围岩性质对于注浆压力变化规律及浆液扩散模式的影响研究

采用注浆模拟试验及理论分析研究了围岩性质对于注浆压力变化规律及浆液扩散模式的影响。试验采用在注浆模型架内分区充填不同孔隙比土体的方法模拟被注围岩显著的向异性及非均质性;采用多个注浆管依次注浆的方法模拟实际注浆工程中的不同注浆施工阶段。通过开挖揭露浆脉(浆泡)特征研究围岩性质对于浆液扩散形式的影响;通过分析注浆过程中注浆压力数据研究围岩性质对于注浆压力的影响;通过对注浆前后围岩试样进行室内试验测试,获取注浆对于围岩孔隙比及压缩系数的影响规律。研究结果证实:注浆压力变化规律及浆液扩散模式与围岩性质密切相关,通过分析注浆压力变化规律与浆液扩散模式可判定围岩性质,从而为注浆施工过程中的注浆参数动态调整提供依据。相关研究结论在永莲隧道帷幕注浆工程中进行了现场试验,进一步验证了其正确性。     

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。     

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...     

砂性地层注浆浆液扩散特性

对南京地区河砂采用筛孔分别为5,2,0.5,0.2 mm 的筛网筛分后,分为不同粒径的砂土,以渗透系数为控制指标,根据试验需要对所用河砂进行配比,模拟出4种砂砾土层。通过对自行研制的一种渗透注浆装置进行室内模拟注浆试验,研究了4种不同颗粒级配的砂样在不同注浆量、水灰比、注浆压力等影响因素下浆液的扩散特性,并在此基础上进行多元线性回归分析。结果表明:浆液扩散半径主要影响因素的主次顺序为注浆压力、渗透系数、水灰比; 注浆量主要影响因素的顺序为注浆压力、渗透系数、水灰比; 结核体强度主要影响因素的顺序为水灰比、渗透系数、注浆压力; 结合试验结果拟合得到了浆液扩散半径、注浆量、结核体强度与渗透系数、浆液水灰比、注浆压力之间的定量关系式; 砂性地层中的浆液扩散半径存在有效半径,为初始半径的75%～80%; 对于在砂性地层中的浆液扩散行为,具有多种浆液扩散模式并存的可能; 所得结论可供类似工程借鉴与参考。     

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。     

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。     

基于宾汉体浆液的黄土可控劈裂注浆研究

浆脉在土体的分布在很大程度上影响注浆效果,为了在黄土中实现浆脉可控劈裂注浆,采用平板窄缝模型推导了宾汉体浆液在黄土中的扩散理论,得出扩散半径与注浆压力差、裂缝参数、浆液性质等参数有关。以此为出发点,设计现场注浆试验,结果表明:通过控制注浆参数和施工过程可基本实现浆脉尺寸、间距等与设计值偏差在±40%以内;浆液压力较低时在黄土中主要以挤压作用为主,挤压扩散半径约为注浆管直径的1.2~2倍,压力较高时以劈裂为主;试验最终形成的复合地基桩芯结实体在深度越浅处强度越低,实际注浆中应考虑提高地表处结实体强度,为实际注浆工程中注浆参数的设计提供一定参考。     

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。     

某岩溶隧洞围岩双液注浆加固技术研究

突水突泥是隧道施工过程中常遇到的地质灾害,给工程施工造成的危害性极大。为了能够有效处理岩溶突泥给工程带来的不利影响,本文以某岩溶排水隧洞充泥溶洞、溶沟注浆加固工程为背景,研究了双液注浆加固岩溶隧洞围岩的机理。在详细勘查分析隧洞岩溶地质条件的基础上,通过现场注浆试验,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工艺进行了研究。表明:①需要通过对于不同岩溶发育条件、不同注浆序次,需要有针对性地选择双液注浆的浆液配比和注浆压力;②采用水泥-水玻璃双液注浆方法加固岩溶隧洞中的淤泥质粘土可以取得较好的效果。③地表注浆为岩溶隧洞掘进提供了一定的安全储备,但在掘进过程中对已查明的溶洞、溶沟区段需要做好围岩超前支护措施。     

富水粉细砂地层注浆三维颗粒流数值模拟分析

对于富水粉细砂层,由于其具有渗透系数小、浆液难以渗入的特殊工程性质,注浆效果往往达不到预计的要求是土木工程界的一大难题,因此对该地层的注浆研究具有重要意义。以北京地铁10号线劲松站—潘家园站区间隧道施工过程中所遇到的富水粉细砂土层为研究对象,通过基于离散元理论的数值模拟软件PFC3D从微观上模拟注浆,总结在不同注浆压力下浆液的扩散规律和孔隙率的变化情况,并将模拟结果和实际工程情况进行对比,从而确定最佳的注浆压力。工程实际注浆情况和模拟结果均表明,当注浆压力不足时,浆液首先表现为渗透注浆,形成不规则的浆泡并对土体产生挤密作用;当注浆压力达到启裂压力,则表现为劈裂注浆,形成脉状、斑状、星点状结石体,结石体和土体形成的复合土体使土层的性质得到明显增强,达到注浆预计的效果。     

边坡层状岩体中的锚管注浆试验及研究

从岩体注浆的实际情况出发,通过注浆实验得出在注浆中不同注浆压力作用下,其与浆液注入率的变化关系,同时也考虑到岩体裂隙中的充填介质对浆液扩散范围的影响,这样不仅为后续注浆施工提供依据,还在理论上对注浆理论作了进一步的探讨。     

