软弱土质劈裂注浆扩散机制

文章参照土体应力场与浆液流场的耦合作用,基于注浆劈裂扩散集约模型,对水利施工软弱土质劈裂注浆的扩散机制展开专题研究,分析获得注浆劈裂扩散的一般规律和重点技术参数,为水利软弱土质劈裂注浆施工应用提供研究参考,同时也探索出了可有效确定加固半径与注浆参数的策略。     

考虑参数动态变化和相互关联的浆液扩散范围研究

土体注浆加固与防渗施工引起的浆液扩散过程,涉及固体骨架应力应变、浆液的渗流场分布以及浆液浓度垂直于扩散方向的分布梯度等问题。基于多孔介质渗流场和应力场的耦合作用,考虑注浆浆液参数的粘时变特性,以及注浆过程中多孔介质的密度、孔隙率、渗透率等物性参数的动态变化,分析注浆过程中的土体物性参数相互关联性和动态变化过程,给出了浆液时变和多孔介质参数动态变化的渗流场与应力场耦合的注浆扩散的模拟实现过程。采用有限单元法对均质土体进行流固耦合作用下注浆扩散范围的数值模拟,得到了黏度时变和黏度不变条件下的球形扩散半径和柱面扩散半径范围。与经典注浆扩散理论对比分析可知,考虑浆液时变特性、土性参数的动态变化和相互关联的流固耦合作用模拟可以很好地分析土体中浆液扩散范围。     

劈裂注浆扩散半径及压力衰减分析

本文假设浆液在裂缝中的流动符合达西定律，劈裂注浆在土体中形成的裂缝宽度为均匀裂缝宽度，推导出劈裂注浆的注浆压力沿裂缝长度的衰减规律以及裂缝在土体中的扩散规律，并用数值分析的结果证明了这些规律的可靠性。随后分析了多孔注浆时的相互影响，得出最优注浆孔数量及其布置方式，同时推导出多孔同时注浆时各个主流线上注浆压力的大小以及此时的浆液扩散半径。     

幂律型流体劈裂注浆机理研究

劈裂注浆技术已广泛应用于各种地下工程之中,但其理论研究远落后于工程实践。为了明确幂律型流体劈裂注浆机理,基于平板裂缝模型及幂律型流变方程,推导出幂律型流体劈裂注浆最大扩散半径计算公式,并分析其适用范围及参数确定方法,最后通过现场注浆试验对其进行验证。结果表明:① 劈裂注浆最大扩散半径与起裂注浆压力、浆液锋前压力、裂缝劈裂宽度、黏度系数、浆液平均流动速率及流变指数等有关;②通过分析浆液最大扩散半径与注浆压力差之间的关系,发现注浆压力差越大,浆液最大扩散半径越大;同时,根据裂缝宽度与浆液压力差的关系,可知裂缝宽度越大,所需要的注浆压力差越小;③根据工程试验结果,得到幂律型流体劈裂注浆最大扩散半径理论计算值与实际测量值之间的误差,验证了幂律型流体劈裂注浆最大扩散半径计算公式的正确性与可行性。研究成果可为同类型注浆工程提供一定的理论支撑与技术支持。     

高聚物锚固体与土体黏结特征试验与数值模拟

针对高聚物锚固体与土体相互作用机理认识不足、黏结强度参数不完善的问题,采用中心拉拔的大比尺模型试验,测试了低密度(0.11~0.13 g/cm~3)高聚物锚固体与土体间的黏结特性,获得了锚杆加载端的荷载-位移曲线以及锚杆轴力、界面黏结力的分布规律,得出了低密度高聚物锚固体与不同状态土体的黏结强度值;从细观力学角度出发,采用颗粒流软件(PFC2d),建立了锚杆杆体-高聚物锚固体-土体的三相锚固体系数值模型,对拉拔荷载作用下高聚物锚固机理进行分析,通过和模型试验结果的对比,验证了数值模型的合理性,并重点探讨了土体应力和孔隙率的变化规律。试验结果为高聚物锚固注浆设计及应用提供了参数依据,颗粒流模型为高聚物锚固机理的细观尺度研究提供了一种可行的手段。     

堤坝高聚物定向劈裂注浆试验与有限元模拟

利用自制的定向劈裂钻具,在土坝轴线方向布置若干定向劈裂孔,注入高聚物浆液,进行定向劈裂试验,结果显示:高聚物浆液能够沿预制裂缝扩散并劈裂土体,相互搭接形成2~3 cm厚的超薄防渗墙,墙体与周围土体结合紧密,形成复合防渗体系;采用黏结单元法对高聚物定向劈裂注浆进行数值模拟,计算得出的裂缝扩展长度和宽度与试验结果相近,为堤坝高聚物定向劈裂注浆方案的设计提出了一种有效方法。     

