基于考虑时变性的宾汉姆流体的渗透注浆机理研究（“研究生论坛”稿件）

结合宾汉姆流体的流变方程与流体粘度的时变性特性,建立了考虑时变性的宾汉姆流体的流变方程与渗流运动方程,并在一些假设的基础上,推导考虑时变性的宾汉姆流体的球形及柱形渗透注浆机理,通过设计两组室内注浆试验对其进行了验证。试验结果表明:由考虑时变性的宾汉姆流体的渗透机理公式计算出的理论扩散半径与试验实际测量的扩散半径虽然有20%左右的差异,但处于可接受误差的范围内,因而在总体上能够较好地反映考虑时变性的宾汉姆流体的注浆渗透规律,对注浆设计、施工和理论研究等方面具有一定的参考价值与指导作用。     

宾汉姆流体柱—半球形渗透注浆形式扩散参数的研究(“研究生论坛”稿件)

文献检索表明：目前国内外还没有一个能较准确计算宾汉姆流体柱—半球形渗透注浆形式扩散参数（如,半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度等）的理论公式,导致理论远滞后于工程应用。以宾汉姆流体流变方程及渗流运动方程为基础,采用理论分析与实验研究等方法,研究了宾汉姆流体柱—半球形渗透注浆形式的半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度理论计算公式;分析了宾汉姆流体流变性、注浆压力、地下水压力及注浆管半径对柱—半球形渗透注浆形式的半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度的影响;设计注浆试验对其进行验证。结果表明：由宾汉姆流体柱—半球形渗透注浆形式的半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度理论公式计算出的半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度理论值与注浆试验的实测值间虽有25%-30%范围内的差异,但都处于可接受误差范围内。因此,研究成果可为实际注浆施工提供理论支撑与指导作用。     

变态混凝土施工中浆液的渗透机理

首先分析了变态混凝土混合物(MC)的特性,认为碾压混凝土拌合物(RCC)可视作各向同性、孔隙分布均匀的多孔介质,MC浆液可视为幂律型流体.通过仿真发现在重力作用下,MC浆液在RCC中的渗透近似柱形扩散.因此基于柱形扩散理论,假设浆液渗透流动为层流,建立了变态混凝土施工中的注浆模型.运用渗流力学基本定律,推导出浆液扩散半径与注浆压力、渗透系数、稠度系数、流变指数、注浆管半径、注浆时间和孔隙率之间的关系.通过因子分析,研究了各参数对浆液扩散半径的影响,结果表明:注浆压力、流变指数对扩散半径的影响最大,渗透系数的影响次之,稠度系数和孔隙率的影响相对较小.本研究为多管插入式压力注浆施工方法提供了理论依据.     

考虑水泥-水玻璃双液浆黏度时空效应的隧道预注浆研究

水泥-水玻璃双液浆作为典型的速凝型浆液开始在隧道超前注浆施工中得到广泛应用,但目前对于双液浆渗透扩散机理的研究较少,注浆压力、浆液扩散半径以及注浆量等关键施工参数的确定多以经验为主.本文考虑水泥-水玻璃双液浆为黏度时变性的宾汉姆流体,基于双液浆的流变方程,同时考虑双液浆的黏度时效性和黏度空间效应,推导得到了表征双液浆黏度增长时间T_u与浆液扩散半径l之间关系的表达式.根据此关系式并结合平衡方程和均匀毛管组理论,推导得到了考虑双液浆黏度时空效应的柱形渗透注浆浆液扩散半径l和浆液压力P的理论计算公式,并分析了公式中相关参数的确定方法与公式的适用范围.     

基于颗粒吸附概率模型的渗透注浆滤过机制研究

滤过效应对悬浊液渗透注浆扩散具有重要影响,滤过系数为渗透扩散关键影响参数,现有研究多将该系数假定为常数,具有较大局限性。考虑渗流域内各组分质量守恒,引入线性滤过定律,采用颗粒沉积概率模型描述水泥颗粒在多孔介质内沉积吸附行为,建立了考虑渗滤效应的水泥浆液渗透注浆柱形扩散理论模型。基于一维渗透注浆试验过程信息,提出了柱形扩散理论模型参数反演确定方法。开展了三维渗透注浆柱形扩散模型试验,结合理论模型计算结果,对比分析了孔隙率及浆液压力时空变化规律,探讨了注浆速率及浆液水灰比对滤过机制影响规律,并对理论计算模型准确性进行了验证。结果表明,注浆速率越小,注浆口处孔隙率衰减量越大,同时孔隙率沿浆液扩散方向衰减越剧烈;浆液水灰比越小,孔隙率衰减越快,滤过效应越显著。与试验值对比,所建立模型孔隙率最大计算误差小于12%,注浆压力最大计算误差小于14.2%,所建立模型可较好地描述水泥浆液多孔介质柱形扩散过程。     

