基于BQ的破碎岩体注浆加固强度增长理论

正确评估破碎岩体注浆加固后的强度对于岩石工程设计十分重要。基于莫尔库仑强度准则,建立了注浆前后破碎岩体强度增长理论,推导出单轴抗压强度增长率、单轴抗拉强度增长率、内摩擦系数增长率和内聚力增长率之间的关系方程。根据已有的基于BQ的岩体内聚力和内摩擦角的经验公式,推导出注浆后破碎岩体内摩擦系数增长率和内聚力增长率随岩体质量指标增长量（ΔBQ）变化的表达式。再根据已有的注浆后破碎岩体单轴抗压强度增长率的经验公式和各强度增长率之间的关系方程,得到隐含ΔBQ的非线性方程,可通过数值解法求出了ΔBQ的值,进而很容易求得各强度增长率的值。分析表明,随着岩体质量指标由小到大变化,注浆后强度增长率开始较大,并很快减小,而后趋于平缓;一般情况下,内聚力增长率约为摩擦系数增长率的2～5倍,单轴抗压强度增长率约为单轴抗拉强度增长率的2～3倍。     

断层破碎带深部区域地表预注浆加固应用与分析

为提高巷道穿越断层破碎带区域围岩强度,解决巷道坍塌失稳问题,并为后期巷道锚固支护提供基础,利用地表预注浆对顾北煤矿巷道穿越F104断层破碎带深部区域局部岩体进行加固。注浆前期表现出泄压特征,注浆压力无法上升;采用分段-间断-重复注浆策略,可使前期注入浆液固化充填大开度的吸浆通道,防止浆液过度扩散,并为浆液注入较小裂隙创造了条件,实现对目标区域充填密实度的最大化。注浆后断层破碎带中心段浆液结石体呈丝络状分布,偶见水泥结石体粗脉;两侧边缘岩芯的浆液结石体呈脉络状分布。注浆增加了围岩完整性,加强了破碎岩体的相互镶嵌作用,提高了巷道掌子面稳定性;地表注浆对区域围岩裂隙进行充填胶结,减少了裂隙自由面空间,泥岩渐近泥化得到有效遏制,间接提高围岩强度;极破碎围岩注浆后浆-岩结石体表现出类混凝土状特征。地表预注浆使巷道稳定性得到有效保证,极大提高了岩体的自身承载能力及抗变形能力,开挖成型巷道表面收敛位移及收敛速率显著减少。     

富水破碎岩体注浆加固模拟试验及应用研究

设计了一套适用于富水破碎岩体的注浆加固模拟试验装置。选用PO42.5水泥、SAC42.5水泥和自主研发材料对富水破碎灰岩体进行了注浆加固试验。在分析加固结石体的单轴压缩试验结果的基础上,研究了注浆压力、注浆材料和破碎岩体间泥质充填物对注浆加固效果的影响和作用规律。采用极差分析法确定了影响注浆加固效果的主控因素及各因素间相互作用关系。验证了自主研发材料用于富水破碎岩体注浆加固治理的效果显著优于传统水泥材料。将上述试验结论成功用于指导工程实践,取得了良好的注浆治理效果。     

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。     

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。     

隧道围岩劈裂注浆破坏模式及浆液扩散规律研究

在隧道施工中经常需要对软弱围岩注浆以堵水加固,为使浆液能从注浆孔到达岩体结构面并堵塞裂隙,劈裂注浆是主要手段,因此有必要研究劈裂注浆时岩石的破坏和浆液扩散规律。首先假设浆液为牛顿流体,推导了浆液劈裂岩石产生单条裂缝时,浆液最大扩散长度随注浆压力变化的计算公式;然后对岩石劈裂注浆的过程和浆液扩散进行了数值模拟。结果表明,岩石劈裂破坏主要有张拉和压拉两种破坏模式;浆液扩散距离对注浆压力的增长率随围压比和垂直压力的增大以及岩石强度的减小而变小;启裂压力随围压比、垂直压力以及岩石强度的增大而增加。其中,浆液扩散距离随注浆压力的变化可以用指数函数较好地拟合,拟合结果与理论分析一致。     

