深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

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。     

浅埋矩形顶管的“整体背土效应”研究

近年来,矩形顶管在地下空间开发中的应用越来越多,国内外学者针对顶管施工对周边地层的影响、顶推力、摩阻力、减摩措施、管节结构等进行了大量研究,并取得了丰硕的成果。但针对浅埋矩形顶管对其正上方土体整体影响的研究较少。结合矩形顶管浅覆土掘进试验,分析了正上方土体的整体破坏过程,提出“整体背土效应”概念。引入4个假定,建立了正上方土体简化模型,提出整体背土效应的前提条件与破坏条件,并给出了相应的预判方法。采用管土全接触理论、库伦剪切破坏强度准则与朗肯土压力理论进行分析,最终得出整体背土效应与顶程、管节宽度、管土摩阻力以及埋深的相互关系,并进行了算例分析。为今后类似工程避免整体背土效应提供一种新的预判分析理论。     

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。     

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。     

非线性压密效应下砂土劈裂注浆机理研究

砂土中劈裂注浆是浆液与土体耦合作用的动态过程,浆液扩散具有隐蔽性、复杂性和随机性特征,劈裂注浆机理的研究目前仍亟待加强。通过侧限压缩试验对砂土的宏、微观结构特征、应力传递方式进行了探讨。结果发现：颗粒破碎度和黏粒含量是影响砂土压密效应的主要因素,颗粒破碎度与压密效应正相关,黏粒含量则与压密效应负相关。黏粒含量超过临界值后,砂土宏微观结构发生质变,非线性压密效应显著增强。基于二次函数模型对砂土非线性压密过程进行描述,模型采用砂土初始压缩模量E_t和终级荷载下的极限应变ε_u进行表征,物理概念清晰且参数易于测定。砂土压密效应对浆液扩散距离、劈裂宽度及浆液压力分布均有显著影响,考虑砂土自身压密特性的劈裂注浆分析方法,可进一步深化对砂土劈裂注浆机理的认知。     

土体劈裂注浆过程的数值模拟及浆脉形态影响因素分析

针对现有数值方法对土体劈裂注浆中裂缝产生和扩展过程模拟困难的现状,采用自主研发的基于有限元与流体体积函数的数值方法对劈裂注浆过程进行了模拟研究,再现了土体劈裂注浆过程中裂缝的产生以及浆脉扩展过程。数值模拟获得的劈裂注浆浆脉扩展过程与已有理论分析及试验所得规律基本一致,表明采用该方法模拟土体劈裂注浆问题是可行的。在此基础上分析了注浆深度和土体模量两个因素对浆脉形态的影响规律。结果表明:数值模拟可以呈现劈裂注浆过程的几个阶段,包含浆泡挤密、初始竖向劈裂、斜向二次劈裂等阶段;在二次劈裂发生之前的挤密阶段和竖向浆脉扩展阶段,地层竖向位移增加较小,而二次劈裂之后的斜向浆脉的产生和扩展是地层竖向位移增加的主要阶段;随着注浆深度的增加浆脉的分支越来越少而且方向性更加明显,浆脉宽度也越来越小;随着土体模量的增大,注浆孔周边浆泡体积减小,浆脉的宽度逐渐变窄。工程实例的模拟表明,该数值模型能很好的反映工程现象,对工程实践具有一定的指导意义。     

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。     

非饱和土水汽迁移与相变：两类“锅盖效应”的试验研究

“锅盖效应”定义为：不透水覆盖层下土体含水率大幅提高甚至饱和。最新的理论研究将“锅盖效应”分为两类,第一类由非饱和土内水气冷凝引起,第二类是冻结条件下由气态水迁移引起。为试验验证两类“锅盖效应”,研究其内在机理,利用新研制的非饱和冻土水汽迁移试验仪,对不同初始含水率的试样开展不同温度条件的水汽迁移试验。试验结果表明：冻结和未冻结两种状态均能使钙质砂试样顶部含水率增加,但冻结状态下的增加幅度显著。冻结状态下,含水率峰值位置与冻结锋面大致相同,且初始含水率越大,试样顶部和冻结锋面处的含水率增加越显著,降温速率越小,气态水迁移越显著;初始含水率增加也能使未冻结状态下的钙质砂试样顶部含水率增加,并且温度梯度对气态水迁移有一定的抑制作用,温度梯度越小,抑制作用越明显。试验结果很好地验证了两类“锅盖效应”的理论。     