破碎围岩锚注加固浆液扩散规律研究

基于连续介质力学和渗流力学理论,运用渗透张量法得出浆液在破碎围岩中扩散的基本方程;并通过对实际锚注支护工程进行假设与简化,建立锚注加固系统浆液在包含正交裂隙组的围岩中渗透扩散的数学模型.在此基础上,运用COMSOL软件对锚注支护工程进行实时模拟,研究了不同注浆压力和不同注浆锚杆布置方式对浆液流动扩散规律的影响.结果表明：对于巷道锚注支护工程,合理的注浆压力约为1.0～4.0MPa,合理的钻孔间距约为浆液扩散半径的1.3倍左右.将研究成果用于祁南煤矿新掘大巷锚注支护设计,取得了良好的效果.     

土石分层介质注浆扩散的试验研究

为了探索土石分层介质中的注浆扩散规律,设计一套分层介质注浆试验装置,开展土石分层介质注浆试验研究.通过分析浆脉分布特征、注浆压力变化特征和界面加固体渗透特征,分析浆液在土石分层介质中的扩散模式及其加固效果.讨论现有注浆理论对求解分层介质注浆扩散问题的适用性,提出针对土石分层介质灾害治理工程的注浆控制方法.研究结果表明：分层界面两侧介质不同的被注时序响应浆液不同的穿层路径,分层介质的层间突变性导致浆液发生渗透-界面式、劈裂-渗透式和渗透-界面-劈裂式这3种不同的扩散模式,分别对应界面浆脉黏结、贯穿浆脉连接和并行浆脉架构3种加固特征;提出注浆材料动态调节、同孔多序梯度注浆和分层界面控域注浆3种土石分层介质注浆控制方法.     

深部软岩巷道深-浅耦合全断面锚注支护研究

基于对深部软岩巷道变形和破裂特征的长期监测结果,提出了以"中空注浆锚索和高强注浆锚杆"为核心的新型深-浅耦合全断面锚注支护技术体系.借助渗流力学理论建立了深-浅耦合锚注浆液的渗流基本方程,并结合COMSOL软件模拟再现了浆液在围岩内的渗透扩散过程.结果表明:注浆锚索和注浆锚杆所注浆液使巷道浅部围岩形成完整的锚注加固圈,而注浆锚索同时使巷道深部围岩形成局部锚注加固体,两者协调耦合作用,形成互为支撑的承载体,完善了深-浅耦合全断面锚注支护的理论体系和加固作用机理.现场监测证明该支护体系有效地控制了巷道围岩的变形与破坏.     

水玻璃自渗注浆加固原状黄土效果及评价

针对原状黄土具有大孔隙的特点,对水玻璃自渗注浆加固原状黄土的可行性及加固效果进行研究.通过现场注浆试验,探究了水玻璃自渗注浆加固原状黄土的可行性并初步确定了加固影响范围.通过强度及水稳性试验,发现经自渗注浆加固后的原状黄土强度高、水稳性好.通过室内自渗注浆模型试验,发现自渗注浆半径随土体含水量的增大而减小,随土体孔隙比的增大而增大.对密度、含水量相同的原状黄土和重塑黄土分别进行水玻璃自渗注浆加固,试验结果表明,加固后原状黄土强度远大于重塑土,说明原状土原有的结构及贯通的大孔隙有利于提高自渗注浆效果.室内外试验结果表明,原状黄土经水玻璃自渗注浆加固后其强度和抗变形能力均大幅提高.运用渗流力学推导出自渗注浆柱形扩散公式,在可接受范围内,注浆半径和注浆量其理论计算值与实测值之间的差异分别约为25%和40%.     

