基于浆液粘度时变性的岩体裂隙注浆扩散模型

通过大量试验证明水泥基浆液的粘度存在时变性，其规律符合指数函数分布；而动切力随时间变化不大，可视为无时变性。在此基础上，建立了用于岩体裂隙的稳定性浆液注浆扩散模型，开发了计算机程序。通过2个工程实例的对比结果证明了这一理论的计算结果符合工程实际。     

水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟

普通硅酸盐水泥浆液作为岩土工程注浆中最为常用的浆材,其静水与动水条件下的注浆扩散运移规律是目前研究的重点。通过模型试验和数值模拟系统研究水泥浆液在静水和动水条件下平面裂隙中的扩散规律;基于流体动力学理论,分析和验证水泥浆液在地下水影响下的扩散形态及压力场分布特征;通过对比模型试验和数值模拟数据,分析水泥浆液在静水和动水条件下的运移和扩散机制。研究结果表明：动水条件下浆液扩散开度和逆水扩散距离存在极限;浆液压力场分布为自注浆孔沿扩散方向迅速衰减,注浆孔附近压力衰减速率最快,逆水方向压力衰减速率明显大于顺水方向。并据此对传统注浆工艺提出改善建议。     

Herschel–Bulkley浆液在裂隙中的扩散规律研究

基于柱坐标系下的流体连续性方程和动量方程,对Herschel–Bulkley浆液在光滑倾斜裂隙内做径向扩散流进行了理论推导,讨论了灌浆时间、灌浆压力、流变指数、裂隙开度及倾角对扩散规律的影响。研究结果表明：在注浆压力恒定的灌浆过程中,存在一极限扩散半径,且随着扩散范围的增大,进浆量逐渐降低,灌注难度逐渐增大;提高注浆压力以及降低浆液的流变指数有利于扩大浆液的扩散范围,且裂隙倾角越大,顺坡向与逆坡向的扩散半径差值也越大,特别是对于流变指数n小于1的剪切稀释浆液其差值尤为明显。该结果由于综合了牛顿、宾汉塑性和幂律型流变模式流体的扩散规律,从而为更好地认识各类非牛顿流体在岩体裂隙、界面、裂缝中的流动规律提供了理论参考。     

自膨胀高聚物注浆材料在二维裂隙中流动扩散仿真方法研究

 为深入研究自膨胀高聚物注浆材料在岩体裂隙中的扩散机制,基于计算流体动力学理论,综合运用现代流场计算方法和移动界面追踪技术,初步建立了一种变密度浆液在二维裂隙中流动扩散的仿真分析方法。该方法采用FVM离散浆液–水两相流动系统控制方程,用Youngs方法追踪浆液–水两相流体移动界面,用SIMPLE算法迭代求解动量离散方程和压力、速度修正方程,实现了对浆液–水两相流动系统的数值求解。通过变密度流体在二维矩形狭槽中自由膨胀算例检验了该方法的正确性,在此基础上对自膨胀浆液在二维平板裂隙中的扩散过程进行了仿真模拟,结果表明采用该方法能够动态展现流场分布特征,实时反映浆液–水之间的驱替作用,为深入研究膨胀性高聚物注浆材料在裂隙岩体中的扩散机制奠定了基础。     

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。     

自膨胀高聚物浆液劈裂注浆仿真方法研究

为深入研究自膨胀高聚物浆液在土体中的劈裂扩散机制,建立一种模拟高聚物膨胀力作用下土体劈裂缝从启裂、扩展至稳定全过程的二维仿真分析方法。该方法采用扩展有限元方法位移模式和离散方程,利用高聚物密度-围压关系迭代计算浆液膨胀力,用最大拉应力准则判断启裂位置,用相互作用积分方法计算应力强度因子,用最大周向应力准则判断裂缝扩展方向,实现对劈裂缝扩展过程的数值求解,通过与试验结果的对比证明了该方法的适用性。在此基础上分析注浆量、土体弹性模量和断裂韧度对浆脉最终形态的影响规律,结果表明：浆脉长度和宽度均随着注浆量的增大而增大,但其增长速率均随着注浆量的增大而减小;在注浆量相同的情况下,浆脉长度随着土体弹性模量的增大而增大,随土体断裂韧度的增加而减小。该方法能够较好展现浆脉扩展特征,为深入研究浆-土相互作用机制,揭示膨胀性高聚物注浆材料在土体中的劈裂扩散机理奠定基础。     

基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制

 速凝类浆液的双液混合注浆方式及其黏度时变特性导致浆液扩散区内黏度空间分布不均匀。基于此,认为速凝类浆液流型为具有黏度时变性的宾汉流体,研究其在静水条件下水平裂隙中的注浆扩散过程,建立了恒定注浆速率条件下考虑浆液黏度时空变化的水平裂隙注浆扩散理论模型,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,进而得到注浆压力与注浆时间及浆液扩散半径的关系。通过与不考虑黏度空间不均匀性所得结果进行比较,说明考虑黏度空间不均匀的必要性。通过在数值计算模型中预定义黏度空间分布函数,实现了考虑黏度空间分布不均匀性的裂隙注浆数值模拟。通过理论分析、数值模拟与试验结果三者的对比,验证了理论分析及数值模拟的合理性,希望为实际注浆工程中注浆参数的确定提供一定借鉴。     

