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。     

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。     

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。     

裂隙岩体注浆块体离散元方法模拟分析

涌水是海底隧道建设面临的主要难题之一,注浆可以有效降低涌水并加固围岩,保障施工安全。采用块体离散元方法模拟研究了浆液-裂隙耦合模型、裂隙剪胀等因素对裂隙岩体浆液扩散的影响规律。结果表明:(1)考虑浆液-裂隙耦合作用对浆液最大扩散距离有显著影响,结合Barton-Bandis(BB)裂隙本构模型更能够反映裂隙变形的真实特征;(2)DEM数值模型表明偏应力导致裂隙发生的剪胀作用会增大裂隙开度,改变浆液扩散形态。依托青岛胶州湾海底隧道的施工设计及实测数据,采用块体离散元方法得到的注浆渗透规律与工程现场监测结果基本是符合的,误差在工程应用的允许范围内。     

Herschel–Bulkley浆液在裂隙中的扩散规律研究

基于柱坐标系下的流体连续性方程和动量方程,对Herschel–Bulkley浆液在光滑倾斜裂隙内做径向扩散流进行了理论推导,讨论了灌浆时间、灌浆压力、流变指数、裂隙开度及倾角对扩散规律的影响。研究结果表明：在注浆压力恒定的灌浆过程中,存在一极限扩散半径,且随着扩散范围的增大,进浆量逐渐降低,灌注难度逐渐增大;提高注浆压力以及降低浆液的流变指数有利于扩大浆液的扩散范围,且裂隙倾角越大,顺坡向与逆坡向的扩散半径差值也越大,特别是对于流变指数n小于1的剪切稀释浆液其差值尤为明显。该结果由于综合了牛顿、宾汉塑性和幂律型流变模式流体的扩散规律,从而为更好地认识各类非牛顿流体在岩体裂隙、界面、裂缝中的流动规律提供了理论参考。     

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。     

隧道裂隙岩体注浆加固机理及其应用研究

通过对隧道中裂隙岩体注浆加固机理、模型试验以及工程实践进行研究分析,确定了裂隙带和注浆孔存在相交与不相交两种位置关系,并得出注浆过程裂隙发生劈裂过程;通过建立物理模型、分析数据,建立不同水灰比条件下的注浆压力与扩散半径的关系,分析裂隙岩体注浆施工中合理的注浆压力区间;根据依塞维尔斯的平面流体理论,推导出裂隙岩体注浆的扩散半径,再根据工程中隧道围岩物理量参数,计算出扩散半径,指导注浆加固工程施工。     

考虑浆–岩耦合效应的微裂隙注浆扩散机制分析

通过分数布朗函数建立了节理面几何模型,基于N-S方程对裂隙注浆扩散开展有限元分析。考察节理面粗糙度、连通性对浆液扩散的影响,并对修正立方定律的合理性进行分析。当界面层位势较低时,由修正立方定律得到的计算结果偏低,反之计算结果偏高。当界面层接触区域分布较为平均时,其各向异性程度较低,所引起的计算偏差较小,反之计算偏差较大。基于修正的立方定律、界面层本构方程以及浆液流动方程,建立了考虑浆岩耦合效应的注浆扩散公式。考虑浆岩耦合效应后,计算所得到的浆液扩散距离明显提高。并且随着浆液黏度的增加,由浆岩耦合效应所引起的相对计算误差也不断增大。     

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。     

考虑软体和硬体开度的岩体单裂隙渗流与法向应力耦合模型研究

岩体裂隙渗流与法向应力耦合机理是裂隙岩体水力耦合分析的重要基础。岩体裂隙法向应力与渗透性曲线呈现出的非线性变化特征随法向应力增加往往有显著差别：低应力条件下裂隙渗透性急剧下降，而高应力条件下裂隙渗透性减少较为缓慢。目前，传统数学模型难以描述低应力和高应力条件下裂隙渗透性变化的差异性。因此，基于双弹簧Hooke模型(two-part Hooke’s model，简称TPHM)，将裂隙开度分为硬体开度和软体开度2个部分，分别考虑低应力和高应力条件下软体开度与硬体开度对岩体裂隙变形与渗流特性的影响，建立岩体裂隙渗流与法向应力耦合数学方程。采用3组加载条件下的花岗岩裂隙水力耦合试验数据验证理论模型，结果表明理论模型与实验数据基本一致，且优于负指数模型、幂函数模型以及对数模型，指出了软体和硬体开度定量描述岩体裂隙非线性水力耦合特性的有效性，揭示了低应力状态下软体开度对岩体裂隙渗透性变化的主要控制作用。     

