软弱地层劈裂–压密注浆加固效果定量计算方法研究

注浆加固效果的定量计算是实现科学注浆设计的前提,为此,针对软弱地层劈裂–压密注浆模式提出一个可实现注浆加固效果定量计算的思路,在分析劈裂–压密注浆加固机制的基础上,建立注浆效果简化计算物理模型,提出注浆加固体整体性能的定量计算方法,研究劈裂–压密注浆加固体性能的各向异性及空间分布特征,并分析相关因素对注浆加固效果的影响。研究结果表明:劈裂–压密注浆加固体性能各向异性显著,平行浆脉方向的抗变形能力要优于垂直浆脉方向,但抗剪性能及抗渗性能均弱于后者,平行浆脉方向的黏聚力与渗透系数是劈裂–压密注浆效果的2个短板;压缩模量、黏聚力沿浆脉扩展方向基本呈线性衰减趋势;注浆加固体性能与注浆压力正相关,而与注浆孔间距负相关,单孔注浆量的增加会使得注浆孔附近区域内的注浆加固体性能趋于均匀。最后,结合青岛地铁2号线砂层注浆工程实例,验证了注浆加固效果定量计算方法的有效性,以期为地下工程注浆定量化研究提供一定借鉴。     

基于“浆-土”界面应力耦合效应的劈裂注浆理论研究

浆液与土体的界面应力耦合效应对土体劈裂注浆过程具有重要影响,劈裂通道宽度由注浆孔向浆液扩散锋面处衰减。基于此,将劈裂注浆扩散过程简化为平面辐射圆,推导了劈裂通道内牛顿流体浆液的扩散运动方程,引入了半无限空间体均匀受力模型并获得劈裂通道宽度控制方程,最终得到劈裂通道宽度及浆液压力的空间分布方程。分析了劈裂通道宽度与注浆压力的空间衰减规律及浆液黏度、土体弹性模量对注浆扩散过程的影响。研究结果表明：注浆压力与劈裂通道宽度的空间衰减趋势具有一致性且均呈现出明显的非线性特征,在注浆孔附近及靠近浆液扩散锋面区域衰减较快;浆液扩散半径与浆液黏度、土体弹性模量负相关。最后通过工程实例对浆脉厚度理论计算值进行了验证,浆脉厚度计算值比现场揭露浆脉厚度实测值大30%左右,计算误差处于可接受范围内,验证了理论的合理性。     

基于“浆–土”界面应力耦合效应的劈裂注浆理论研究

浆液与土体的界面应力耦合效应对土体劈裂注浆过程具有重要影响,劈裂通道宽度由注浆孔向浆液扩散锋面处衰减。基于此,将劈裂注浆扩散过程简化为平面辐射圆,推导了劈裂通道内牛顿流体浆液的扩散运动方程,引入了半无限空间体均匀受力模型并获得劈裂通道宽度控制方程,最终得到劈裂通道宽度及浆液压力的空间分布方程。分析了劈裂通道宽度与注浆压力的空间衰减规律及浆液黏度、土体弹性模量对注浆扩散过程的影响。研究结果表明:注浆压力与劈裂通道宽度的空间衰减趋势具有一致性且均呈现出明显的非线性特征,在注浆孔附近及靠近浆液扩散锋面区域衰减较快;浆液扩散半径与浆液黏度、土体弹性模量负相关。最后通过工程实例对浆脉厚度理论计算值进行了验证,浆脉厚度计算值比现场揭露浆脉厚度实测值大30%左右,计算误差处于可接受范围内,验证了理论的合理性。     

黏土中压密注浆及劈裂注浆室内模拟试验分析

开发了一种实验室模拟土体注浆的试验装置,能形成完整的试样。通过注浆模拟试验,实现了黏土注浆过程中压密浆泡及劈裂裂隙的自然产生与发展。试验结果表明:在黏土注浆中压滤效应贯穿于整个注浆过程,即在高压的作用下,浆液中自由水被强制滤过黏土,并从泻流口流出,使浆泡及浆脉中的浆液浓度提高。压滤效应随土体渗透性、浆液水灰比及注浆压力的增大而增强,因此在透水性较好的土层中注浆时,必须考虑压滤效应对浆液扩散的影响。浆液水灰比的增大将导致浆泡直径减小,浆脉数量及长度增加,浆脉宽度减小。在给定注浆压力下,随着浆液水灰比的增大,浆液的扩散方式逐渐由以压密为主向以劈裂为主过渡。黏土中劈裂注浆可分为三个阶段:鼓泡压密阶段、第一劈裂面阶段、后续劈裂面阶段,每个劈裂面都产生在阻力最小的面上。通过对原状萧山黏土、清水压密固结黏土及注浆后黏土进行电镜扫描观测分析得知:在压滤效应的作用下,水泥水化反应生成的Ca2+离子会随着滤出液扩散到土体中,导致黏土表面的双电层厚度变薄,使联结更为紧密,从而形成较坚固的团粒结构,使土体强度提高。试验结果对注浆理论研究与工程应用有一定的指导意义。     

