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。     

幂律型流体柱形渗透注浆机制

为进一步完善与丰富幂律型流体的渗透注浆理论,探讨了幂律型流体的柱形渗透注浆机制.采用理论分析与实验研究等方法,以幂律型流体流变方程及渗流运动方程为基础,推导了幂律型流体柱形渗透注浆扩散机制;分析它的适用范围及参数确定方法,并设计室内注浆试验对其进行验证.结果表明:实际测量计算的幂律型流体在被注砾(砂)石体中的等效扩散半径值与由幂律型流体柱形渗透注浆扩散机理公式计算出的扩散半径理论值间虽有30%35%的差异,但都处于可接受误差范围内.幂律型流体柱形渗透注浆扩散机理在整体上能较好地反映幂律型流体在被注介质中的柱形注浆渗透扩散规律,可为实际注浆施工提供理论支撑与指导作用.     

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.     

盾构隧道壁后注浆充填模型

在明确浆液流变特性及流变参数的基础上,基于宾汉姆流体方程推导了壁后同步注浆充填模型.通过参数敏感性分析表明,随着浆液流变参数增大、盾构掘进速度加快、注浆压力减小、管片外半径增大、注浆孔数量减少,浆液对盾尾空隙的注浆充填率均呈非线性降低趋势.     

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。     

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.     

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.     

浆液性质对注浆压力及扩散方式的影响规律

为研究浆液性质对于注浆压力及浆液扩散模式的影响规律,设计了注浆扩散模拟试验系统。该系统通过采用整体填土压实,相比常规人工分层填土压实,可有效避免土体内部层间界面的产生,从而避免层间界面对于浆液扩散的影响。通过上述注浆扩散模拟试验系统开展了羧甲基纤维素钠浆液(模拟渗透注浆)、水泥单液及水泥-水玻璃浆液的土体注浆试验,分析注浆压力及浆液扩散特征,并针对注浆压力进行理论分析验证。研究结果表明:浆液性质对于注浆压力增长及劈裂特征点具有显著影响,通过分析注浆压力增长趋势及劈裂特征点特征可判定浆液扩散模式。     

土的粒度成分对土体可注性的影响分析

土体中粒度成分对土体的渗透性有着直接影响。在标准砂中加入不同比例的原状土来模拟不同黏粒含量的土体,通过变水头渗透实验测出了试验土样的渗透系数;利用SPSS软件回归出了土的黏粒含量与渗透系数的函数关系,进而简化了土体渗透注浆中浆液扩散半径的确定方法。对Maag公式进行了推演,为渗透注浆中选定注浆材料、确定浆液配比、注浆压力和注浆时间提供了理论依据。     

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%.     

双圆盾构隧道同步注浆扩散及环向压力研究

假定双圆盾构盾尾注浆浆液为牛顿流体,并考虑到浆液粘度随时间变化的特性,提出双圆盾构的管片同步注浆的两阶段扩散机理。浆液首先在盾尾注浆孔附近呈球形扩散,继而沿着盾尾间隙范围内弧形扩散。推导了双圆盾构管片同步注浆的浆液扩散半径及其沿管壁的环向压力计算公式。     

矩形顶管隧道施工中触变泥浆套形成规律及减阻效果试验

为研究在矩形顶管施工中砂质土和黏性土两种地层条件下泥浆的扩散半径、减阻效果,通过自行设计的试验台架,设定不同的覆土压力及浆土混合比例,进行了模拟试验。结果表明,砂土地层泥浆灌注起始压力约为4/5覆土压力,且注浆压力与扩散半径均呈线性增长;黏性土地层中注浆起始压力约为2倍覆土压力,浆液的扩散形式为劈裂渗透,渗透扩散不均匀,泥浆套成形质量较差;纯触变泥浆形成的泥浆套最大摩阻系数为0.011 8,对应的摩擦角为0.68°,随着黏土含量增大,泥浆减阻效果降低;现场实测最大顶推力比理论最大顶推力约减少60%,应用效果良好。研究成果能够有效解决矩形顶管隧道施工阻力大、小间距隧道顶进施工对既有管节的影响大等问题,具有推广应用价值。     