回采巷道锚注加固浆液渗流规律研究

为了获得回采巷道锚注加固工程中合理的注浆压力,首先将回采巷道围岩破碎区看作连续介质,并应用渗流理论得出了浆液在破碎围岩中扩散的基本方程,并建立了COMSOI数值计算模型,研究了不同注浆压力条件下的浆液流动扩散特征。结果表明：对于回采巷道锚注支护工程,浆液在垂直于钻孔方向的扩散深度明显大于浆液在垂直于钻孔方向的扩散半径,合理的注浆压力约为1．0—3．0MPa,并将研究成果用于桃园煤矿回采巷道锚注支护设计,取得了良好的效果。     

砂土介质中颗粒浆液扩散距离变化规律

基于质量守恒方程、线性滤过定律、Darcy定律及边界条件,建立层流条件下颗粒浆液扩散距离的理论模型。采用自主研发的单体组配式渗透注浆装置,研究不同水灰比、不同流速条件下浆液扩散距离的变化规律,并将忽略渗滤理论值、考虑渗滤理论值、模型试验值进行比对分析。结果表明,恒定流速v0条件下,忽略渗滤效应的浆液扩散距离与实际不相符;浆液水灰比、注浆流速均与扩散距离呈正相关。水灰质量比1∶1时,模型试验值与考虑渗滤理论值偏差18.4~20.8 cm,偏差率68.9%~71.9%;水灰质量比2〓∶1时,模型试验值与考虑渗滤理论值偏差20.7~23.4 cm,偏差率27.0%~28.2%。研究成果可指导注浆钻孔间距设计,具有一定的工程应用价值。     

砂土介质中颗粒浆液扩散距离变化规律

基于质量守恒方程、线性滤过定律、Darcy定律及边界条件,建立层流条件下颗粒浆液扩散距离的理论模型。采用自主研发的单体组配式渗透注浆装置,研究不同水灰比、不同流速条件下浆液扩散距离的变化规律,并将忽略渗滤理论值、考虑渗滤理论值、模型试验值进行比对分析。结果表明,恒定流速v0条件下,忽略渗滤效应的浆液扩散距离与实际不相符;浆液水灰比、注浆流速均与扩散距离呈正相关。水灰质量比1∶1时,模型试验值与考虑渗滤理论值偏差18.4~20.8 cm,偏差率68.9%~71.9%;水灰质量比2〓∶1时,模型试验值与考虑渗滤理论值偏差20.7~23.4 cm,偏差率27.0%~28.2%。研究成果可指导注浆钻孔间距设计,具有一定的工程应用价值。     

非线性反应扩散方程的广义条件对称

非线性反应扩散方程是一类在物理、生物、种群上有较多应用的方程,考虑其在幂函数扩散下所允许的一类二阶广义条件对称,通过广义条件对称。借助数学软件Maple,求得相应方程及其满足的对称群,通过对称群进一步得到精确解。     

Comparative experimental investigation of chemical grouting into a fracture with flowing and static water

We present a series of experimental tests on chemical grouting into a fracture with flowing and static water, using a transparent fracture grouting experimental device. Variations of seepage pressure and grout propagation were compared in our investigation. The results show that flowing water results in drops of seepage pressure, development of penetration radii in the upstream side and drops of propagation area during the same period, compared with grouting in static water. The propagation area in static water is always round before grouts reach the joint boundaries. However, the propagation shape changes from round to an elliptic shape for grouting into a fracture with flowing water. A theoretical model for the grout penetration radius in a fracture considering flowing velocity was developed and validated by our experimental results. These results are helpful in improving understanding of fracture grouting mechanism and in guiding engineering practices.     

Establishment and application of drilling sealing model in the spherical grouting mode based on the loosing-circle theory

There are quite a few studies that have been done on borehole sealing theory both domestically and internationally. The existing researches usually consider drilling of the surroundings as a dense homogeneous elastic body which does not meet the characteristics of real drilling of the fractured body. Based on the loosing-circle theory and analyses of the surrounding rock stress field, cracks and seepage fields, combined with Newtonian fluid spherical grouting model, we deduced the dynamic relationship between the seepage coefficient and rock or grouting parameters of the drilling sealing fluid mode of spherical fissure grouting. In this experiment, mucus was injected in the simulated coal seam and the permeability coefficient of the sealing body was calculated by using the model. To verify the validity of the model, the calculated sealing body number was compared with the extreme negative pressure that the sealing body could withstand. The theoretical model revealed the drilling sealing fluid mechanism, provided a method for the quantitative calculation of the drilling sealing fluid effect by grouting mode and a reference for the subsequent research of sealing mechanism.     

