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。     

流变参数时变性幂律型水泥浆液的柱形渗透注浆机制研究

 幂律型水泥浆液的流变参数时变性特征对注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析与实验研究等方法,研究了时变性幂律型水泥浆液的流变方程与渗流运动方程,推导了流变参数时变性幂律型水泥浆液的柱形渗透注浆扩散机制,分析了其适用范围及参数的确定方法,探讨了注浆管侧面注浆孔的设计依据。通过设计注浆试验对其进行了验证,结果表明：实际测量计算的幂律型水泥浆液在被注砾(砂)石体中的等效横向扩散半径值与由流变参数时变性幂律型水泥浆液的柱形渗透注浆扩散机制公式计算出的扩散半径理论值间虽有20%-30%范围内的差异,然它们都处于可接受的范围内;因此,能较好地说明幂律型水泥浆液在被注材料中随时间变化的柱形渗透注浆特征与规律。由于目前国际国内对流变参数时变性幂律型流体的柱形渗透注浆机制的研究还鲜有相关的文献报道,因此,本文研究成果可为实际注浆施工提供理论支撑与指导作用。     

水泥类浆材用于劈裂注浆时的压力衰减分析

以水泥类浆材为例,借鉴裂隙岩体渗透注浆的理论,分析了劈裂注浆时的压力衰减规律,得出土体中劈裂注浆的注浆压力、浆液的扩散半径以及裂缝宽度的相互影响关系。     

基于基床系数法的劈裂注浆过程分析

为了揭示劈裂注浆中浆液扩散的动态过程及变化规律,基于基床系数法,研究了劈裂注浆过程中尺寸效应对土体变形的影响,建立了不同土体的劈裂缝宽度方程;假设浆液按平面辐射圆扩散,根据浆土应力耦合特性以及质量守恒定律对土体劈裂注浆过程进行了分析,获得了浆液扩散半径变化方程、浆液压力时空变化方程、劈裂缝宽度时空变化方程,并对浆液扩散规律与影响因素进行了分析。分析结果表明:浆液扩散半径随时间不断增长,但增长速率不断变缓,与基床系数标准值正相关,与浆液黏度负相关,黏性土小于砂土;浆液压力与时间、基床系数标准值正相关,绝大部分位置与浆液黏度正相关,黏性土小于砂土;劈裂缝宽度与时间正相关,绝大部分位置与基床系数标准值负相关、浆液黏度正相关,大部分位置黏性土大于砂土。与现场试验对比分析表明,理论计算值与实测值差异在可接受范围内,验证了本理论的合理性。     

考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以宾汉姆浆液流体为研究对象,基于广义达西定律(毛管组理论),并运用相关流体力学理论,推导了考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的计算公式,并分析了其适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆参数(注浆压力、注浆时间)、地层特性(地层渗透系数)等主要因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:考虑浆液自重后,浆液的扩散范围呈椭球形;相同的注浆压力下,顶部注浆孔的浆液扩散范围小于底部注浆孔浆液扩散范围(顶部注浆孔出现最小扩散半径,底部注浆孔出现最大扩散半径);注浆压力、注浆时间及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大,但其增长速率均减小;注浆压力增大,管片所受的注浆压力增大,单位管片所受的浆液压力呈线性增长,考虑浆液自重后,上部单位管片所受的浆液压力大于下部单位管片所受的浆液压力;注浆压力越大,注浆时间越长,地层渗透系数越大,最大扩散半径与最小扩散半径的差值越大,即浆液自重对浆液扩散半径的影响越大。     

桩底劈裂注浆扩散半径和注浆压力研究

在幂律型浆液平板窄缝流动模型的基础上,推导出了劈裂注浆时浆液流速、流量、注浆压力差、最大扩散半径的计算公式。计算分析了注浆压力差随稠度系数、流变参数、裂隙高度的变化情况以及裂隙高度对最大扩散半径的影响。注浆压力差随稠度系数的增大呈线性增大,随流变参数的增大呈非线性增大。裂隙高度的减小使所需注浆压力差迅速增大,并使扩散半径迅速减小,这种影响随着水灰比的增大而减小。通过建立能量平衡方程,详细讨论了不同注浆压力对整个注浆过程的影响。结合本文计算结果对工程实例进行分析,阐述了注浆压力与注浆量的变化规律。     

基于宾汉体浆液的黄土可控劈裂注浆研究

浆脉在土体的分布在很大程度上影响注浆效果,为了在黄土中实现浆脉可控劈裂注浆,采用平板窄缝模型推导了宾汉体浆液在黄土中的扩散理论,得出扩散半径与注浆压力差、裂缝参数、浆液性质等参数有关。以此为出发点,设计现场注浆试验,结果表明:通过控制注浆参数和施工过程可基本实现浆脉尺寸、间距等与设计值偏差在±40%以内;浆液压力较低时在黄土中主要以挤压作用为主,挤压扩散半径约为注浆管直径的1.2~2倍,压力较高时以劈裂为主;试验最终形成的复合地基桩芯结实体在深度越浅处强度越低,实际注浆中应考虑提高地表处结实体强度,为实际注浆工程中注浆参数的设计提供一定参考。     