海底沉管隧道基础注浆扩散规律的试验研究

基础注浆的扩散规律是注浆基础沉管隧道注浆孔设计的重要依据。通过对舟山沈家门海底隧道注浆基础模型试验研究,分别记录了单孔注浆和双孔注浆模式下随注浆试验时间进程的浆液扩散距离和注浆量,分析了注浆浆液扩散距离与时间的关系以及注浆量与时间的关系,总结了注浆扩散的规律。试验结果表明,本文所选用注浆材料和注浆设备在较低注浆压力条件下,扩散半径可达600cm,确保隧道基底空间密实充填,并对注浆孔布置间距提出了建议。其对类似注浆基础沉管隧道工程的注浆扩散半径确定具有借鉴价值。     

富水破碎岩体帷幕注浆模型试验研究

利用自主研制的三维注浆模型试验系统,开展富水破碎岩体多孔分序帷幕注浆试验,获得注浆扰动下岩体多物理场演化规律:1被注岩体总压力及孔隙水压力变化强烈,历经急剧增长—峰值波动—渐进衰减—趋于稳定的变化阶段;2破碎岩体内部,浆液在隧洞拱顶和拱底位置发生优势劈裂扩散,同时引起洞周收敛位移;3注浆作用下破碎岩体压缩释水导致渗透性能显著降低,表现为分序注浆试验中超孔隙水压力激发程度逐次大幅提高。帷幕注浆试验结束后,揭露、分析了加固体内部特征,研究破碎岩体加固范围非均匀变化规律,归纳总结松散破碎岩体及泥质软弱岩体对应的渗透–劈裂型及微劈裂型两类注浆加固模式,揭示了劈裂浆脉形成的多重注浆叠加机制。基于以上研究工作,利用扫描电子显微镜(SEM)分析固结岩体微观特征,研究表明浆脉–黏土界面具有三维结构,可划分为渗透型和微劈裂型两种类型,网络状微型浆脉的锚固作用增大了界面粗糙度和强度;界面靠近黏土一侧发育损伤裂纹,推测为固结岩体物理力学条件突变位置,为加固岩体潜在破坏环节。研究成果补充和完善了室内注浆模拟试验方法,探索了多孔分序帷幕注浆试验中浆液扩散规律及注浆加固机理,为类似地质环境下岩体注浆提供了理论支撑与技术指导。     

劈裂灌浆扩散机理研究

劈裂灌浆在实际工程中应用相当广泛。由于影响浆液扩散的因素众多,劈裂灌浆扩散机理尚不明确,尤其是不同给压方式(稳压和脉动)对浆液扩散的影响研究很少,对这两种方式下的劈裂灌浆机理进行了探讨。对于稳压灌浆方式,基于水力劈裂缝的扩展形态来考虑浆液的运动,视劈裂注浆扩散形态为平面辐射椭圆,采用恒缝高矩形断面模型,推导出宾汉流体的劈裂灌浆扩散方程,并分析了灌浆压力、浆材黏度、土体弹性模数、劈裂通道宽度对浆液扩散范围的影响。对于脉动灌浆方式,由于施加给受灌体荷载的延滞效应和脉动叠加作用,多次脉动灌入的浆液会使劈裂通道宽度逐渐增大,采用扁球体的劈裂灌浆模型,推导出脉动方式时的浆液扩散方程,分析了脉动灌浆频率等与浆液扩散距离的相互关系;结果表明,浆液的扩散距离与脉动频率的关系曲线存在一个极小值,发生在脉动频率为10 min次时,这一参数可作为脉动灌浆方式的控制参数。最后将前人的稳压灌浆模型与本文的脉动模型与相互比较,研究两种灌浆方式劈裂扩散机理的差异,得到脉动灌浆时浆液扩散距离要远短于稳压方式的,表明通过采用脉动灌浆,调节相关参数能有效控制浆材扩散范围,相关规律可为工程实际提供理论依据。     

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。     

巷道围岩裂隙演化规律及渗流灾害控制

 地下水渗流导致巷道掘进工作面突水或成巷段支护失效的灾害在煤矿时有发生。基于泥岩全应力–应变加载过程的渗透特性试验研究,分析掘巷影响区不同时空条件下巷道岩体裂隙的渐次发育过程,揭示巷道围岩渗透特性的动态演化规律以及轴向、径向和环向3个方向的渗流特征。该规律对注浆孔深、间排距、注浆时机等控制渗流灾害的注浆参数设计具有明确的指导作用。进一步分析防止渗流泥化灾害的最佳注浆时机和合理注浆孔布置等渗流灾害控制关键参数,提出控制泥质巷道围岩防止渗流灾害的注浆稳定技术。该技术可用于指导渗水威胁条件下的巷道围岩施工,实现减缓或消除渗流灾变。在一穿断层导通砂岩含水层的煤矿开拓巷道工程中应用该技术,有效地控制了渗流灾害。     

基于离散元法的砂土注浆扩散机理研究

采用离散元法研究注浆过程中浆液与砂土颗粒之间的宏观和微观相互作用机理。通过压实粒径大小不同的颗粒来制备砂土试样。分析了在不同的灌浆速度下,浆液的扩散方式,扩散范围和土壤强度的变化,以及注浆压力突增的原因。数值结果表明,随着泥浆颗粒的不断注入,扩散速度逐渐减慢,土壤强度不断提高。随着灌浆速度的降低,泥浆的扩散范围增加。灌浆压力激增的时刻与注入边界与砂粒的接触时间完全吻合,这解释了灌浆压力突然升高的原因。此外,揭示了实际工程中由于砂粒倒灌入注浆管而引起的注浆管堵塞的机理。     

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。