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。     

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。     

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。     

基于黏度时变性的水泥–玻璃浆液扩散机制研究

工程地质灾害治理中,注浆是最常用的方法,浆液的扩散运移规律对工程设计和施工具有重要的意义。采用SV振弦式黏度计测定水泥–玻璃(C-S)浆液的黏度时变性,通过函数拟合获得黏度函数曲线;采用广义宾汉流体本构方程,推导C-S浆液在单一平板裂隙中的压力分布方程;通过平板裂隙注浆模拟试验研究,分析定注浆流量条件下的C-S浆液扩散的压力场分布规律;运用数值计算方法,研究定注浆速率条件下的浆液扩散形态及压力场时空变化规律。结合理论分析、模拟试验和数值计算结果分析C-S浆液扩散机制,希望能够为C-S浆液的工程应用提供一定的借鉴。     

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。     

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。     

光滑与粗糙单裂隙动水注浆对比试验

采用模型试验在动水条件下对光滑和粗糙的单一裂隙注浆进行了对比研究,分析了光滑和粗糙裂隙在动水注浆过程中的渗流压力、流出液体重量、浆液扩散半径和扩散面积的变化规律。结果表明,渗流压力与裂隙的粗糙度成正比,随裂隙粗糙度的增加而增大;粗糙的裂隙有利于浆液沿逆水流和垂直水流方向扩散但不利于浆液沿顺水流方向扩散;粗糙的裂隙有利于防止被动水冲刷从而达到更好的注浆堵水效果;为了达到理想的注浆堵水效果,在裂隙光滑时应该调节浆液配比缩短浆液的凝胶时间。本文研究结果对根据不同的裂隙粗糙度调整注浆工艺有指导作用。     

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。     

速凝浆液抗分散性质与凝胶性能试验研究

 为了科学评价注浆浆液的抗分散性质与凝胶性能,设计速凝浆液抗分散性质试验装置,能够模拟浆液在未凝胶之前即受到动水冲刷的关键过程。利用该装置开展水泥水玻璃浆液与改性聚氨酯浆液的抗分散性质试验,并定义浆液留存率指标,对速凝浆液在动水条件下的抗分散性质进行定量评价。试验表明：水泥水玻璃浆液在较小动水流速条件下抗分散性能较好,随着动水流速的增大,浆液留存率迅速减小,其抗分散性质还受到水灰比、水泥浆与水玻璃体积比等因素的影响;改性聚氨酯浆液在较大动水流速条件下仍具有较高的浆液留存率,较水泥水玻璃浆液具有更为优良的抗分散性质和凝胶性能。根据速凝浆液抗分散性质与凝胶性能的试验分析结果,提出突水灾害治理注浆浆液的选择原则与综合治理措施。     

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。     

地下工程涌突水注浆止水浆液扩散机制和封堵方法研究

 涌突水是地下工程的主要地质灾害之一。实践表明,注浆是治理涌突水的有效技术手段,但相关的动水注浆理论发展尚不成熟,尤其是裂隙动水条件下的浆液扩散和封堵机制研究不足。针对上述问题,研发准三维裂隙动水注浆模型试验台,进行裂隙岩体涌突水的动水注浆模型试验研究,通过对200余组试验数据进行分析,提出浆液的U形扩散规律和水泥浆液的分层分区扩散机制,得到浆液的快速析水沉积原理和沉积留核扩散规律,实现浆液扩散和封堵效果的定量评价。在此基础上,形成以浆水流量比为核心控制因素的裂隙涌水注浆封堵方法。室内涌水注浆封堵试验和龙固煤矿高压涌水现场注浆封堵试验进一步验证研究成果的正确性,这对发展动水注浆理论和指导工程实践有一定作用。     

地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究

 注浆法是地下水害治理的主要方法,而浆液的黏度时变特性是注浆治理的关键因素,因此浆液黏度时变特性研究十分必要。针对地下工程动水注浆中常用的2种速凝浆液,水泥–水玻璃浆液和高聚物改性水泥浆液,开展室内试验并对试验数据进行拟合分析。采用振动式黏度计测试其黏度时变性和反应温度变化,分析2种材料在不同水灰比和不同混合体积比下的黏度和温度时变特性,根据黏度时变特性将浆液反应过程划分为3个阶段,并分析不同阶段的黏度特性,对数据进行分析得到不同水泥浆水灰比和不同浆液混合体积比下的黏度时变方程,在此基础上得出速凝注浆材料的适用性。     