深部巷道破碎围岩锚注机制及控制技术研究

深部巷道实际返修率高达90%以上,尤其软弱破碎围岩巷道控制一直是困扰煤矿安全、高效生产的重大难题之一,在诸如构造应力、强采动影响、断层破碎带等因素影响下,巷道围岩破碎程度高,出现大变形、大松动圈,造成支护失效、冒顶、剧烈底鼓、严重片帮等变形破坏现象,增加了巷道的返修强度与次数,费用远超成巷费用。锚注支护可以从原位上提高围岩自承能力,改善支护构件锚固性能,有效控制围岩变形,越来越多的被深部巷道支护所采用。但是目前锚注支护多以工程类比为主,虽然众多学者针对锚注支护开展大量的研究,但是对破碎岩体的锚注机制研究较少。因此,开展破碎岩体锚注试验及控制效果研究,明确破碎岩体锚注支护机制,可为深部巷道破碎围岩锚注支护设计提供指导,对煤矿安全高效运营具有重要意义,同时也可为交通隧道、水利水电等地下工程破碎岩体支护提供借鉴与参考。本文以巨野矿区千米深井—赵楼煤矿为工程背景,针对高应力、软弱岩层等条件下,开挖后岩体破碎,锚注后岩体的参数获取以及承载特性等研究明显欠缺等问题,以室内和现场试验为主,理论与数值分析为辅的手段,研究深部巷道破碎围岩锚注机制以及控制方法,主要研究工作及成果如下:(1)随钻参数与破碎围岩锚注体力学参数关系研究:研发多功能岩体数字钻探测试系统,由钻进系统、加载系统以及监测控制系统等组成,可施加最大扭矩400 N·m,最大转速为400 r/min,最大推进力50 k N。定义岩石单位切削能η_c,基于SVM建立数字钻探过程中钻进速率V、转速N、扭矩M、推进力F和岩石单位切削能η_c等5个物理参量与岩体UCS的定量关系。系统开展不同水灰比、岩体粒径影响下破碎围岩锚注体数字钻探试验,验证了基于SVM的随钻参数与UCS关系模型,结果表明水灰比对破碎岩体锚注后的强度影响较大,水灰比为0.5和0.6的破碎岩体锚注后强度相近;不同粒径对破碎岩体锚注加固后强度影响较小。(2)破碎围岩锚注体承载特性试验研究:针对破碎岩体锚注工况,制作不同岩体粒径、不同水灰比以及不同锚杆数量的锚注体试件,开展锚注体承载特性系列对比试验,定义锚杆承载贡献率指标,对比分析有无锚杆条件下锚注体裂纹发展规律,明确不同因素影响下锚注体承载机制。(3)不同条件下锚注支护构件锚固性能系列对比试验研究:建立基于剪胀效应的软弱破碎围岩锚固体界面力学模型,推导注浆前后锚固体界面剪应力计算公式,分析注浆前后围岩弹性模量、黏聚力、内摩擦角、剪胀角等力学参数变化对锚固体界面抗剪能力的影响规律。定义注浆锚杆有效加固范围,系统开展注浆前后普通锚杆和高强锚索等支护构件锚固性能系列对比试验,验证理论模型的正确性,明确锚注浆液扩散加固机制。浆液在岩体中的扩散效果不是等距均匀的,整体呈现"下方边侧上方"的趋势;浆液扩散效果随着注浆锚杆长度增加存在一个合理长度;高强锚索锚固性能的改善要综合考虑注浆加固以及稳定岩层的贡献大小。适用于赵楼煤矿类似巷道的注浆锚杆长度为2.5 m左右,注浆锚杆间排距为1 200 mm×1 600 mm;高强锚索长度为5～6 m。(4)深部巷道锚注系列对比数值试验研究:考虑支护方案、应力等级、岩体参数等级以及锚注加固强度等因素,设计四大类51种数值对比方案,对比分析围岩位移、塑性区、应力等变化规律,揭示不同因素影响下围岩锚注控制机制。随着注浆加固范围的增加,各部位最大位移量、最大塑性区呈降低趋势,围岩应力峰值呈双线性变化特征;随着注浆加固参数等级的提高,各部位最大位移量、最大塑性区呈近似指数形式降低;围岩应力峰值距离巷道周边整体呈缩短趋势,应力峰值整体呈上升趋势。(5)深部巷道破碎围岩锚注控制现场对比试验研究:研发新型高强锚注支护材料,设计锚注联合支护方案,选择典型破碎围岩巷道开展现场对比试验,结果表明煤巷沿空侧试验段平均收敛量比原方案降低了63.2%,实体侧降低了54.9%,岩巷试验段比原方案降低了81%～83%,高应力破碎围岩的变形得到了有效控制。将研究成果向极软弱破碎煤层巷道中进行了推广应用,设计并开展4种锚注支护对比方案,结果表明注浆锚杆+注浆锚索联合支护、注浆锚杆+高强锚索联合支护等锚注方案可以代替传统的U型棚支护。     