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。     

自膨胀高聚物浆液劈裂注浆仿真方法研究

为深入研究自膨胀高聚物浆液在土体中的劈裂扩散机制，建立一种模拟高聚物膨胀力作用下土体劈裂缝从启裂、扩展至稳定全过程的二维仿真分析方法。该方法采用扩展有限元方法位移模式和离散方程，利用高聚物密度-围压关系迭代计算浆液膨胀力，用最大拉应力准则判断启裂位置，用相互作用积分方法计算应力强度因子，用最大周向应力准则判断裂缝扩展方向，实现对劈裂缝扩展过程的数值求解，通过与试验结果的对比证明了该方法的适用性。在此基础上分析注浆量、土体弹性模量和断裂韧度对浆脉最终形态的影响规律，结果表明：浆脉长度和宽度均随着注浆量的增大而增大，但其增长速率均随着注浆量的增大而减小；在注浆量相同的情况下，浆脉长度随着土体弹性模量的增大而增大，随土体断裂韧度的增加而减小。该方法能够较好展现浆脉扩展特征，为深入研究浆-土相互作用机制，揭示膨胀性高聚物注浆材料在土体中的劈裂扩散机理奠定基础。     

岩溶充填黏土注浆加固试验研究

岩溶充填黏土失稳是岩溶隧道突水突泥灾害主要类型之一,为研究注浆对岩溶充填黏土的加固机制与效果,自行研制一套室内注浆试验系统。该试验系统主要由围压加载系统、数据采集系统、注浆模块以及压力室模块构成,具备模拟真实地层应力状态、渗流环境的功能。利用此试验系统模拟岩溶腔体真实赋存环境,开展充填黏土在不同初始密实度、注浆压力下的注浆试验,并对注浆加固试样进行力学、渗透特性试验。结果表明:(1)试样密实程度影响启裂压力,当试样孔隙度由37.5%减小到35.5%时,启裂压力由0.49 MPa增长到1.22 MPa,注浆压力小于启裂压力时,浆液主要以挤密形式进入土体,当注浆压力超过启裂压力,土体进入劈裂注浆阶段;(2)浆液加固形式与扩散半径主要受注浆压力与注浆量控制,试样应力状态决定劈裂注浆扩展方向;(3)注浆通过对土颗粒的挤密、劈裂、化学胶结及压滤作用,使黏聚力与渗透系数明显改善,注浆终压达到3.5 MPa时,试样黏聚力较注浆前平均提高84.26%,渗透系数平均下降93.97%;(4)注浆在加固土体的同时,也改变内部原有结构,随着注浆终压的增大,注浆量的增加,土体应力–应变曲线逐渐表现出应变软化特点。试验结论对岩溶充填黏土注浆加固机制的认识及现场注浆工作有一定借鉴意义。     

富水破碎岩体帷幕注浆模型试验研究

利用自主研制的三维注浆模型试验系统,开展富水破碎岩体多孔分序帷幕注浆试验,获得注浆扰动下岩体多物理场演化规律:1被注岩体总压力及孔隙水压力变化强烈,历经急剧增长—峰值波动—渐进衰减—趋于稳定的变化阶段;2破碎岩体内部,浆液在隧洞拱顶和拱底位置发生优势劈裂扩散,同时引起洞周收敛位移;3注浆作用下破碎岩体压缩释水导致渗透性能显著降低,表现为分序注浆试验中超孔隙水压力激发程度逐次大幅提高。帷幕注浆试验结束后,揭露、分析了加固体内部特征,研究破碎岩体加固范围非均匀变化规律,归纳总结松散破碎岩体及泥质软弱岩体对应的渗透–劈裂型及微劈裂型两类注浆加固模式,揭示了劈裂浆脉形成的多重注浆叠加机制。基于以上研究工作,利用扫描电子显微镜(SEM)分析固结岩体微观特征,研究表明浆脉–黏土界面具有三维结构,可划分为渗透型和微劈裂型两种类型,网络状微型浆脉的锚固作用增大了界面粗糙度和强度;界面靠近黏土一侧发育损伤裂纹,推测为固结岩体物理力学条件突变位置,为加固岩体潜在破坏环节。研究成果补充和完善了室内注浆模拟试验方法,探索了多孔分序帷幕注浆试验中浆液扩散规律及注浆加固机理,为类似地质环境下岩体注浆提供了理论支撑与技术指导。     

