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。     

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。     

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。     

考虑黏度空间衰减的宾汉姆流体柱形渗透注浆机制研究

低渗透性多孔介质渗透注浆过程中存在渗滤效应,造成浆液颗粒浓度和黏度空间分布不均,严重影响注浆效果。通过一维可视化注浆试验,研究渗滤效应的发生条件及影响因素,得到考虑水灰比影响的黏度衰减率空间分布表达式,并推导出考虑黏度空间衰减的宾汉姆流体柱形渗透注浆理论公式,基于计算机编程技术,依托Comsol Multiphysics平台,二次开发得到该理论公式的二维数值模拟程序,在此基础上开展不同注浆压力和水灰比条件下的仿真分析和模型试验,对比验证该理论机制的正确性。研究结果表明,渗滤效应发生时,浆液颗粒浓度和黏度沿渗流路径明显下降,采用考虑黏度空间衰减效应的宾汉姆流体柱形渗透注浆扩散公式得到的扩散半径、渗透压力等更接近实测值。因而更好地说明渗滤效应导致的黏度空间衰减不可忽略,采用新的理论公式更能反映宾汉姆流体在低渗透性地层中发生渗滤效应时的扩散规律。该研究成果可为低渗透性地层注浆设计及施工提供一定的理论及技术支持。     

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。     

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。     

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。     

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“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。     

考虑封孔浆体黏度时空变化的止浆机制研究

封孔止浆技术是松软地层注浆防渗加固的重要手段,而封孔浆体自下而上的注入方式及其黏度时变特性导致浆体在止浆段长内黏度呈现出空间分布不均匀。通过流变试验获取封孔浆体流变参数与流型,建立考虑黏度时空变化的宾汉流体同心环状劈裂封孔浆体止浆模型,推导出黏度时空变化的封孔浆体止浆的控制方程,并定量分析封孔浆体的止浆能力,最后将研究成果成功应用于河堤防渗加固注浆工程。研究结果表明,封孔浆体黏度时空变化对浆体封孔止浆能力影响较大,其止浆能力与浆体流变参数、浆体塑性强度、封孔高度等有关;封孔浆体所能承受的极限注浆压力随封孔浆体固化剂掺量的增加或封孔浆体塑性强度的增大而增大,且这种变化随封孔高度的增高而表现的越明显,综合考虑注浆堵管、后续拔管等问题,封孔浆体水固比宜控制在1∶1左右,且黏土含量不宜超过50%,固化剂掺量宜控制在1.2%～1.8%;现场钻孔取样、压水试验均反映注浆后地层连续性和整体性得到了显著提高,已达到设计防渗加固标准,理论计算推导虽与实测结果存在一定误差,但可满足实际工程要求。研究结果有利于封孔浆体止浆技术的进一步推广应用,可为工程实践提供理论指导。     

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。     

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。     

考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制

多孔介质的迂回曲折效应对浆液在其中的渗透扩散与注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,研究考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体渗流运动方程,推导考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制;基于计算机编程技术,依托COMSOL Multiphysics平台与达西定律,二次开发得到考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制的三维数值模拟程序,并以此开展不同水灰比幂律型水泥浆液在砾石土体中渗透注浆过程的数值模拟;通过对比分析,研究理论分析、模型试验与数值模拟结果验证该理论机制。研究结果表明:采用考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值更接近注浆模型试验值,因此可较好地说明考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式更能反映幂律流体在多孔介质中的渗透注浆扩散规律。该研究成果可为多孔介质地层的实践注浆工程设计及施工提供一定的理论指导与技术参考。     

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。     

基于土体非线性压密效应的劈裂注浆机制分析

 In the process of split grouting,the soil on both sides of the split channel is being compressed. The relationship between the stress and strain is nonlinear in the compression process of soil. A new model of relationship between the soil stress and strain was established to describe the nonlinear characteristics in the compression process of soil. The process of split grouting was simplified into the horizontal radiation circle. Based on the nonlinear model of compression and considering the coupling effect at the interface between soil and slurry,a theoretical model of split grouting was established. The spatial distribution equation of width of the split channel was derived,and the relationship among the grouting pressure,width of split channel and radius of grouting diffusion was obtained. After comparing with the result from the linear relationship of stress and strain,the nonlinear relationship of stress and strain was shown to be necessary. The model test of split grouting process was performed. The width of split channel attenuated along the diffusion radius. The calculated and measured the thickness of grouting vein are at the same order of magnitude and theory was thus proved reasonable.     

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。     

考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆机理研究

多孔介质注浆的扩散方式以渗透注浆为主,传统的多孔介质渗透注浆往往忽略了浆液渗透过程中的扩散路径,导致理论结果与实际偏差较大。基于对多孔介质浆液渗透过程中扩散路径分析,根据浆液扩散运动方程,建立了考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型,设计了一套多孔介质渗透注浆扩散模拟实验装置,并采用常规注浆材料-水泥浆液,获得不同被注介质渗透率及不同注浆速率下的注浆压力的时空变化规律。研究结果表明:考虑浆液扩散路径的多孔介质浆液渗透注浆模型计算值为试验值的1.1~1.3倍,计算值与试验值误差在允许的范围之内,所建模型可较好的描述了浆液渗透扩散过程;不考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型计算值为试验值的1.8~3.2倍,显著高估了注浆扩散过程的浆液压力。研究成果成功用于青岛地铁砂层治理工程,因此,在多孔介质渗透注浆扩散设计中应充分考虑浆液扩散路径。