复合膏浆渗透扩散的二维离散元模拟分析

针对现有注浆理论难以对岩土体中的浆液在空隙及裂隙通道网络中的真实扩散规律进行准确描述的问题,本文从连续性方程的角度出发,运用二维颗粒流程序(PFC2D)建立数值模型,模拟研究注浆压力、注浆时间及砂卵石层渗透系数对复合膏浆在砂卵石层渗透扩散过程中的扩散半径的影响,总结规律并利用非线性拟合得出各因素与复合膏浆渗透扩散半径间的关系式。结合现场注水试验及开挖结果,得到与模拟基本一致的结果,所得成果可为工程施工提供一定的理论支撑和指导。     

水泥水玻璃注浆加固黄土隧道富水软弱段试验研究

针对黄土隧道富水软弱段围岩强度低、自稳能力差,极易发生地质灾害的现状,在室内测定了水泥-水玻璃浆液不同配比下的凝结时间以及注浆加固时影响土体无侧限抗压强度因素的基础上,通过现场模拟试验,对水泥-水玻璃浆液配比、注浆压力、浆液扩散半径等技术参数和注浆加固后复合土体的强度进行了研究。结果表明:水灰比取1∶1、水玻璃浓度取30~35°Be'及水泥水玻璃体积比取1∶1制备的浆液凝胶时间较为合理;当土体含水率为20%、密度1. 8 g/cm3、水玻璃浓度35°Be'及浆液掺入比为15%时,其无侧限抗压强度最大;现场模拟试验表明:注浆压力在0. 4~1. 0 MPa时,浆液的扩散半径为0. 4~0. 9 m,加固后土体的力学性能有了较大的改善,其极限荷载为300 k Pa,变形模量为21. 48 MPa。     

颗粒流模型中细观参数对粗粒土宏观力学特性的影响分析

为研究黏结材料中哪些细观参数是材料力学特性宏观反应的主要影响参数,基于离散元颗粒流理论,以PFC2D为工具,自编程序,以粗粒土为黏结材料作为研究对象,以室内三轴固结排水试验作为基础,通过数值试验模拟三轴室内试验结果,并分析材料中颗粒半径大小、摩擦系数、黏结剂强度对材料宏观力学特性的影响程度。结果表明:用PFC2D模拟三轴试验,模拟结果不能精确吻合试验室内的结果;颗粒半径参数与土体强度的关系为二次函数;摩擦系数直接影响土体的摩擦角的大小,且材料摩擦角在摩擦系数较小时的影响敏感性较强;黏结剂强度直接影响材料的抗剪强度,且抗剪强度与CBSR黏结剂强度化黏呈正线性相关。在黏结剂强度取值在一定范围内,试样压缩裂隙数量随着黏结剂强度的增大而增大。     

自膨胀高聚物在土体中扩散机理研究

高聚物注浆材料已被广泛应用于土质堤坝防渗加固中,但对其在土体中的扩散机理仍然缺乏深入的认识。通过钻孔内注浆的方式进行了模型试验和现场试验,深入研究了高聚物注浆材料在土体中的扩散规律。试验结果表明:高聚物注浆材料在土体中会沿垂直于注浆孔侧壁的方向进行片状劈裂扩散,并对浆液周围的土体有挤密和渗透胶结的作用;高聚物的扩散面积随着注浆量的增加而增加,随着土体密度的增大而减小。     

不同渗透系数的非均质黏土劈裂注浆数值模拟

针对地下工程中软弱黏土地层病害治理问题,考虑黏土材料的非均质性与低渗透性,对黏土进行劈裂注浆加固特性分析。基于Weibull分布函数理论构建非均质黏土地层模型,对黏土进行劈裂注浆加固模拟;基于注浆模拟计算结果,分析不同均质度与渗透系数对黏土劈裂注浆效果的影响。结果表明:土体劈裂注浆难度随均质度的增大而增加,均质度较高土体劈裂后产生的裂缝较为单一,裂缝分布范围较小;均质度较低土体劈裂产生的裂缝宽度较大,裂缝影响范围更广。浆脉扩展的长度及增长幅度随土体渗透系数的增大而减小,高渗透系数土体的劈裂浆脉宽度要大于低渗透系数的土体,渗透系数较小土体的浆脉长度始终比较大,浆脉距注浆孔越远,其宽度越小。研究可为软弱黏土地层劈裂注浆的工程应用提供指导。     

复合注浆法加固桩基础作用机理研究

简要说明了复合注浆法的定义与特点,重点对复合注浆法加固桩基础的作用机理进行深入分析,可知一是浆液对土体的喷射破坏作用及浆液与土的搅拌置换固结作用形成一定直径的旋喷桩,二是渗透、劈裂、挤密作用扩大浆液扩散范围,对成桩以外的土体进行有效的加固,从而达到更佳的加固效果;也使工程技术人员理解复合注浆法能充分发挥两种注浆方法的优点,克服各自的技术和工艺缺陷,使桩基础加固的成功率得到提高,对相关工程设计及施工提供借鉴。     