断层破碎带在渗流作用下应力特征及控制

采用瞬变电磁仪对回风巷穿越断层破碎带的现场水文情况进行探测,获取区域地下水在巷道两帮集聚导致低阻异常区存在的水文特征。建立了回风巷赋水断层三维流固耦合力学模型,模拟分析了断层破碎带在动压及渗流作用下的应力分布及变形特征。研究结果表明:孔隙水压力集中区和巷道两帮压应力集中区具有一致性,随着与断层距离的减小,双场集中区中区由两帮向顶角处转移;回风巷围岩变形失稳概括为3个阶段:即,两帮压密顶底板产生张拉裂隙阶段;地下水向巷道渗透及围岩软化阶段;围岩变形持续增大阶段。为控制回风巷进一步变形,提出了对两帮及底板进行注浆加固的方案。     

Design of grouting with silica sol in hard rock – New design criteria tested in the field, Part II

An extensive field test was conducted in spring 2005 in the Törnskog Tunnel and consisted of design, execution and evaluation of a grouting campaign for 100 m of tunnel. The field test was part of the normal construction of the tunnel. This paper describes how the design of the grouting was coupled with the actual grouting procedure. A preliminary investigation of the tunnel showed that the location where this field test was conducted had a large fracture zone. A drill-core was taken in this zone and hydraulic tests were performed. From the evaluation of the rock core a fracture aperture distribution was assessed and the grouting design was focused on this part of the tunnel. The evaluation showed that apertures down to 14 μm needed to be sealed to cope with stipulations set for leakage into the tunnel (2 l/min and 100 m of tunnel). A design was made based on silica sol, where a critical penetration length was decided and the layout of the grouting fan could be determined. A new design was chosen, with a specific pumping time of 30 min at a grouting pressure of 1.1 MPa. The design worked well and the water ingress was reduced. A drip characterisation in both tunnel tubes was made. One tube was grouted with silica sol and the other with cement following a more traditional approach. The drips were both larger and more frequent in the cement-grouted tube than in the silica sol-grouted tunnel. Eight out of nine fans grouted with silica sol showed a significant sealing effect. For one fan the design was not followed. Instead, the workers used the more traditional method, i.e. only pumping until the design pressure was reached, which produced a poor result. This paper demonstrates the efficiency of design methodology that takes into account the hydraulic apertures and that the required minimum penetration length can be coupled to the apertures when formulating the grouting criteria.     

地震作用下坠落式危岩稳定性分析

构建了地震作用下厚层水平岩体中坠落式危岩块体的震动模型,并基于结构动力学和断裂力学,分别建立了危岩块体水平震动和竖向震动时危岩块体的位移、加速度与惯性力和主控结构面联合应力强度因子的计算方法。从能量的角度出发,获得了危岩块震动过程中危岩主控结构面扩展长度的计算方法,提出了危岩主控结构面的扩展判据,进而建立了考虑地震震动效应的危岩稳定系数计算方法。通过算例分析发现,危岩主控结构面对危岩体震动加速度的影响较大,考虑危岩主控结构面后危岩体的加速度峰值增加了55.56%;此外,将地震荷载视为动荷载,考虑了主控结构面在震动过程中的扩展长度的危岩稳定系数计算方法较传统的拟静力法更加安全,该方法可为地震区厚层水平岩体中坠落式危岩的防治工程设计提供理论依据。     

灰岩角砾岩破碎带涌水综合注浆治理

灰岩角砾岩破碎带涌水是岩溶隧道建设中经常遇到的地质灾害,由于破碎带围岩稳定性较差且具有较强的不均一性,与一般的裂隙岩体涌水相比,其治理难度较大。针对中梁山隧道角砾岩破碎带高压大流量涌水,进行涌水地质分析和含水区域的瞬变电磁探测,对地下水的来源和通道进行深入分析,在此基础上提出并实施先分流泄压后浅层加固、上下分区治理、深部帷幕和堵排结合的综合治理方案,通过选择适当的注浆材料和配套工艺,取得较好的治理效果。为避免注浆压力可能造成的破碎围岩变形和失稳,在注浆过程中进行围岩变形和涌水量的动态监测,结合注浆过程深入分析其变化规律,较好地解决注浆过程中的围岩稳定性控制难题,实现涌水治理的信息化施工。     

围压对破裂岩体注浆加固效果影响分析

破裂岩体注浆加固技术广泛应用于土木工程各个建设领域。室内试验研究是推动理论研究的主要手段,在注浆加固理论研究过程中,常规的室内注浆试验难以考虑地应力的影响,本文采用自行设计加工的、能够实现垂向和水平向不同加压水平的注浆系统进行了多项承压条件下破裂岩体注浆加固试验,该试验方法更加贴近真实的破裂岩体应力状态,并通过KH-3000数字式三维视频显微镜对注浆固结体进行了分析,试验结果表明,这项注浆加固技术具有重要的推广价值。     