富水破碎岩体注浆加固实验与机制研究

 采用模拟富水破碎岩体注浆的方法,开展普通硅酸水泥42.5#(PO.42.5)、硫铝酸盐水泥42.5#(SAC.42.5)和自主研发水泥基复合注浆材料(CGM)的注浆加固效果实验。通过对比破碎灰岩和破碎砂岩试样注浆后结石体的单轴压缩实验结果发现,岩体破碎程度越高,注浆后强度改善效果越明显,岩石孔隙率越大,注浆后韧性增强显著。CGM材料对应注浆加固结石体强度显著高于PO和SAC材料,对多孔隙砂岩的刚性改善效果最优,且结石体沿岩–浆界面产生滑移破坏的概率最小,SAC材料次之,PO材料最差。采用扫描电子显微镜测试手段,分析岩–浆界面过渡区域矿物种类及分布形态,揭示了不同水泥类材料注浆效果产生差异的原因,从微观角度确定了岩–浆界面的胶结类型主控因素为岩石的岩性,与水泥材料类型无关。对于致密度高的灰岩类岩石属于Ollivier-Grandet模型,对于多孔隙砂岩类岩石属于Zimbelinan模型。结合对岩–浆界面过渡区域X射线衍射分析和元素扫描分析结果,证明注浆不仅改善岩石的物理力学性能,还会引发岩石组分发生化学变化,在界面区域生成类岩石矿物,可提高岩–浆界面胶结强度。     

基于SVR方法的注浆试验效果评价研究

注浆工程属于隐蔽工程,注浆效果也不可能直观、直接检测和评价。注浆后结石体强度和浆液扩散半径是评价注浆效果的重要指标,而注浆效果又受到水泥浆液粘度、注浆压力和渗透系数等因素的影响,各因素间往往存在着复杂的关联性和非线性关系。利用水泥基注浆材料对三峡库区取样碎石土体进行注浆处理,应用支持向量回归机(SVR)方法从试验所得注浆结石体强度和扩散半径数据中随机选取若干试验样本进行训练,剩余数据进行预测,建立了注浆后结石体强度和浆液扩散半径的回归模型,提出了影响注浆效果的各因素敏感性指标排序,预测和分析了多因素影响下注浆效果的变化规律。研究结果表明:基于支持向量机的预测模型可以作为预测注浆效果的有效依据。     

岩石峰后注浆加固前后力学特性单轴试验研究

在岩石试件单轴压缩破裂的基础上,进一步开展了峰后注浆加固试件的力学特性试验研究.分别采用水泥浆和玛丽散N加固破裂试件,试验发现分别采用玛丽散N、425#水泥进行破裂岩石注浆加固时,岩石强度比其残余强度都有显著提高,加固后岩石的变形趋于协调.同一浆液加固不同的岩石,被加固体本身的强度越高注浆加固体的强度提高越高;同样的岩石注入不同浆液,浆液的粘结强度越高注浆后的强度就越高.试验结果验证了岩石注浆加固是加固围岩非常有效的方法.     

新型煤岩体加固注浆料制备及应用分析

煤层回采过程中受采动影响,巷道煤岩体必然发生破坏,严重威胁工人安全。而注浆加固是解决破碎煤岩体的有效手段,注浆材料用量动辄数万吨。在充分了解破碎煤岩体注浆技术的基础上,研发了一种适用于破碎煤岩注浆加固的新型无机注浆材料,并对该材料进行了性能分析及应用研究。研究结果表明:(1)制备的新型无机注浆材料其力学性能与微观结构良好,组分最优配比为:硫铝酸盐水泥熟料50%,石膏43.75%,生石灰6.25%;(2)强度和凝结时间随水灰比变化空间大,满足对于不同凝结时间需要的工程;(3)试件干缩率和泌水率最高值均小于5%,材料具有很好的稳定性;(4)新型注浆材料注浆后,巷道变形量大幅度降低,不影响巷道的正常使用。     

