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。     

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。     

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。     

深部巷道破碎围岩注浆加固效果综合评价

为了研究深部巷道破碎围岩注浆加固效果,以山西某矿2301巷道作为试验巷道,采用P-Q-t参数法、浆液填充率法、岩体力学参数法、分段注水法、钻孔电视法、物探法对破碎围岩注浆加固效果进行综合评价,并对锚杆、锚索预紧力进行测试和巷道变形进行监测。研究结果表明:P-Q-t参数法以定压与定量作为注浆结束依据,注浆压力达到预设压力,且注浆速度小于5 L/min的时间持续一定时间,则结束注浆。注浆后地层注浆填充率为93.2%,岩层整体性得到提高且孔隙率降低了39.35%,地层注水量明显减少,裂隙发育度降低;注浆后,钻孔裂隙被白色浆液填充,围岩完整性得到提高,条纹消失,地层成为连续的整体;锚杆、锚索,预紧力均达到150 kN,巷道变形量较小,满足了工作面回采的要求。     

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。     

盾构隧道管片注浆幂律流型浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以幂律流型浆液为研究对象,运用流体力学理论及毛细管组理论,推导了盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的理论计算式,分析了其公式的适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆压力、浆液性质(水灰比)、地层条件(地下水压力和地层渗透系数)等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:注浆压力与浆液扩散半径成线性关系;注浆压力、水灰比及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大;地下水压力增大,浆液扩散半径减小;注浆压力、水灰比、地层渗透系数增大,浆液对管片的总压力增加;地下水压力的变化不会影响管片所受的总压力。     

采动过程金属矿山空区覆岩材料细观破裂特征

采空区覆岩材料的破裂与其应力变化关系密切,采用仿真试验方法,研究了在开采过程中金属矿山采空区覆岩材料在拉应力和剪应力作用下细观破裂特征。声发射是覆岩材料受外力作用发生破裂时释放的能量,其出现的位置和能量的大小间接反映了覆岩材料发生破裂的位置和严重程度。岩石材料发生破裂的主要原因是拉应力和剪应力,剪应力主要集中在采空区四周边角区域,拉应力主要集中在采空区顶板区域。剪应力和拉应力对覆岩材料的细观破裂都造成影响;最大剪应力值为11.4 MPa远比最大拉应力值7.77 MPa大,但拉应力的破坏效果更显著。剪应力是造成覆岩塑性破坏的重要因素,拉应力是覆岩垮落的主导因素。研究结果可为金属矿山安全开采提供一定参考依据。     

砂卵(砾)石层中注浆模拟试验研究

通过在模拟的砂卵(砾)石层中进行注浆试验,研究分析注浆压力p、注浆时间t、浆液水灰比m、地层渗透系数k、孔隙度n的单因素和多因素对浆液扩散半径R、注浆后结石体抗压强度P的影响规律及它们之间的相互关系。试验结果表明:R随着p、t、k、m的增加而增大,影响R的显著因素是p,其次是k,t和m;P随着p、t、n的增加而增大,随着m的减小而增加,p对注浆后P有较大的影响,n、t次之,而m则占有明显的优势。利用计算机优化回归实验数据,得出了它们之间的关系式。     

圆砾卵石层的浅埋水底地表注浆试验与分析

本文论述了水底隧道穿越浅埋富水的河漫滩圆砾、卵石层时,采用地表注浆法对圆砾、卵石层进行注浆加固试验的设计与施工,并对圆砾、卵石层注浆加固后岩体进行取芯和压水试验,得到不同配合比下的浆液初凝时间及该地层条件下的注浆量、注浆压力、注浆速度及扩散半径等注浆参数。本工程的圆砾、卵石地层具有孔隙率大、孔隙具有贯穿性、孔隙水与江水具有连通性等特点,因此,根据孔位和注浆序列分别采用定压注浆和定量注浆作为对单孔停止注浆的依据。本文研究成果对本工程的设计和工程施工提供重要依据,对相似工程提供重要参考。     