多级加载下岩石裂隙渗流分段特性试验研究

利用自行研制的岩石裂隙辐射型渗流系统,试验研究室温下粗晶大理岩、中砂岩、灰岩和细晶大理岩4个岩石张裂隙在法向闭合过程中的渗流分段特性及加载历史的影响。根据闭合裂隙的接触状态及流域分布特征,裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流3个阶段;单位水头流量与法向应力呈指数函数关系,随法向应力增加而降低,后次加载中相同法向应力下单位水头流量明显较低;单位水头流量与力学隙宽呈幂函数关系,幂指数范围为1.93～2.60,可认为接触型粗糙岩石裂隙渗流量与力学隙宽呈次立方关系;后次加载时,相同力学隙宽下单位水头流量也明显较低;水力等效隙宽与力学隙宽呈分段的线性关系,修正的立方定律在相应分段内成立。研究结果对岩体裂隙渗流计算有一定的理论意义。     

裂隙岩体渗流–断裂耦合机制及应用

将断裂力学引入裂隙岩体流固耦合分析,建立裂隙岩体渗流–断裂耦合机制,在 FLAC ^3D 现有计算模块的基础上,通过 FISH 研制了裂隙岩体渗流–断裂耦合分析程序。该模型的耦合机制体现在：渗透水力梯度作为渗透体积力作用于应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩体裂纹的劈裂扩展;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加导致渗流场的改变。将渗流 – 断裂耦合理论应用于高水头不衬砌压力隧洞工程中,系统地研究高水头不衬砌压力隧洞在运行期间的水力劈裂、渗流场和内水外渗渗漏情况,得到：①处于水力劈裂的高水头压力隧洞周边向外延伸依次为拉剪劈裂区、压剪劈裂区、未劈裂区;②由于渗流体积力作用,高水头压力隧洞内水外渗过程中洞周产生径向向外变形;③高水头压力隧洞内水外渗过程中渗漏率先增加后平稳减少最终稳定。首次提出陡倾地表下不衬砌压力隧洞与裂纹几何特性、力学特性和岩石断裂韧度高度相关的水力劈裂系数的概念 。 建议在水工隧洞设计规范中建立与水力劈裂系数相匹配的安全控制标准,可为我国不衬砌压力隧洞工程的设计提供理论基础。     

单裂隙水流对岩体裂隙法向刚度的影响研究

岩体边坡工程与地下工程稳定性主要依赖岩体中的节理、裂隙、软弱夹层等结构面的力学性态。基于岩体低渗透性与结构面导水性,采用广义双重介质模型,对孔隙空间建立非饱和渗流HM耦合方程。对饱水/干燥裂隙空间建立裂隙受压体积变化的HM耦合方程。通过考虑孔隙和裂隙界面处压力连续,实现两处模型在应力边界上的耦合。对开口裂隙、封闭裂隙、半开半闭裂隙岩体的非饱和渗流过程进行了数值模拟计算。由计算结果得知:裂隙的闭合程度影响裂隙水向孔隙消散,从而影响裂隙刚度;在正应力作用下,裂隙受压逐渐分段闭合,由于裂隙的不同位置具有不同的刚度特征,整条裂隙不具同步性,甚至由于裂隙面性质不同,刚度变化甚至出现反复性。     

复采工作面过冒顶区顶板断裂特征及控制研究

 针对复采工作面过冒顶区时工作面易发生煤壁滑帮、端面冒漏以及顶板来压强度大等特点,以晋煤集团圣华煤业3101复采工作面为工程背景,运用相似模拟对复采工作面过冒顶区时顶板破断特征、支承压力分布特征以及支架受力状态进行研究,依据相似模拟结果建立复采采场力学模型,推导液压支架支护强度的计算公式,提出复采工作面过冒顶区时的围岩控制技术。研究结果表明：(1) 工作面过冒顶区时采场顶板易形成大厚度、长跨距的超前大断裂;(2) 冒顶区弱化了顶板岩梁的应力传递,加剧了支承压力的荷重集度;(3) 液压支架受顶板超前大断裂的影响,支架工作阻力在通过冒顶区前呈突变性增加,模拟结果支架支护阻力最大值为16 200 kN,理论计算支架支护阻力为16 110.5 kN;(4) 复采工作面在通过冒顶区前必须对冒顶区进行注浆充填,同时给出支架工作阻力随充填体强度变化的关系式,为复采采场顶板控制提供理论依据。