与动水条件下的注浆扩散运移规律是目前研究的重点。通过模型试验和数值模拟系统研究水泥浆液在静水和动水条件下平面裂隙中的扩散规律;基于流体动力学理论,分析和验证水泥浆液在地下水影响下的扩散形态及压力场分布特征;通过对比模型试验和数值模拟数据,分析水泥浆液在静水和动水条件下的运移和扩散机制。研究结果表明：动水条件下浆液扩散开度和逆水扩散距离存在极限;浆液压力场分布为自注浆孔沿扩散方向迅速衰减,注浆孔附近压力衰减速率最快,逆水方向压力衰减速率明显大于顺水方向。并据此对传统注浆工艺提出改善建议。     

考虑水泥浆液析水作用的水平裂隙注浆扩散机制研究

水泥浆液是一种悬浊液且具有明显析水特性,浆液发生析水后,其自身黏度、密度明显变化,由此导致浆液在扩散区内黏度、密度等参数时空分布不均。为准确描述浆液发生析水后的裂隙注浆过程。简化浆液发生析水后在裂隙内的扩散运移形态,建立恒定注浆速率条件下,考虑浆液析水作用的裂隙注浆扩散理论模型,推导浆液扩散半径表达式与浆液微元体压力梯度方程。提出考虑析水作用的裂隙注浆计算方法,基于Matlab编程实现了浆液析水率与浆液压力的时空分布计算。利用自主研发的裂隙注浆模拟试验平台,对理论模型的合理性进行验证。研究结果表明,浆液析水率随浆液扩散距离的增加呈非线性变化;随着水灰比的增加,浆液析水率在空间上的分布差距明显增大;考虑浆液析水作用计算得到的注浆压力明显大于不考虑时的计算结果,并且随着浆液水灰比的增加,考虑析水与不考虑析水作用相比,二者计算得到的注浆压力差距越大;通过对比试验测试结果与理论计算值,理论计算得到的注浆压力是试验测试值的1.2～1.5倍,所建立的理论模型能够描述考虑析水作用下水泥浆液在裂隙中的扩散过程。     

基于浆液–岩体耦合效应的微裂隙岩体注浆理论研究

在微裂隙岩体注浆工程中,浆液–岩体耦合效应对注浆扩散过程影响显著。基于宾汉流体浆液本构模型并引入两阶段裂隙变形控制方程,建立考虑浆–岩耦合效应的裂隙注浆扩散理论模型。利用质量守恒条件实现浆液扩散锋面追踪与注浆流量分配,通过试错法实现压力场与速度场的迭代求解,建立可完整描述注浆扩散过程的步进式算法。利用所创建的理论模型及步进式算法,分析浆液压力场及裂隙开度的分布规律,并从浆液扩散半径、裂隙变形所吸收的浆液量两个方面分析不同裂隙开度条件下浆–岩耦合效应对裂隙注浆扩散过程的影响程度。研究结果表明:在微裂隙岩体注浆工程中,裂隙宽度越小,浆–岩耦合效应对注浆扩散过程的影响越显著,注浆压力取代裂隙初始隙宽成为影响浆液扩散半径的主控因素。最后结合青岛地铁花岗岩微裂隙注浆工程实例验证了理论模型及步进式算法的正确性。     

考虑重力和黏度时变性的隧道围岩水泥浆液扩散规律研究

浆液重力和黏度时变性对浆液有效扩散范围及扩散形态的影响显著,而浆液扩散范围对隧道安全性起着决定性的作用。基于流固耦合理论和渗流力学理论建立了考虑浆液重力与黏度时变性耦合效应下的注浆浆液扩散方程,依托多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics实现了在建旧寨隧道工程中风化板岩管棚注浆扩散过程的数值模拟,并由此分析了注浆压力、浆液黏度时变性与注浆时间对浆液有效扩散范围及注浆加固圈形成的影响规律。研究结果表明：考虑水泥浆液重力后,浆液在岩土体中的扩散形态呈椭球型,注浆压力越小且注浆时间越长,浆液重力对扩散形态的影响越显著;在注浆孔水平面以上浆液扩散范围远小于注浆孔水平面以下浆液扩散范围,且在注浆孔左、右两侧浆液扩散范围呈对称分布,与重力作用机制相符;浆液黏度时变性对浆液扩散距离的影响效果显著;注浆加固圈的分布形态与注浆管的埋设角度密切相关,注浆管埋设角度越小,注浆加固圈的厚度越大,合理布设小导管是获得有效注浆加固圈的关键。     

