基于渗滤效应的多孔介质渗透注浆扩散规律分析

渗滤效应广泛存在于多孔介质悬浊液渗流过程中,其直接影响悬浊液颗粒扩散迁移全过程。基于渗滤效应理论模型,研究水泥浆液在多孔介质中的运动规律,建立考虑渗滤效应的浆液运动方程。与已有研究对比,浆液运动方程不仅适用于恒速率注浆,也适用于恒压注浆。建立浆液一维渗滤扩散数值模型,与达西定律对比,结果表明渗滤效应对浆液扩散影响显著。分析渗滤效应对多孔介质孔隙率、浆液浓度和浆液压力的分布的影响规律,揭示渗滤效应对浆液扩散及有效加固范围的影响机制,对多孔介质的悬浊液注浆理论与实践具有借鉴意义。     

基于赫巴流体的盾构同步注浆三维扩散机理

盾构施工中复杂的地质环境和各种类型的开挖断面使得注浆施工控制较为困难。本文基于赫巴流体本构模型,分析了同步注浆阶段的浆液充填扩散与渗透扩散过程。建立了涵盖充填扩散与渗透扩散过程的盾构隧道壁后同步注浆浆液3D扩散理论模型,并分别推导了相对应的计算公式。使用工程实例和注浆试验结果验证了该模型,并对影响浆液扩散的主要因素：浆液密度、盾尾间隙厚度、注浆压力、注浆率和地层渗透系数进行了敏感性分析。研究表明：在环向充填阶段,浆液在注浆孔两侧的消散速率随着浆液密度的增大而减小,而盾尾间隙厚度几乎没有影响;在轴向充填阶段,浆液充填压力随着时间的推移而消散,消散速率随着盾尾间隙厚度的增大而减小。在径向渗透扩散阶段,浆液径向渗透扩散深度随着地层渗透系数和注浆压力的增大而增大,而浆液密度和盾尾间隙厚度几乎没有影响。     

基于渗滤效应的沙层劈裂注浆扩散规律分析及其ALE算法

渗滤效应广泛存在于沙层劈裂注浆扩散过程中,并对扩散规律有重要影响,目前尚未有合理的劈裂注浆理论对其充分考虑。针对沙层劈裂注浆中的渗滤效应,采用一维渗滤模型对其进行描述,并结合平板裂隙注浆扩散模型,推导得到劈裂注浆扩散控制方程。通过与不考虑渗滤效应的劈裂扩散模型对比,揭示渗滤效应对注浆扩散的影响机制。采用有限元瞬态移动网格ALE方法对沙层劈裂注浆扩散过程进行动态模拟,模拟结果与理论研究结果相符;开展沙层劈裂注浆扩散现场试验,试验结果表明实际劈裂浆脉长度与理论模型和数值模型计算结果相近,验证了理论模型和数值模型的合理性。     

考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆机理研究

多孔介质注浆的扩散方式以渗透注浆为主,传统的多孔介质渗透注浆往往忽略了浆液渗透过程中的扩散路径,导致理论结果与实际偏差较大。基于对多孔介质浆液渗透过程中扩散路径分析,根据浆液扩散运动方程,建立了考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型,设计了一套多孔介质渗透注浆扩散模拟实验装置,并采用常规注浆材料-水泥浆液,获得不同被注介质渗透率及不同注浆速率下的注浆压力的时空变化规律。研究结果表明:考虑浆液扩散路径的多孔介质浆液渗透注浆模型计算值为试验值的1.1~1.3倍,计算值与试验值误差在允许的范围之内,所建模型可较好的描述了浆液渗透扩散过程;不考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型计算值为试验值的1.8~3.2倍,显著高估了注浆扩散过程的浆液压力。研究成果成功用于青岛地铁砂层治理工程,因此,在多孔介质渗透注浆扩散设计中应充分考虑浆液扩散路径。     

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。     

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。     

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。     

基于宾汉姆流体的微裂隙岩体注浆扩散影响机制分析

基于巴顿公式中的标准节理面轮廓线建立微裂隙几何模型,采用纳维–斯托克斯方程,并将浆液视为宾汉姆流体,建立微裂隙注浆扩散有限元模型,对微裂隙注浆过程中浆液扩散过程展开计算分析,获得裂隙粗糙度、隙宽以及浆液黏度等因素对浆液扩散的影响规律。计算结果表明,当浆液黏度较高时,浆液流动损失主要受黏滞力控制,裂隙等效隙宽随浆液黏度呈非线性增长。对于具有相同粗糙程度的裂隙,等效隙宽随黏度的增长曲线均存在一个明显的拐点,随着裂隙粗糙程度增加,拐点逐渐向前推移,并且突变更加明显。通过多元函数拟合建立等效隙宽与浆液黏度以及裂隙粗糙度的拟合公式。当浆液黏度以及裂隙的粗糙度较低时该公式存在一定误差,而在考虑实际注浆需要所对应的参数变化范围内,该公式均具有较好的拟合效果。研究结果对微裂隙岩体注浆扩散理论具有一定借鉴意义。     