基于渗滤效应的沙层劈裂注浆扩散规律分析及其ALE算法

渗滤效应广泛存在于沙层劈裂注浆扩散过程中,并对扩散规律有重要影响,目前尚未有合理的劈裂注浆理论对其充分考虑。针对沙层劈裂注浆中的渗滤效应,采用一维渗滤模型对其进行描述,并结合平板裂隙注浆扩散模型,推导得到劈裂注浆扩散控制方程。通过与不考虑渗滤效应的劈裂扩散模型对比,揭示渗滤效应对注浆扩散的影响机制。采用有限元瞬态移动网格ALE方法对沙层劈裂注浆扩散过程进行动态模拟,模拟结果与理论研究结果相符;开展沙层劈裂注浆扩散现场试验,试验结果表明实际劈裂浆脉长度与理论模型和数值模型计算结果相近,验证了理论模型和数值模型的合理性。     

饱和砂层渗透注浆模拟实验及应用研究

为研究饱和砂层渗透注浆的影响因素,通过注浆模型试验,研究了注浆材料、注浆材料凝胶时间、排水条件以及被注浆土体对注浆效果的影响。结果显示,凝胶时间大于注浆时间能形成较为均匀的渗透扩散;排水条件对渗透效果作用明显,排水时形成浆液可渗透扩散,且趋向排水一侧优先扩散;在不含黏性土的砂层中注浆可形成较为均匀的球形扩散体;在含黏性土的砂层中注浆,因渗透困难而形成劈裂浆脉。     

切缝药包不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应的试验研究

 利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,对不同装药结构爆破爆生裂纹动态断裂效应进行分析,研究切缝药包的定向断裂控制爆破机制,比较爆生主裂纹和次裂纹动态能量释放率的差异。结果表明：不耦合系数?1= 1.67时,切缝药包爆破效果最理想;爆生主裂纹的扩展速度、动态应力强度因子随时间总体呈振荡下降的趋势,在扩展过程的中后期达到一个较小的峰值;橡皮泥介质作为炸药爆炸产物与炮孔壁间的缓冲层,传能效果良好;次裂纹尖端的动态能量释放率数值整体上小于2条主裂纹。     

不同均质度的粘土劈裂注浆特性及效果分析

注浆工程属于隐蔽工程,劈裂注浆后土层的压密效果和浆液的扩散范围不能直观地进行评价。土体是一种非均质性材料,土体的均质度是影响劈裂注浆效果的重要因素。基于Weibull分布模型构建具有不同均质度的粘土层,考虑粘土层不同均质度变化的影响,通过RFPA软件进行劈裂注浆数值模拟,得到了不同均质度下的起始劈裂压力值、最小主应力图、最大主应力图、剪应力图、浆液压力图和劈裂效果图。利用图像分割技术,得到不同均质度条件下粘土注浆劈裂的裂隙率和扩散范围,从而评价土体劈裂注浆的加固效果。结果表明,劈裂注浆加固后的土体压密效果随着均质度的增大而增大,浆液的扩散效果随着均质度的增大先增大后减小。     

基于土体非线性压密效应的劈裂注浆机制分析

 In the process of split grouting,the soil on both sides of the split channel is being compressed. The relationship between the stress and strain is nonlinear in the compression process of soil. A new model of relationship between the soil stress and strain was established to describe the nonlinear characteristics in the compression process of soil. The process of split grouting was simplified into the horizontal radiation circle. Based on the nonlinear model of compression and considering the coupling effect at the interface between soil and slurry,a theoretical model of split grouting was established. The spatial distribution equation of width of the split channel was derived,and the relationship among the grouting pressure,width of split channel and radius of grouting diffusion was obtained. After comparing with the result from the linear relationship of stress and strain,the nonlinear relationship of stress and strain was shown to be necessary. The model test of split grouting process was performed. The width of split channel attenuated along the diffusion radius. The calculated and measured the thickness of grouting vein are at the same order of magnitude and theory was thus proved reasonable.     

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。     

初始静态压应力场中爆生裂纹的扩展行为

深部岩体爆破致裂是初始静态应力场和爆炸动态载荷双重叠加作用结果,爆生裂纹的扩展路径、行为特征等受初始静态应力场的影响。采用数字激光焦散线试验系统,进行了静态竖向载荷分别为0,2,4 MPa 3种不同初始压应力作用下的倾斜爆生裂纹扩展规律试验,对比分析了裂纹的运动学和力学行为。试验结果表明:随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的扩展方向逐渐向主应力方向偏转,且爆生主裂纹的扩展总时间逐渐减小,试件的Ⅱ型破坏愈加显著;随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的最大偏转角度也明显随之增大,初始压应力p是爆生主裂纹产生垂直预制裂纹方向速度的动因。研究结果揭示了爆生裂纹扩展行为与初始静态应力场的关系,丰富了深部岩体爆破破坏理论。     