分形插值不规则断层的浆液扩散规律研究

为研究浆液在不规则断层内的扩散规律,基于自仿射分形插值曲面理论构建不规则断层,结合裂隙岩体注浆理论对断层形态、浆液黏度和注浆孔的布置对浆液扩散的影响进行了深入研究。研究结果表明：断层凹凸不平使得断层宽度呈随机分布,导致浆液呈非圆（柱）形扩散,不能依据浆液扩散半径公式来设计和布置注浆孔间距;在断层窄处,节点注浆压力等值线间距小,压力梯度大,反之亦然;浆液黏度越大,浆液所谓的惰性越强,扩散距离明显缩短,在断层注浆工程中,应结合浆液流变试验和浆液扩散数值分析成果,来优化浆液选型及配比。     

岩体裂隙网络注浆模拟试验系统研制及应用

为研究浆液在岩体裂隙网络内的扩散迁移规律,研制了可视化裂隙恒压注浆试验系统。该系统由供压设备、恒压出浆设备、裂隙模拟设备以及监测设备组成,可根据试验要求设计特定岩体裂隙网络,模拟不同注浆压力、浆液黏度、裂隙开度等多种参数影响下的浆液流动过程,并可研究裂隙岩体中浆液-水/气驱替作用机制。通过单一裂隙注浆理论与试验结果的对比,验证本试验系统的可靠性。基于此,进一步研究随机裂隙网络注浆扩散机制,结果表明:(1)裂隙内同一点压力随注浆压力的增大而增大,随裂隙开度的增大而减小,不随浆液黏度的变化而变化;(2)浆液在裂隙网络内由总流分散为支流后,压力显著下降,流速放缓,且各支流压力与流量分配系数受交叉(分叉)裂隙夹角影响较大。试验系统的研制及研究成果对岩体工程注浆具有一定指导价值。     

考虑区间分布的幂律流体脉动渗透注浆扩散机制研究

脉动注浆技术虽已得到了一定应用,但脉动压力下浆液的扩散机制研究则远滞后于工程实践。为了进一步推广和完善脉动注浆技术,基于注浆过程中脉动压力持续段流量恒定、压力间隔段流量为零的特点,考虑地层参数的不确定性,建立了脉动压力下幂律流体的渗透扩散模型,得到了脉动压力下幂律流体扩散半径的区间分布方程;设计了一套脉动渗透注浆模拟试验装置,得到了不同施工参数下幂律流体在地层内的分布形态;通过在数值模拟中构造脉动压力周期变化模型与孔隙率随机分布模型,实现了脉动压力下幂律流体渗透注浆浆液扩散过程的模拟。研究结果表明:脉动压力作用下幂律流体在地层内扩散范围并非是一个确定的量值,但基本集中在一定范围内,存在明显的扩散半径上下限;浆液扩散半径上下限受脉动注浆压力、脉动频率等影响明显,且上限差值随脉动注浆压力的增大而增大,浆液离散程度表现的更显著;理论计算、数值模拟与模型试验所得的浆液扩散半径随注浆压力的变化趋势一致,理论与数值计算得到的浆液扩散半径上下限数值误差均在可接受范围内,推导的理论公式和建立的数值模型均能较好的描述幂律流体在脉动压力下的扩散过程及区间分布。研究成果可为脉动渗透注浆理论、数值模拟以及实践工程提供一定的指导意义。     

自膨胀高聚物注浆材料在二维裂隙中流动扩散仿真方法研究

 为深入研究自膨胀高聚物注浆材料在岩体裂隙中的扩散机制,基于计算流体动力学理论,综合运用现代流场计算方法和移动界面追踪技术,初步建立了一种变密度浆液在二维裂隙中流动扩散的仿真分析方法。该方法采用FVM离散浆液–水两相流动系统控制方程,用Youngs方法追踪浆液–水两相流体移动界面,用SIMPLE算法迭代求解动量离散方程和压力、速度修正方程,实现了对浆液–水两相流动系统的数值求解。通过变密度流体在二维矩形狭槽中自由膨胀算例检验了该方法的正确性,在此基础上对自膨胀浆液在二维平板裂隙中的扩散过程进行了仿真模拟,结果表明采用该方法能够动态展现流场分布特征,实时反映浆液–水之间的驱替作用,为深入研究膨胀性高聚物注浆材料在裂隙岩体中的扩散机制奠定了基础。     