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。     

考虑水泥浆液析水作用的水平裂隙注浆扩散机制研究

水泥浆液是一种悬浊液且具有明显析水特性,浆液发生析水后,其自身黏度、密度明显变化,由此导致浆液在扩散区内黏度、密度等参数时空分布不均。为准确描述浆液发生析水后的裂隙注浆过程。简化浆液发生析水后在裂隙内的扩散运移形态,建立恒定注浆速率条件下,考虑浆液析水作用的裂隙注浆扩散理论模型,推导浆液扩散半径表达式与浆液微元体压力梯度方程。提出考虑析水作用的裂隙注浆计算方法,基于Matlab编程实现了浆液析水率与浆液压力的时空分布计算。利用自主研发的裂隙注浆模拟试验平台,对理论模型的合理性进行验证。研究结果表明,浆液析水率随浆液扩散距离的增加呈非线性变化;随着水灰比的增加,浆液析水率在空间上的分布差距明显增大;考虑浆液析水作用计算得到的注浆压力明显大于不考虑时的计算结果,并且随着浆液水灰比的增加,考虑析水与不考虑析水作用相比,二者计算得到的注浆压力差距越大;通过对比试验测试结果与理论计算值,理论计算得到的注浆压力是试验测试值的1.2～1.5倍,所建立的理论模型能够描述考虑析水作用下水泥浆液在裂隙中的扩散过程。     

速凝浆液裂隙动水注浆扩散数值模拟与试验验证

针对动水注浆中常用的2种速凝浆液,水泥–水玻璃浆液与高聚物改性水泥浆液,考虑浆液黏度时变特性,应用有限元计算软件COMSOL Multiphysics建立动水条件下裂隙注浆扩散的数值模型,研究动水条件下裂隙注浆扩散规律并分析不同黏度时变特性、初始动水流速与注浆速率对注浆扩散过程的影响,并将数值模拟结果与模型试验进行对比,验证数值模拟方法的有效性。研究结果表明:浆液扩散形态在逆水方向和顺水方向表现出明显的差异性;进水边界处的压力逐渐趋近于远端的地下水压强,注浆初期在裂隙边界附近及绕流区内流速较高,注浆后期整个裂隙内的流速变化幅度不大;在试验条件下,初始动水流速与注浆速率的提高均会导致裂隙内压力及流速的增加,注浆速率对裂隙内压力分布的影响比初始动水流速显著;C-S浆液与GT–1浆液扩散规律类似,但由于两者黏度时变性的差异导致两者扩散规律稍有差别。     

表面反应和扩散迁移联合控制的粗糙单裂隙渗流–溶解耦合模型

裂隙渗流–溶解耦合模型可用于刻画流场、化学场以及裂隙开度等的变化,而溶解速率的表达以及裂隙开度的初始分布对模拟结果皆有影响。在探讨表面反应和扩散迁移联合控制溶蚀机制的基础上,采用分形方法模拟粗糙裂隙,建立此类条件下的渗流–溶解耦合模型,并进行数值求解。结果表明:(1)裂隙开度、流速、Ca2+浓度等在空间上呈"虫洞"状非均匀分布,尤其是中后期形成相对集中的渗流通道;(2)通过裂隙的流量在某一"临界点"后出现激增,即流量在此时刻之前增长相对较缓,而之后明显增大;(3)裂隙各部位反应受控主因素具有时变性,初始时以表面反应控制为主,而后在上游处转为扩散迁移控制,并逐渐向下游延伸扩大。     

基于聚合反应机理的膨胀型高聚物浆液平面裂隙注浆仿真方法研究

现行高聚物浆液裂隙注浆扩散模拟方法多采用浆液密度变化经验表达式进行计算,这种简化处理方法没有考虑浆液内在的化学反应驱动机制,其求解结果与实际情况存在较大偏差。为解决这一问题,基于计算流体动力学理论,考虑浆液聚合反应机理,建立了描述高聚物浆液在平面裂隙中流动扩散过程的“化学反应-流体动力学”模型,用龙格库塔方法求解化学反应动力学方程,用平面裂隙注浆准三维模型离散流动控制方程,用SIMPLE算法实施迭代控制,实现了对浆液化学反应、温度场、流场的耦合求解。在此基础上,对绝热条件下高聚物浆液在平面裂隙中的扩散过程进行了数值模拟,分析了浆液组分反应转化率、温度、扩散范围、密度、压力等随时间变化规律,结果表明：伴随浆液化学反应进程,其组分转化率、温度逐渐增大,浆液扩散范围、密度变化表现出明显的阶段性特征;浆液密度随时间经历缓慢减小、急剧下降、逐渐趋缓三个阶段,与此相对应,其扩散范围最初平稳增加,随后快速扩大,最终趋于稳定,其压力则呈现缓慢增大、急剧上升、逐渐下降的三阶段变化特征。所开展工作为深入研究温度、压力等因素对浆液扩散行为的影响奠定了基础。     