基于流体时变性的隧道劈裂注浆机理研究

水泥复合浆液流变参数的时变性对注浆扩散范围计算值影响很大。基于宾汉体流变方程和平板裂缝理想平面流模型,推导了考虑流体时变性的土体劈裂注浆扩散半径计算公式。由公式可知,土体劈裂压力、裂隙宽度、浆液流速、流变参数的时变性是影响扩散半径的重要因素。计算分析了劈裂注浆过程中劈裂压力随缝隙宽度的变化以及流变参数对扩散半径的影响规律。结果表明,忽略流体时变性注浆扩散半径计算值明显偏大,会给注浆工程设计带来隐患。结合厦门机场路隧道全风化花岗岩地层注浆试验,发现水泥复合浆液劈裂注浆加固效果良好,扩散半径理论计算值基本符合工程实际;研究成果对风化花岗岩地层劈裂注浆的设计和施工具有一定的指导意义。     

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。     

Control of rock jacking considering spread of grout and grouting pressure

This paper describes a theoretical approach for monitoring fracture dilatancy (or “jacking”) during grouting. From this, a methodology to optimize the grout pumping pressure has been developed, based on the required penetration length (i.e. the distance that the grout spreads from the grout hole into the network of fractures within the rock mass). Empirical rules are put forward to prevent the damage that may result from uncontrolled deformation (Jacking) of the fractures, by limiting either pumping pressure or the injected grout volume, or by a combination of both. The state of the fractures and the spread of the grout when these limits are reached are discussed. The theoretical approach, which is referred to here as the Real Time Grouting Control Method, enables the estimation of grout penetration length or “spread” in real time. This gives an opportunity to monitor fracture dilation as it happens and, for the purpose of this paper, the allowable limits of elastic deformation and jacking have been estimated based on the grout spread. Two case histories are analyzed, for which the physical reaction of the fracture deformation with time and grout spread are determined from the recorded pressure and flow. By comparing the observed physical reaction with the theories for jacking presented here, the Real Time Grouting Control Method has been validated, and it is shown that this theoretical approach is superior to commonly used empirical methods, in that it allows the optimization of the pumping pressure to achieve a given penetration length in the shortest time and with an acceptable fracture dilatancy. This approach is a major step forward in customizing grouting works.     

注浆模拟试验及其应用的研究

本文介绍了一种实验室注浆模拟试验新技术。通过注浆模拟试验，分析了被注浆介质的结构特征、浆液水灰比及其性质、注浆压力等因素对注浆量、浆液扩散半径和结石体强度的影响规律，并将模拟试验结果应用于巷道注浆工程设计与施工中。     

奥陶系灰岩顶部超前区域注浆浆液选配分析

煤矿底板注浆加固或改造广泛采用水泥基浆液,而由于注浆材料和浆液性能的差异,在注浆实践中缺少对注浆材料的合理选配及浆液类型和配比的有效调控,致使超前注浆效果难以达到预期目标。针对上述问题,以邯邢矿区奥灰顶部注浆改造为背景,通过分析奥灰顶部宏、细观发育特征,结合当地注浆所用水泥、黏土和粉煤灰等注浆材料的粒径分布特征,对注浆材料进行了合理选配;考虑水灰比、水玻璃掺量、奥灰水化学类型、固相比等因素,对水泥基浆液的物理力学性质进行了正交试验,得到了水泥基浆液物理力学性质及其主控因素。研究结果：奥陶系灰岩顶部峰峰组七段岩层富水性和渗透性大于其上部峰峰组八段,细观空隙中数量占比以闭合裂隙和微张裂隙为主,均值分别为120μm和420μm,宽张裂隙和中张裂隙在裂隙面积中占主要比例,具有较好延展性;奥灰顶部注浆改造过程中可采用水泥-粉煤灰或水泥黏土浆液进行“垫底式”充填注浆,而后采用水泥浆液对微小裂缝和闭合裂隙进行升压注浆或劈裂注浆;水泥浆液、水泥-粉煤灰浆液、水泥-黏土浆液的凝结时间主控因素均为水玻璃掺量,水泥浆液黏度的主控因素为水玻璃掺量,水泥-粉煤灰浆液和水泥-黏土浆液黏度主控因素均为水灰比,水泥浆...     