考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆机理研究

多孔介质注浆的扩散方式以渗透注浆为主,传统的多孔介质渗透注浆往往忽略了浆液渗透过程中的扩散路径,导致理论结果与实际偏差较大。基于对多孔介质浆液渗透过程中扩散路径分析,根据浆液扩散运动方程,建立了考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型,设计了一套多孔介质渗透注浆扩散模拟实验装置,并采用常规注浆材料-水泥浆液,获得不同被注介质渗透率及不同注浆速率下的注浆压力的时空变化规律。研究结果表明:考虑浆液扩散路径的多孔介质浆液渗透注浆模型计算值为试验值的1.1~1.3倍,计算值与试验值误差在允许的范围之内,所建模型可较好的描述了浆液渗透扩散过程;不考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型计算值为试验值的1.8~3.2倍,显著高估了注浆扩散过程的浆液压力。研究成果成功用于青岛地铁砂层治理工程,因此,在多孔介质渗透注浆扩散设计中应充分考虑浆液扩散路径。     

基于离散元法的砂土注浆扩散机理研究

采用离散元法研究注浆过程中浆液与砂土颗粒之间的宏观和微观相互作用机理。通过压实粒径大小不同的颗粒来制备砂土试样。分析了在不同的灌浆速度下,浆液的扩散方式,扩散范围和土壤强度的变化,以及注浆压力突增的原因。数值结果表明,随着泥浆颗粒的不断注入,扩散速度逐渐减慢,土壤强度不断提高。随着灌浆速度的降低,泥浆的扩散范围增加。灌浆压力激增的时刻与注入边界与砂粒的接触时间完全吻合,这解释了灌浆压力突然升高的原因。此外,揭示了实际工程中由于砂粒倒灌入注浆管而引起的注浆管堵塞的机理。     

深部直墙拱形隧洞围岩板裂破坏的模拟试验研究

为了解深部直墙拱形隧洞板裂破坏的发生过程和机制,采用TRW-3000真三轴试验系统对含直墙拱形孔洞的红砂岩立方体试样(100 mm×100 mm×100 mm)进行了真三轴试验,模拟了深度500 m初始地应力环境下直墙拱形隧洞板裂破坏过程,并利用岩样内部破坏视频监控系统对试验过程进行实时记录和监测。试验完成后,对试验过程中孔洞侧壁破坏过程、破坏特征进行了分析,并与同等深度的圆形孔洞洞壁破坏进行了对比。结果表明:在竖直应力为最大主应力和水平径向应力为最小主应力的条件下,直墙拱形孔洞破坏主要发生在两侧拱脚和拱腰之间,靠近自由面的围岩破裂为近似平行于最大主应力的板状薄岩片,呈典型的张拉板裂破裂特征;随最大主应力的增加,板裂破坏逐渐向孔洞水平径向发展,板裂岩片呈现中间厚、两翼薄的弧形特征,最终形成对称的V型槽破坏区,并具有明显的时间效应。与圆形孔洞的动力破坏特征相比,直墙拱形孔洞主要偏于静力破坏,且初始破坏所需应力水平高,孔洞侧壁在高应力环境中破坏更严重。     

含交叉裂隙岩体力学性质数值模拟研究

岩体中裂隙的起裂、扩展及贯通是岩体破坏的重要原因,交叉裂隙是一种最为典型的基本裂隙网络组成单元,其在复杂应力场条件下的扩展贯通规律目前还缺乏深入的研究。本文采用RFPA2D对含交叉裂隙岩体破坏过程进行研究,探讨主裂纹与加载方向夹角变化、主裂纹与次裂纹的夹角变化对试件破坏模式及破坏力学性质的影响。模拟结果表明,主裂隙与加载方向垂直或者平行时,试件主要沿次裂隙发生剪切破坏;主裂隙与次裂隙夹角较小时,试件主要沿主裂隙发生剪切破坏。主裂隙角度一致时,大部分含交叉裂隙岩体的峰值强度低于含单一裂隙的岩体强度,主裂隙与加载方向夹角为45°时,岩体强度最低;岩体强度最高一般为主次裂隙夹角为0°或90°时;围压条件下,裂纹扩展方式较单轴压缩时更为复杂,很少出现由单条裂隙控制的破裂面,主要破裂面为主次裂隙首先贯通,且裂纹扩展时易产生较多的次生裂隙。数值模拟研究可以避免物理试验中的离散性,获得更为系统性的裂隙扩展贯通规律,对于解释岩体力学物理试验和解决工程问题都有重要的参考价值。