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。     

温度和围压影响下裂隙砂岩渗透注浆过程的实时核磁共振试验研究

注浆技术作为常用的岩体加固手段已被广泛应用于地下工程中,但注浆加固效果常常受到地下工程所处地层高温、高地应力等环境因素的显著影响。因此,开展不同外界条件下(如温度、围压等)岩体浆液流动扩散机制的研究,对于提高深部软弱围岩的注浆加固效果及保障施工安全有着重要的工程实际意义。本文基于低场核磁共振技术对裂隙砂岩试样开展渗透注浆试验研究,对注浆过程中浆液的核磁信号特征进行实时跟踪测试,分析不同温度、不同围压、不同浆液流速和不同裂隙数量下岩石的浆液注入量、有效注浆时间和浆液充填速率的变化规律。试验结果表明：超细水泥浆液的潜伏期随温度升高而缩短,且浆液的黏度具有显著的时变性和温度相依性。裂隙岩石的浆液最终注入量随着温度和围压的升高而减小。有效注浆时间与浆液流速的增大成反比,与温度的升高成正比。浆液充填速率随着围压的升高而降低,且对围压变化的敏感程度逐渐降低。多裂隙试样中浆液注入量较单裂隙更高,有效注浆时间更短,浆液充填速率更大。在较高浆液流速和较高围压下,微孔隙中浆液充填速率占比明显增大,浆液优先向微孔隙中运移扩散,当微孔隙内浆液达到一定充填度后才向细孔隙和大孔隙中扩散;而温度和裂隙数量对浆液在孔...     

裂隙动水注浆堵水模型试验研究

研制可视化动水条件下单裂隙注浆堵水模型,并进行验证模拟试验,结果表明该模型试验系统能直观地观察动水下浆液注入裂隙后的扩散过程和规律.动水流速是影响注浆材料堵水效果的最重要因素,裂隙张开度次之.通过实时监测裂隙中凝胶分布、末端液体流量以及堵水率将浆液堵水效果分为较好、一般、较差、失败4个等级.     

裂隙岩体注浆中的浆液–岩体耦合效应分析

基于岩体卸荷–加载理论与平板裂隙浆液运移方程,建立考虑浆液对岩体单向耦合作用的裂隙岩体注浆理论模型,对注浆过程中浆液与围岩的相互作用展开研究。研究表明,裂隙岩体注浆伴随着浆液压力对岩体卸荷与重新加载过程,岩体完全卸荷后,隙宽将随浆液压力增加,对于近似水平展布的裂隙,隙宽增量随扩散距离近似呈线性衰减,裂隙越小衰减速率越快。岩体受浆液卸荷影响范围大于浆液扩散范围,裂隙越小受浆液–岩体耦合作用越显著。裂隙组中相邻的裂隙在注浆过程中相互影响,较大裂隙进一步张开,较小裂隙趋于闭合,导致浆液在微小裂隙中的扩散范围减小或无法注入,并在较大裂隙中大量无效扩散,单纯提高注浆压力不会改善对较小裂隙的注浆封堵效果。研究结论对裂隙岩体注浆工程提供了一定指导与借鉴。     

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。     

基于宾汉姆流体的微裂隙岩体注浆扩散影响机制分析

基于巴顿公式中的标准节理面轮廓线建立微裂隙几何模型,采用纳维–斯托克斯方程,并将浆液视为宾汉姆流体,建立微裂隙注浆扩散有限元模型,对微裂隙注浆过程中浆液扩散过程展开计算分析,获得裂隙粗糙度、隙宽以及浆液黏度等因素对浆液扩散的影响规律。计算结果表明,当浆液黏度较高时,浆液流动损失主要受黏滞力控制,裂隙等效隙宽随浆液黏度呈非线性增长。对于具有相同粗糙程度的裂隙,等效隙宽随黏度的增长曲线均存在一个明显的拐点,随着裂隙粗糙程度增加,拐点逐渐向前推移,并且突变更加明显。通过多元函数拟合建立等效隙宽与浆液黏度以及裂隙粗糙度的拟合公式。当浆液黏度以及裂隙的粗糙度较低时该公式存在一定误差,而在考虑实际注浆需要所对应的参数变化范围内,该公式均具有较好的拟合效果。研究结果对微裂隙岩体注浆扩散理论具有一定借鉴意义。     

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。