水下隧道破碎带地层注浆参数确定方法研究

对水下隧道破碎带地层注浆参数确定方法进行了分析,从注浆加固范围、注浆压力、浆液扩散半径、注浆孔终孔间距、注浆量和注浆速度各方面进行了论述和研究,从而得出了具有一定针对性的注浆参数。     

动水环境下粗糙单裂隙注浆数值模拟

动水环境下水泥浆液在裂隙中的扩散规律是裂隙注浆研究的一个重点,用有限元模拟浆液在粗糙单裂隙中扩散过程,对浆液在动水环境下影响因素进行了分析,利用裂隙走向上的曲折表征裂隙的粗糙度,建立裂隙三维模型形成独立的流域,设定注浆压力、动水流速及初始边界条件进行计算。注浆时间、注浆压力及粗糙度系数3个因素各4个水平,保持其中两个因素取值不变,另一个因素分别取4个水平值时的浆液扩散情况,得到各因素对浆液扩散距离的影响。结果表明,浆液扩散距离与时间、注浆压力呈线性关系,时间越长,浆液扩散越远;注浆压力越大,扩散越远;浆液扩散距离与节理粗糙度系数关系呈负相关关系,节理粗糙度系数越大,浆液扩散距离越小。     

长壁工作面采空区见方形成异常来压的微震监测研究

上覆岩层的断裂失稳下沉是造成工作面矿压显现的根源。采用微震监测技术对长壁工作面见方期间围岩破坏的整个过程进行监测,研究长壁工作面见方期间微震事件动态信息与岩层运动及矿压显现间的关系,揭示大能量微震事件发生和工作面围岩异常矿压的物理力学机制。同时,统计研究采场煤壁片帮和支架工作阻力的动态变化规律。微震监测与宏观矿压观测综合对比研究表明,见方期间的开采影响范围比正常开采时大,围岩释放能量也达到极大值。研究结果证实了采空区见方期间工作面将发生异常矿压,能够为见方期间冲击地压、煤与瓦斯突出和底板突水等矿井动力灾害防治提供针对性的指导。     

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。     

盾构隧道松散地层可控注浆机制及工程应用

 盾构穿越松散地层时,需事先采用开挖(钻孔)回填、压力注浆、旋喷加固等方式对地层进行预处理,以保证盾构施工安全。针对盾构掘进的要求,基于传统袖阀管注浆工艺可控的特点,结合研制的2种可控浆液(可控填料和可控水泥膏状浆液),提出一种具有操作性强、提管便利、加固范围可控以及加固体强度适宜等优点的双控注浆新方法。依据双控注浆新方法的工作原理,重点推导了可控浆液扩散方程及可控填料封孔止浆可控表达式,并定量分析可控浆液的扩散和止浆能力,最后将研究成果成功应用于越江盾构隧道松散地层注浆工程。研究成果表明：提出的可控注浆方法可行,注浆后地层连续性和整体性得到了显著提高,加固区域内检查孔取芯过程钻进平稳,回水正常,芯样完整,加固体28 d抗压强度与渗透系数均达到设计标准;理论推导虽与现场实测值存在一定误差,但能满足工程要求;结合理论推导和现场试验结果,为达到最佳注浆效果,单次注入可控填料封孔高度应综合考虑孔深与分段次数,且不宜大于15 m,径向扩散距离应小于孔排距的25%,可控填料塑性强度宜控制在0.3～0.5 MPa。