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。     

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。     

水泥浆液在黄土中注浆扩散的现场试验研究

针对原状和重塑黄土进行水泥注浆现场试验研究,得到了原状和重塑黄土在不同注浆压力下水泥浆液注浆量与时间的关系曲线。观察现场注浆结石体分布特征,分析了水泥浆液在原状黄土和重塑黄土的扩散规律,揭示出水泥浆液在黄土中以劈裂的形式进行扩散,注浆结石体自注浆孔向外延伸呈脉板状。基于现场试验数据分析,定义有效注浆时间概念,并得到注浆压力、扩散半径及注浆量随有效注浆时间的变化关系式。研究成果可为黄土中水泥注浆理论研究提供借鉴,并为实现黄土地区水泥注浆加固工程的快速设计分析奠定基础。     

页岩气基质纳米通道流动模拟研究

结合活性炭表面扩散系数计算原理,建立页岩气在纳米孔道中的流动方程。模拟结果表明:通道半径为0~8nm,通道中以吸附气的表面扩散为主,压力的影响可忽略不计;通道半径大于10 nm时,表面扩散通量相对较少,压力的影响不可忽略;当通道半径高于50 nm时,自由分子流动通量可以达到99%,压力是气体分子传输速度的主要影响因素。     

低渗透气藏考虑启动压力梯度下采出程度和供给半径关系研究

低渗透气藏考虑启动压力梯度下的不稳定渗流数学模型解法十分繁琐,主要原因是强烈非线性的控制方程.利用气藏压力分布半解析解表达式,结合物质平衡原理,计算了定产量生产时不同启动压力梯度下的采出程度和供给半径的关系.计箅结果表明,采出程度和供给半径近似成指数关系,启动压力梯度阻碍了地层能量传播和流体运移,消耗了部分地层能量,启...     

砂砾石层渗透灌浆模拟试验

在砂砾石地层介质中进行灌浆时,地下水的渗流作用对浆液不同方向的扩散半径产生影响,对此进行室内渗透灌浆模拟试验.采用均匀设计的理念,构造了整体试验方案,通过分析各影响因素与浆液扩散半径和灌浆量的线性关系,得出灌浆压力、浆液水灰比、地层渗透系数、渗流流速等因素对浆液扩散半径、灌浆量的影响规律.试验结果表明:影响浆液扩散半径、灌浆量的显著因素是地下水渗流作用,其次是灌浆介质本身的渗透系数和浆液水灰比;渗流速度与浆液下侧扩散半径呈正相关关系,与浆液上侧扩散半径呈负相关关系,对浆液侧向扩散半径影响较小且呈正相关关系.     

基于透明土技术的泥水盾构开挖面泥膜渗透特性研究

为了更直观的观测盾构泥浆成膜试验中注浆扩散和泥膜形成过程,开发了一套泥水盾构开挖面可视化注浆试验系统,采用透明土和透明浆液结合光学技术开展多种变量下泥水盾构泥浆渗透过程的可视化试验,记录各横纵断面渗透图像,并对图像进行二值化处理,探究了地层粒径与浆液粘度对泥浆扩散形态的影响,并评估了所形成泥膜的渗透特性,研究结果表明:浆液在地层中的渗透距离是评估泥膜形成质量的重要标准,而地层的孔径和泥浆粘度是影响浆液渗透距离的重要因素。在高渗透性土层条件下,减小盾构机刀盘开口率和注浆压力有助于形成泥皮型泥膜。试验结果对盾构的泥浆工程具有重要的指导意义。     

椭圆形裂隙中渗透注浆扩散规律的研究

为了研究裂隙岩体注浆浆液的扩散规律,将单一裂隙简化为椭圆形裂隙,利用广义柱面坐标、牛顿内摩擦定律、达西定律、渗流微分方程和边界条件下的连续性方程,推导出水平椭圆形裂隙中,层流状态下的牛顿液体在渗透注浆过程中各个参数之间的关系,研究了椭圆形岩体裂隙中渗透注浆的扩散规律.