水下岩溶浆液抗分散性质试验研究及工程应用

开发了一种水下岩溶注浆材料抗分散性质测试装置,能科学评价注浆浆液的抗分散性质。利用该装置进行了改性黏土水泥膏浆充填水下岩溶的抗分散性质试验,采用留存率指标对浆液在不同水固比、岩溶水流速下的抗分散性质进行了定量评价,并对留存体进行物理力学性能测试。试验表明,改性黏土水泥膏浆抗分散性能受浆液水固比、岩溶充填物及岩溶水流速等因素影响明显,在不大于0.8 m/s的岩溶水流速下浆液抗分散性能良好,随着浆液水固比或岩溶水流速的减小,浆液留存率呈增大趋势,而充填物的存在会显著提高浆液的留存率。取留存体进行物理力学性能测试,留存体密实度受充填物影响较大,浆液水固比次之,岩溶水流速影响较小;动水岩溶环境下注浆时,浆液顺水扩散距离大于逆水扩散距离,浆液黏度对扩散距离影响明显,岩溶水流速有利于浆液沿顺水流方向扩散而抑制浆液沿逆水流方向扩散;留存体28 d抗压强度受抗冲条件影响明显,影响因素中充填物对留存体的抗压强度影响最大,其次为浆液水固比和岩溶水流速,岩溶水养护环境下28 d抗压强度明显小于淡水环境养护,但仍可达3 MPa。经工程应用原型试验表明,改性黏土水泥膏浆可用于一定岩溶水流速下的岩溶区治理,室内试验提出的水下岩溶治理工程浆液配比选取原则可行,可为盾构隧道水下岩溶注浆治理提供理论指导。     

土体劈裂注浆过程的数值模拟及浆脉形态影响因素分析

针对现有数值方法对土体劈裂注浆中裂缝产生和扩展过程模拟困难的现状,采用自主研发的基于有限元与流体体积函数的数值方法对劈裂注浆过程进行了模拟研究,再现了土体劈裂注浆过程中裂缝的产生以及浆脉扩展过程。数值模拟获得的劈裂注浆浆脉扩展过程与已有理论分析及试验所得规律基本一致,表明采用该方法模拟土体劈裂注浆问题是可行的。在此基础上分析了注浆深度和土体模量两个因素对浆脉形态的影响规律。结果表明:数值模拟可以呈现劈裂注浆过程的几个阶段,包含"浆泡"挤密、初始竖向劈裂、斜向二次劈裂等阶段;在二次劈裂发生之前的挤密阶段和竖向浆脉扩展阶段,地层竖向位移增加较小,而二次劈裂之后的斜向浆脉的产生和扩展是地层竖向位移增加的主要阶段;随着注浆深度的增加浆脉的分支越来越少而且方向性更加明显,浆脉宽度也越来越小;随着土体模量的增大,注浆孔周边"浆泡"体积减小,浆脉的宽度逐渐变窄。工程实例的模拟表明,该数值模型能很好的反映工程现象,对工程实践具有一定的指导意义。     

动水环境下粗糙单裂隙注浆数值模拟

动水环境下水泥浆液在裂隙中的扩散规律是裂隙注浆研究的一个重点,用有限元模拟浆液在粗糙单裂隙中扩散过程,对浆液在动水环境下影响因素进行了分析,利用裂隙走向上的曲折表征裂隙的粗糙度,建立裂隙三维模型形成独立的流域,设定注浆压力、动水流速及初始边界条件进行计算。注浆时间、注浆压力及粗糙度系数3个因素各4个水平,保持其中两个因素取值不变,另一个因素分别取4个水平值时的浆液扩散情况,得到各因素对浆液扩散距离的影响。结果表明,浆液扩散距离与时间、注浆压力呈线性关系,时间越长,浆液扩散越远;注浆压力越大,扩散越远;浆液扩散距离与节理粗糙度系数关系呈负相关关系,节理粗糙度系数越大,浆液扩散距离越小。