非饱和土水气迁移与相变：两类“锅盖效应”的发生机理及数值再现

结合非饱和土水气迁移的物理过程和内在机理,将“锅盖效应”分为两种情形。第一类“锅盖效应”定义为非饱和土水气的冷凝过程,而第二类“锅盖效应”定义为水气迁移成冰过程。相较于前者,第二类“锅盖效应”会造成覆盖层下土体含水率大幅度提高,且现有非饱和土水热气迁移理论无法给出合理解释。综合考虑水分的蒸发、冷凝和冻结3个相变过程,建立了非饱和冻土水热气耦合迁移的数学模型,并通过数值模拟求解,再现了第二类“锅盖效应”的形成过程。另外计算结果表明：温度梯度下的气态水迁移并成冰会造成覆盖层下土体接近饱和含水率;一定表层深度范围内,土体含水率增加存在两个陡升段。由于现行工程设计很少考虑防气隔气,在寒旱地区进行工程建设需对第二类“锅盖效应”引起足够重视。     

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.     

基于流固耦合分析的富水隧道外水压力与限量排放标准研究

隧道衬砌结构外水压力和限量排放标准是岩溶山区隧道工程建设关注的焦点。以某富水隧道为依托,借助FLAC~(3D)软件通过流固耦合数值分析,对富水隧道衬砌结构合理的外水压力取值和限量排放标准进行研究。分析了围岩无注浆条件下隧道外水压力随排水量的变化规律,进而提出了基于结构安全的隧道外水压力取值和地下水排放标准,同时分析了围岩注浆条件下隧道外水压力随注浆圈厚度和地下水排放量的变化规律,提出不同注浆厚度条件下地下水排放标准和合理的注浆圈厚度取值。     

考虑时间因素的岩体灌浆参数设计研究

水泥灌浆常被用来提高岩体的完整性和降低其渗透性,其工艺参数的设计目前主要依赖于灌浆工程师的经验和类似工程的类比,灌浆时间一般不包括在灌浆设计参数中。根据水泥浆液在光滑顺直裂隙中的扩散运动方程,考虑水泥浆液的宾汉体流变性质和其颗粒特性,并在给出灌浆特征时间概念的基础上推导出灌浆过程中浆液扩散比与灌浆时间比的关系,提出了基于灌浆时间的灌浆结束标准,并结合岩体裂隙开度分布规律对其在灌浆设计和施工中的运用进行了分析,可为灌浆工程的设计和施工提供有益的参考。     

提高灌浆压力对土坝帷幕灌浆效果影响的实践

针对灌浆压力选择的重要性,通过分析相关的现场资料,对土坝帷幕灌浆压力进行了较大幅度的提高,在保证大坝安全和稳定的前提下,取得了较好的灌浆效果,以期对类似病险水库的治理具有借鉴作用.     

劈裂注浆技术理论分析

对注浆技术进行了介绍,分析了劈裂注浆的机理,从劈裂注浆压力、注浆材料及注浆量的确定等方面进行了探讨,并给出了理论计算公式,并证实了文中理论的正确性和可靠性,以推广该技术。     

后压浆在冲钻孔灌注桩施工中的应用及效果

阐述了桩底桩侧后压浆提高灌注桩承载力的机理,结合具体的工程实例,介绍了冲钻孔灌注桩后压浆技术在工程中的应用,并对其试验结果做了分析,指出该技术能大幅提高桩基承载力,减少桩基沉降。     

关于建筑物地基注浆加固技术与应用问题探讨

面对近年来出现的许多注浆新工艺、新材料、新技术,通过分析注浆加固的技术特点,分别对高压旋喷注浆法、静压注浆法的关键技术与应用问题进行了探讨,以积累建筑物地基加固经验。     

地基加固中的水泥深层搅拌和劈裂注浆法

介绍了水泥深层搅拌法和劈裂注浆法在上海地区某工程中相结合处理软土地基的工程实例,详述了其施工工艺。本工程实践可供相关工程参考。