隧道围岩劈裂注浆破坏模式及浆液扩散规律研究

在隧道施工中经常需要对软弱围岩注浆以堵水加固,为使浆液能从注浆孔到达岩体结构面并堵塞裂隙,劈裂注浆是主要手段,因此有必要研究劈裂注浆时岩石的破坏和浆液扩散规律。首先假设浆液为牛顿流体,推导了浆液劈裂岩石产生单条裂缝时,浆液最大扩散长度随注浆压力变化的计算公式;然后对岩石劈裂注浆的过程和浆液扩散进行了数值模拟。结果表明,岩石劈裂破坏主要有张拉和压拉两种破坏模式;浆液扩散距离对注浆压力的增长率随围压比和垂直压力的增大以及岩石强度的减小而变小;启裂压力随围压比、垂直压力以及岩石强度的增大而增加。其中,浆液扩散距离随注浆压力的变化可以用指数函数较好地拟合,拟合结果与理论分析一致。     

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。     

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。     

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...     

速凝浆液裂隙动水注浆扩散数值模拟与试验验证

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。     

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。     

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。     

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。     

基于牛顿流体的海底隧道穿越裂隙岩体注浆扩散半径计算

在分析胶州湾海底隧道注浆方案及浆液特性的基础上,采用牛顿流体类的刘嘉才公式进行裂隙岩体注浆扩散半径计算。计算结果表明:当设计注浆压力为3～4MPa、注浆孔半径为5cm和注浆时间为1800～3600s时,浆液的扩散半径能满足设计要求;浆液的扩散半径随着注浆时间的增加而增大,在注浆时间相同时,浆液的扩散半径随着裂隙宽度的减小而减小;浆液的扩散半径随着注浆压力的增加而增大,但在注浆压力相同时,浆液的扩散半径随着裂隙宽度的减小而减小。     

自膨胀高聚物注浆材料在二维裂隙中流动扩散仿真方法研究

 为深入研究自膨胀高聚物注浆材料在岩体裂隙中的扩散机制,基于计算流体动力学理论,综合运用现代流场计算方法和移动界面追踪技术,初步建立了一种变密度浆液在二维裂隙中流动扩散的仿真分析方法。该方法采用FVM离散浆液–水两相流动系统控制方程,用Youngs方法追踪浆液–水两相流体移动界面,用SIMPLE算法迭代求解动量离散方程和压力、速度修正方程,实现了对浆液–水两相流动系统的数值求解。通过变密度流体在二维矩形狭槽中自由膨胀算例检验了该方法的正确性,在此基础上对自膨胀浆液在二维平板裂隙中的扩散过程进行了仿真模拟,结果表明采用该方法能够动态展现流场分布特征,实时反映浆液–水之间的驱替作用,为深入研究膨胀性高聚物注浆材料在裂隙岩体中的扩散机制奠定了基础。     

Numerical calculations for prediction of grout spread with account for filtration and varying aperture

Grouting as a mean to reduce the ingress of water to underground facilities has been used for decades. With an increased demand for tightness and cost efficiency, the incentive to improve the method has also increased, and the need to understand the governing factors has been focused. The knowledge concerning grouting involves several fields of research, for instance flow in fractured rock and the behaviour of the grouting material. An understanding of these fields is essential in grouting research. Numerical modelling of grout propagation in fracture geometries is one means of achieving such understanding. The paper presents how numerical calculations of grout spread and sealing effect can be used for predictions of the grouting result. The calculation concerns flow of grout in a network of conductive elements, representing a fracture geometry with the scope to understand the governing parameters when grouting. The spread of grout is significantly affected by the spatial variability of the fracture aperture. Measurements on grout properties and laboratory experiments show that the grout possesses a limited penetration ability and that filtration of the grout occurs if the aperture of a constriction is smaller than a critical value, i.e. when a filter cake forms in front of constrictions in the flow and the grout that passes is filtered. In the paper, a model for filtration of grout is presented. When filtration and limited penetration ability are incorporated in the calculations, additional strong effects are observed. This underlines the need of both a representative geometry, including the fracture variability, and measurements of grout properties.     

A new parameter to assess hydromechanical effects in single-hole hydraulic testing and grouting

Grouting or filling of the open voids in fractured rock is done by introducing a fluid (grout) through boreholes under pressure. The grout may be either a Newtonian fluid or a Bingham fluid. The penetration of the grout and the resulting pressure profile may give rise to hydromechanical effects, which depend on factors such as the fracture aperture, the pressure at the borehole, and the rheological properties of the grout. In this paper, we postulate that a new parameter, Å, which is the areal integral of the fluid pressure change over the fracture plane, is an appropriate measure to describe the change in fracture aperture volume due to a change in effective stress. In many cases, analytic expressions are available to calculate pressure profiles and the Å parameter. The approach is verified using a fully coupled hydromechanical simulator for the case of a Newtonian fluid. Results of the verification exercise show that the new approach is reasonable and that the Å parameter is a good measure for the fracture volume change: i.e., the larger the Å parameter, the larger the fracture volume change, in an almost linear fashion. To demonstrate the application of the approach, short duration hydraulic tests and constant pressure grouting are studied. It is concluded that using analytic expressions for penetration lengths and pressure profiles to calculate the Å parameter provides a possibility to describe a complex situation and compare, discuss and weigh the impact of hydromechanical couplings for different alternative grouting strategies. Further, the analyses identify an effect of high-pressure grouting, that of uncontrolled grouting of larger fractures and insufficient (or less-than-expected) sealing of finer fractures under certain grouting conditions.     

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。     

Grouting applications in the Istanbul metro, Turkey

The first stage of the Istanbul metro construction was conducted in sandstone and mudstones of Carboniferous age. On the basis of Lugeon tests, the rock mass permeability was found to be in the range of 10⁻⁵–10⁻⁷. Since, no waterproofing system was placed in between the primary support and the final lining to maintain the imperviousness during operation of the subway, the cracking of the concrete lining and water inflow problems, such as leakage through the repair, dripping and surface moisture caused difficulties for the operation of the metro system. In order to overcome these problems, three different contact grouting methods, repair grouting and chemical grouting works were carried out. Regarding homogeneity of the grout take, labor and time-dependency of the equipment, the most successful results were obtained from one of the contact grouting types and repair grouting. Chemical grouting works yielded unsatisfactory results. Moreover, alteration, fracture spacing, groundwater and excess excavation properties of the rock mass were investigated in comparison with the contact grout take. The comparison between these properties and the grout take indicates no close relationship, and the grout take values are found to be affected mainly by the labor of grouting and excavation.

In addition, in order to improve the rock mass along the metro route, consolidation grouting works were conducted. However, grouting works with the use of Portland cement conducted in the rock mass of very low permeability do not yield successful results.     

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。     

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。     

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。     

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。