渗透注浆浆液扩散半径计算方法研究及应用

为了解决工程实践中渗透注浆浆液扩散半径计算公式相对缺乏及应用性差的问题,在相关假设的基础上,根据达西定律推导出新的渗透注浆浆液扩散半径的计算公式。推导分为注浆孔穿越及未穿越被注岩层两种情况,综合考虑了注浆孔与被注岩层层面夹角及浆液的黏度时变性因素。公式在宁夏某煤矿立井工作面预注化学浆工程中试用,通过在现场工程实践检验,公式具有较好的实用价值。研究对渗透注浆的设计及质量评价具有应用价值。     

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。     

考虑黏度空间衰减的宾汉姆流体柱形渗透注浆机制研究

低渗透性多孔介质渗透注浆过程中存在渗滤效应,造成浆液颗粒浓度和黏度空间分布不均,严重影响注浆效果。通过一维可视化注浆试验,研究渗滤效应的发生条件及影响因素,得到考虑水灰比影响的黏度衰减率空间分布表达式,并推导出考虑黏度空间衰减的宾汉姆流体柱形渗透注浆理论公式,基于计算机编程技术,依托Comsol Multiphysics平台,二次开发得到该理论公式的二维数值模拟程序,在此基础上开展不同注浆压力和水灰比条件下的仿真分析和模型试验,对比验证该理论机制的正确性。研究结果表明,渗滤效应发生时,浆液颗粒浓度和黏度沿渗流路径明显下降,采用考虑黏度空间衰减效应的宾汉姆流体柱形渗透注浆扩散公式得到的扩散半径、渗透压力等更接近实测值。因而更好地说明渗滤效应导致的黏度空间衰减不可忽略,采用新的理论公式更能反映宾汉姆流体在低渗透性地层中发生渗滤效应时的扩散规律。该研究成果可为低渗透性地层注浆设计及施工提供一定的理论及技术支持。     

考虑浆液时空变化的幂律型流体劈裂注浆机理研究

注浆技术在各种工程建设中的应用广泛,但其理论研究远落后于工程实践。基于平板裂缝模型及幂律型流变方程,考虑浆液的时空变化,推导出幂律型流体劈裂注浆浆液质点锋面压力计算公式,并分析其适用范围及参数确定方法,为劈裂注浆提供理论依据。研究结论:劈裂注浆浆液锋面压力与起始注浆压力,劈裂裂缝宽度,粘度时空变化系数,流变指数,注浆速率等参数有关;分析浆液质点锋面压力的时空分布规律,得到浆液质点锋面压力随着注浆时间的增大、浆液质点扩散距离的增大而逐渐较小;结合劈裂注浆浆液锋面压力计算结果对工程实例讲行分析,阐述了注浆压力与时间的变化规律。     

基于渗透注浆中多孔注浆相互影响理论及其应用研究

涌突水灾害给隧道工程带来了严重的危害,注浆是解决涌突水灾害的有效方法,但是对于渗透注浆中采用多孔注浆的理论应用研究较少,通过理论分析的方法,基于渗透扩散理论,推导出了注浆过程中浆液的渗透系数;构建隧道底板注浆模型,分析了考虑多孔之间相互影响的扩散半径,并推导出了多孔注浆相互影响因子。结合齐岳山隧道涌突水情况,首次采用"分批次多孔注浆"、"注浆膜袋"高压注浆方案,对出水点进行注浆,并且施工过程中,优化了施工流程和控制方案;最后采用检查孔法和钻岩取芯法对注浆过程检验,取得了很好的注浆效果,有效的解决了涌突水灾害造成的威胁。     

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。     

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。     

岩体渗透注浆的理论研究

基于总结出的4种流体模型,研究有关渗透注浆的裂隙单向流、裂隙辐向流、裂隙岩体扩散及多孔相互影响等问题,得出了一些有价值的岩体渗透注浆统一理论公式。     

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。     

桩底劈裂注浆扩散半径和注浆压力研究

在幂律型浆液平板窄缝流动模型的基础上,推导出了劈裂注浆时浆液流速、流量、注浆压力差、最大扩散半径的计算公式。计算分析了注浆压力差随稠度系数、流变参数、裂隙高度的变化情况以及裂隙高度对最大扩散半径的影响。注浆压力差随稠度系数的增大呈线性增大,随流变参数的增大呈非线性增大。裂隙高度的减小使所需注浆压力差迅速增大,并使扩散半径迅速减小,这种影响随着水灰比的增大而减小。通过建立能量平衡方程,详细讨论了不同注浆压力对整个注浆过程的影响。结合本文计算结果对工程实例进行分析,阐述了注浆压力与注浆量的变化规律。     

对基于渗透注浆理论公式的探讨

把土体当作理想塑性体,根据材料服从Ｔｒｅｓｃａ 屈服准则,并结合Ｍａｇｇ 公式,按球体扩张理论推导出点状注浆时,劈裂地层中浆液的扩散半径、注浆压力和注浆时间,经与实测对比较为吻合。     

压密注浆加固抬升效应与机理的探讨

从正面利用的角度研究了压密注浆的抬升效应,提出了加固抬升模型并进行了力学分析;通过试验,进一步探讨了注浆抬升力在土体中的分布变化规律,验证了抬升效果,并获得了具有参考价值的试验参数和试验数据.