千米立井动水注浆特性研究

壁后注浆是治理煤矿立井突水最行之有效的手段,而注浆的最主要对象就是壁后岩层中的裂隙,为研究岩层裂隙中浆液的扩散规律,根据牛顿摩擦阻力定律及力的平衡定律推导出裂隙动水注浆模型。分析研究了水流对浆液扩散的影响,分别得出了顺水流方向与逆水方向浆液的扩散模型,通过模型得知顺水水流有利于提高注浆效果,逆水水流对浆液扩散半径的影响程度比顺水水流大,得出不同水流方向条件下浆液的扩散半径与注浆压力之间的关系及扩散半径与注浆时间的关系。     

砂砾石土渗透注浆浆液扩散规律及扩散半径影响因素试验研究

注浆技术在砂砾石土等水利工程的建设中发挥着越来越重要的作用,但是注浆技术存在理论研究滞后于工程实践需要的现象,需要对浆液扩散规律及浆液扩散半径等进行研究。通过设计试验,将拌合水泥浆用的自来水加热并插入温度传感器的方法,来探测水泥浆液在砂砾石层中的扩散过程;并通过正交试验,分析孔隙比e、水灰比m、灌浆压力p等各因素对扩散半径的影响。试验结果表明,浆液扩散过程中其时间t与扩散半径R呈较好的三次函数关系,这与Magg公式基本一致;而在水泥浆液的扩散半径方面,相对于孔隙比和灌浆压力,水灰比起着更显著的影响。本试验工作为砂砾石土灌浆技术提供了有益探索。     

基于非均质地层模型的桩基注浆数值模拟

桩周后注浆技术是提高桩基承载力的重要措施。结合某工程勘察获得的场地土层物理参数,基于随机分形方法,运用Diamond-Square算法构建随机非均质地层模型;考虑桩基周围注浆过程中土层孔隙率、渗透率以及其他参数的动态变化过程,结合流体运动方程进行数值模拟。分析注浆过程中桩基周围土层物理参数的实时动态变化,获得浆液扩散及结石体的不规则分布情况;注浆后桩侧和桩端周围土体、结石体力学特性显著改善,桩周注浆加固效果明显。基于非均质地层模型开展注浆数值模拟计算,可以指导和评价桩周注浆加固过程。     

砂砾石土灌浆浆液扩散半径试验研究

砂砾石层灌浆施工中,水泥浆液的扩散半径决定着灌浆孔的布置和浆液消耗量,也是选择工艺参数、评价灌浆效果的重要依据,因此,水泥浆液的扩散半径是灌浆施工中非常重要的参数。通过设计正交试验,对影响水泥浆液扩散半径的几个因素(水灰比、孔隙比、灌浆压力)进行了试验研究。试验结果表明:水灰比是影响水泥浆液扩散半径最显著的因素,水泥浆液的水灰比越大,浆液中的多余水分越多,对水泥浆液流动性能的改善越显著。     

速凝浆液岩体倾斜裂隙注浆扩散模型研究

针对以往渗透注浆扩散模型常以水平平板裂隙面为前提,未考虑岩体裂隙面产状对注浆扩散机制的影响问题,选取工程地质灾害处理中常用的水泥-水玻璃双浆液(C-S浆液)为速凝类注浆材料,将C-S浆液流型看成是具有黏度时变性的宾汉流体进行分析。基于流体力学理论及粗糙裂隙等效水力开度的确定方法,同时考虑了浆液自重作用的影响,建立了恒速率注浆条件下反映浆液黏度时空变化的倾斜裂隙注浆扩散模型。在此基础上,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,定量确定了注浆压力与注浆时间及浆液扩散距离的关系。最后,借助于室内试验和有限元分析程序,研究了恒速率注浆时不同裂隙面产状下的浆液扩散规律,并将数值模拟结果与理论计算值进行对比,进一步验证了所建立的注浆扩散模型的有效性和合理性。研究成果可为注浆工程速凝类浆液注浆参数的确定提供借鉴。     

均匀粗砂层中灌浆机理细观数值 模拟研究

基于流固耦合的原理，采用二维颗粒流方法对均匀粗砂层灌浆过程进行了数值模拟分析。从细观角度探讨了粗砂层灌浆过程的特点，根据灌浆过程中颗粒接触力变化及浆液扩散规律将灌浆过程划分为三个阶段，重点研究了灌浆过程中孔隙率的变化规律以及灌浆压力、灌浆时间对灌浆效果的影响。研究结果表明，基于流固耦合的颗粒流方法能很好地模拟均匀粗砂层的浆液扩散过程。