压力分散型锚索单元锚体间的应力影响

压力分散型锚索中作用在各单元锚体上的应力会相互影响,应力影响表现之一是在荷载传递方向会出现应力叠加现象。应力叠加程度因孔壁岩体对注浆体的侧向变形约束力的强弱而不同,坚硬岩体中这种约束力较强,应力叠加现象不显著,软弱岩体中这种约束力较弱,应力叠加现象较为显著。其二,这种影响还表现在承载体处诱发了拉应力,即张拉荷载通过承载体的承压板给单元锚体施加压力的同时,也给相邻锚体施加了拉力。该拉应力若达到了该处材料的抗拉强度,会在该处出现张拉裂纹,对锚索防腐不利。为克服应力影响对工程的危害,建议在坚硬岩体中优化单元锚体长度,以免出现张拉裂纹;在软弱岩体中应根据应力叠加效应最严重的单元锚体上的应力来验算浆体强度,以避免浆体的受压破坏,并控制剪应力在浆–岩界面的容许抗剪强度范围内。     

Forecast formula for strength of cement-treated clay

A simple formula with no fitting parameters is proposed, with which the strength of cement-treated soil can be calculated at any curing time with the known cement-water ratio (the ratio of the cement mass to the mass sum of the water in the soil and the water in the cement paste) of the cement-treated soil and the corresponding strength at a certain short curing time. The results obtained with this formula basically reflect the law whereby the strength of cement-treated soil increases with the curing time. To further facilitate the use of this formula, the conversion relation of the cement-water ratio to the cement-mixed ratio and the water-cement ratio of the cement paste were presented. In such a way, the strength of cement-treated soil can be predicted directly using the common proportioning parameter of the cement-treated soil. In addition, with the known long-term (within 180 d) target strength of the cement-treated soil, its short-term strength can also be speculated through this formula, on whose basis a formulation design for cement-treated soil may be conducted as well.     

硬化水泥石弹性模量预测的分级模拟方法

提出了硬化水泥石弹性模量预测的分级模拟方法.根据水泥石中各组分的几何尺度,将硬化水泥石结构分为两级:第一级由C-S-H和CH组成,第二级由水化凝胶、未水化水泥和毛细孔组成.应用两相复合材料弹性模量的精确解求得低密度、高密度水化凝胶的弹性模量.将三相复合球模型分解成2个两相复合球模型,逐步计算实心、硬化水泥石的弹性模量.分级模拟方法的优点在于以定量的方式将硬化水泥石弹性模量与各组分的体积分数和弹性模量联系起来,为硬化水泥石优化设计提供了理论依据.最后,通过与文献中的实验结果进行比较,初步验证了分级模拟方法的有效性.     

Effect of grout pressure and grout flow on soil physical and mechanical properties in jet grouting operations

Jet grouting is a method for improving soil characteristics. In this method, grouting of cement slurry with high pressure and velocity causes damage to soil structure. Excavated grains of soil are then removed from the borehole and are replaced with cement slurry. The grains that remain around the borehole mix with cement slurry and produce an improved soil mass of soil. This mass is called “soilcrete”. Soilcrete has special characteristics such as high strength, low deformability and very low permeability. The jet grouting process and its results are affected by various parameters of the soil material and jet grouting system. This paper discusses the effects of jet grouting process on the soil properties before and after the operations, and the effects of grout pressure and grout flow on soilcrete's uniaxial compression strength (UCS). For these purposes, five types of the laboratory tests have been done on the jet grouted soil: uniaxial compression, triaxial compression, direct shear, Brazilian indirect tension, and Schmidt hammer tests. According to the numerical results obtained from experiments, by increasing the grout pressure and flow, the UCS (MPa) of soil increases logarithmically. In addition, jet grouting dramatically increases properties such as cohesion and friction angle.     

破裂岩石加固后力学性质试验研究

地下工程开挖过程中,经常会遇到破裂结构岩石,而且完整岩石在高应力或其他因素作用下也会发生破裂。破裂岩石往往具有岩块强度较高、岩体强度较低的特点,但破裂岩石经过有效加固后能够保持较高承载能力。应用室内模拟方法,对完整岩块以及采取注浆胶结、锚杆–注浆胶结联合加固2种方法加固后的破裂岩石力学性能进行试验研究,获得破裂岩石加固后的强度恢复信息。试验结果表明,注浆胶结加固后的破裂岩石试样抗压强度可以恢复到完整岩石试样的40%～50%,无残余强度;锚杆–注浆胶结联合加固的破裂岩石试样抗压强度恢复率略大于胶结岩石试样,残余强度明显提高。