考虑浆液时空变化的幂律型流体劈裂注浆机理研究

注浆技术在各种工程建设中的应用广泛,但其理论研究远落后于工程实践。基于平板裂缝模型及幂律型流变方程,考虑浆液的时空变化,推导出幂律型流体劈裂注浆浆液质点锋面压力计算公式,并分析其适用范围及参数确定方法,为劈裂注浆提供理论依据。研究结论:劈裂注浆浆液锋面压力与起始注浆压力,劈裂裂缝宽度,粘度时空变化系数,流变指数,注浆速率等参数有关;分析浆液质点锋面压力的时空分布规律,得到浆液质点锋面压力随着注浆时间的增大、浆液质点扩散距离的增大而逐渐较小;结合劈裂注浆浆液锋面压力计算结果对工程实例讲行分析,阐述了注浆压力与时间的变化规律。     

盾构隧道管片注浆幂律流型浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以幂律流型浆液为研究对象,运用流体力学理论及毛细管组理论,推导了盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的理论计算式,分析了其公式的适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆压力、浆液性质(水灰比)、地层条件(地下水压力和地层渗透系数)等因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:注浆压力与浆液扩散半径成线性关系;注浆压力、水灰比及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大;地下水压力增大,浆液扩散半径减小;注浆压力、水灰比、地层渗透系数增大,浆液对管片的总压力增加;地下水压力的变化不会影响管片所受的总压力。     

注浆扩散与浆液若干基本性能研究

浆液流型、流变参数的时变性、可灌性、塑性强度和可重复注浆性是影响浆液扩散的基本性能。试验表明,各种浆液分别属于三种不同流型;水泥基浆液在注浆过程中流型不变;浆液粘度的时变性规律符合指数函数。研制了平板裂隙注浆装置进行试验,结果表明,普通水泥浆的最小可灌裂隙宽度并非 0.18 mm 或 0.2 mm。在重复注浆时,后注浆液克服先注浆液的粘聚力,在流道中间冲开新通道继续注入,而不是推动先注浆液向前整体移动。“塑性强度”概念可以推广到一般浆液,用这一指标可以预知浆液的可注期。基于以上试验研究成果,尤其是粘度时变性规律,建立了稳定性浆液注浆扩散模型。     

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。     

Computer-simulated flow of grouts in jointed rock

This article presents a model for simulating grout propagation in jointed rock. The joint planes are described as channel networks initially filled with water. The grouth can be either a Bingham or a Newtonian fluid, with time-dependent properties. The presentation includes the mathematical base for the model and some practical examples. The practical examples include testing of a grouting method based on manipulations of the groundwater level, a comparison of results when using grouts having different rheological properties, and a comparison of pre- and post-grouting.     

Analysis of Bingham fluid radial flow in smooth fractures

Solutions for radial flow of a Bingham fluid are analyzed in this paper. It aims to eliminate confusions in the literature concerning the plug flow region in different solutions for analysis and design of grouting in rock fractures. The analyses based on the force balance equation reveal that the plug flow region in Bingham radial flow is independent of the fracture radius, and is not a growth function adapted from the solution of one-dimensional (1D) slit flow according to ‘similarity’. Based on the shear stress distribution, we analytically proposed that a non-uniform plug flow region cannot exist. The Bingham fluid (grout) penetration and flowrate evolution as functions of grouting time are given using the correct expression for the plug flow region. The radius-independent plug flow region and the presented flowrate evolution equation are also verified numerically. For radial flow, the relative penetration length is equal to the relative width of plug flow region, which is the same as that for 1D channel flow. Discrepancies in analytical solutions for grout penetration and flowrate evolution were also illustrated. The clarification of the plug flow region and evaluation of discrepancies in analytical solutions presented in this work could simplify modeling and design of grouting in rock engineering applications.     

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。     

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。     

一种新型高分子注浆材料的试验研究

 在深部岩土工程实体加固及涌水封堵治理的基础上,分析一种新型高分子注浆材料反应机制的可行性,就浆材的黏结性、凝胶性、固结体抗压抗折强度等进行详细的室内试验研究工作,并在模拟的砂卵砾石层中开展渗透注浆模拟试验研究,分析注浆压力、注浆时间、浆液温度、围岩渗透系数等主要因素对浆液扩散半径和注浆后结石体抗压强度的影响规律以及其相互关系。结合现场工程实例,进一步验证该化学浆液在工程加固及涌水封堵治理上的实用性和优越性。试验结果表明：注浆材料的流动性、黏结性、早强性及耐久性较好,具有储存运输方便、工艺简单实用、遇水急速膨胀、固结体无毒环保等优点。浆液扩散半径随注浆压力、注浆时间、渗透系数的增大而增大,随浆液温度的升高而减小,最显著的影响因素是注浆压力和渗透系数,其次是浆液温度和注浆时间;注浆后结石体的抗压强随注浆压力、浆液温度、孔隙度以及注浆时间的增大而增大,注浆压力和孔隙度对结石体抗压强度有较大影响,浆液温度次之,注浆时间对结石体强度的影响最小。研究结果表明该高分子注浆材料具有良好的工程加固和封堵性能,与传统固化材料相比,具有凝胶快、强度高、膨胀性好等优点,是一种比较理想的高分子加固材料和堵水剂。