非均质断层破碎带注浆扩散机理

断层破碎带是诱发塌方、突泥等地质灾害的重要构造因素。但是,针对断层治理的注浆理论与技术研究进展缓慢。结合断层岩体特征分析与注浆试验,开展断层破碎带注浆扩散过程与规律研究。首先,依托永莲隧道F2断层突水突泥灾害注浆治理工程,提取并分析断层岩体性质,划分岩体类型,建立注浆概念模型,将岩体划分为松散型、软弱型及密实型等三种介质。基于牛顿流体及土体一维压缩理论,分别建立三种介质注浆控制方程,分析介质结构特征与孔隙度、压缩性等物理性质,对注浆扩散过程的影响规律。结合注浆试验,研究了不同介质条件下,注浆过程中注浆压力、介质应力变化规律,基于浆脉分布情况,分析浆液由注入点向介质的扩散过程。理论分析与试验结果表明：非均质断层破碎带注浆扩散过程,可分为优势充填与劈裂扩散两个阶段,注浆压力变化曲线由缓慢上升至陡降的突跳点即两阶段分隔点;优势充填阶段主要发生在松散型与软弱型介质中,注浆压力上升慢,浆液出现集中扩散;劈裂扩散阶段主要发生在密实型介质中,注浆压力上升快,扩散范围与介质结构面数量正相关,与压缩模量、注浆速率负相关。针对松散型与软弱型介质形成的不良地质区,为达到优势扩散与治理效果,提出了定域注浆控制技术,并在永莲隧道突水突泥灾害治理工程中应用,取得了良好的注浆治理效果。     

润滑脂管内流动产生壁滑移时的动能修正系数

通过理论分析与实验研究,证实了管内流动的润滑脂在所实验的剪切速率范围内均产生壁滑移现象;以含壁滑移影响的流变方程为基础,推导了动能修正系数理论公式;为了工程应用方便,根据理论公式的量纲分析和实验总结,首次建立了含有壁滑移影响的动能修正系数准则方程,该准则方程简单实用,与理论公式较吻合,且适用于实验范围内的不同管径,为研究润滑脂集中润滑系统的管道流动特性提供了一种新的简便方法;它不仅适用于有壁滑移的Herschel—Bulkley流体,也适用于有壁滑移的宾汉流体和幂律流体。     

端帽式碎石注浆桩在路堤荷载下工作性状

为有效控制路基的工后沉降,提出了路堤荷载下端帽式碎石注浆桩技术。针对路堤荷载下复合地基的工作性状,对端帽式碎石注浆桩进行了分析,研究表明:上端帽提高了桩体荷载分担比,减小了桩顶刺入变形;通过桩体穿越软土层将更多路堤载荷传至深层,减小软土层后期沉降;提高注浆压力以扩大注浆加固区半径,加强浅层注浆,减小桩间土沉降。桩下端注浆扩大体,对所在持力层进行挤密加固;扩大桩底面积,减少桩体向下的刺入变形,降低复合地基工后沉降。对不同桩距、浆液扩散区进行比较,提出了合理的布桩建议。与普通碎石注浆桩相比,端帽式碎石注浆桩在提高承载力和减少复合地基沉降,特别在控制路基的工后沉降方面效果显著。     

化学增强铝硅酸盐玻璃扩散性能研究

了解碱金属离子在玻璃表面的扩散对生产高强度铝硅酸盐系统离子交换玻璃具有重要意义。通过外加Al,讨论不同Al/Na对碱离子扩散影响。采用EPMA测得玻璃断面K+、Na+分布曲线,根据Boltzmann-Matano计算方法得到K+、Na+的扩散系数,根据Arrhenius公式计算得到K+、Na+的扩散活化能。实验证明,随着Al/Na的增加,K+、Na+扩散深度逐渐增加,互扩散系数逐渐增加,K+、Na+平均活化能逐渐增加。讨论玻璃体内Al/Na比例是研究高强度离子交换玻璃的一个重要方向。