裂隙黄土的单参数二元介质模型

为了研究裂隙黄土的结构和变形特性,在岩土破损力学理论框架基础上,把裂隙黄土视作由胶结块和软弱带组合而成的二元介质,将二元介质模型运用于裂隙黄土的研究。通过模型计算分析,得到裂隙黄土的单参数应力应变关系,并将其与三轴试验结果进行了对比分析。结果表明,将岩土材料二元介质模型应用于裂隙黄土特性的研究具有较好的适应性。更多还原     

基于 MBM 随机隙宽单裂隙浆液渗透规律的模拟研究

为了研究单裂隙面隙宽分布对浆液渗透的影响,基于多重分数布朗运动 (MBM) 分形理论构建出 4 种不同规则维数下的随机隙宽单裂隙几何模型,从而较真实的反应了天然裂隙面隙宽分布的局部渐进自相似性。通过注浆数值模拟研究发现,压力等值线随时间延续呈现曲折扩散形式,反映了其非均匀渗透特征。裂隙面闭合区分布形态随规则维数降低由点状散布趋向面状集中,其空间位置对浆液后期渗透压力和全程注浆时间影响很大;并且随着浆液入渗发展,节点压力由前期的较快单调增长到后期逐步趋于稳定,越靠近入渗边界的节点达到稳定压力所用时间越短。节点压力与注浆时间成幂函数关系,通过曲线拟合给出了不同参数下的经验方程。     

一种孔隙裂隙网络模型及页岩气渗流模拟

致密油气藏的开采是我国未来能源的主要来源,这种油气藏的低渗和特低渗特点是开采的关键问题之一。为了模拟含孔隙裂隙的致密油气藏中的低渗和特低渗问题,本文首先建立了适于致密岩土介质中渗流模拟的准静态孔隙裂隙双重网络模型,然后分析了一些渗流特性如滑脱效应,并以页岩气开采为例进行了渗流及产量特征模拟。所建模型中较大的孔隙裂隙中的流动采用Poiseuille流,小的孔隙裂隙中的流动采用Forchheimer方程描述。模型中建立了根据孔隙网络计算结果得到宏观渗流参数如含水饱和度、绝对渗透率等参数的方法。通过计算获得了页岩气开采过程中"剩余储量—压力曲线"、"流量-时间"曲线。结果表明,游离气储量的下降和压力梯度有关,以及在无吸附气快速解析时,产量呈指数快速下降的结论。     

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。     

膏浆平面裂隙动水注浆扩散模型研究

为探究膏浆平面大密度裂隙动水注浆扩散模型,首先以宾汉姆流体为研究对象,基于广义达西定律并运用相关力学理论,推导得出考虑膏浆自重的浆液扩散半径计算公式;其次,采用室内模型试验对浆液扩散半径计算公式进行验证,得出扩散半径试验值同理论公式计算值的误差小于10%。以地铁车站基坑堵漏工程为背景,根据浆液扩散半径计算公式,对不同参数进行单因素影响分析,结果表明,灌浆压力差、浆液屈服应力、裂隙半径对浆液扩散影响显著,扩散半径变化率大于60%;同时进行原位试验,对比得出扩散半径试验值同理论公式计算值误差小于10%。因此,在一定误差范围内,建立的扩散模型对平面大密度裂隙动水注浆工程具有指导意义。     

基于速凝浆液流–固相变特性的裂隙岩体注浆扩散机制

速凝类浆液流–固相变特性对裂隙岩体注浆扩散过程具有显著影响。为揭示速凝浆液裂隙岩体注浆扩散机制,以水泥–水玻璃浆液(C-S浆液)作为典型速凝浆液,提出采用基于屈服应力、黏度均随时间变化的Bingham流变本构模型描述速凝浆液流–固相变特性,并通过室内试验获得C-S浆液的屈服应力、黏度时变方程,在此基础上建立速凝浆液裂隙注浆扩散过程理论模型。开展恒定注浆速率下的C-S浆液裂隙注浆模拟试验,获得注浆压力–时间关系与浆液压力空间分布情况,并对理论计算结果进行正确性验证,揭示速凝浆液屈服应力与黏度的时空分布特征,以及静水阻力、流体相阻力、固体相阻力三者在注浆扩散过程中的变化规律。研究结果表明：在C∶S体积比为1∶1,2∶1,3∶1三种工况下,C-S浆液的剪切应力–剪切速率关系均符合Bingham流变本构关系模型,随着C∶S体积比的增加,浆液流–固相变起始时间与结束时间均显著缩短,浆液屈服应力与黏度峰值均显著增加;相比试验结果,基于屈服应力与黏度均随时间变化的Bingham模型、屈服应力固定的Bingham模型、Newton模型的注浆压力计算结果最大误差分别为12.73%～19.62%,20.1...     

速凝浆液裂隙动水注浆扩散数值模拟与试验验证EI北大核心CSCD

针对动水注浆中常用的2种速凝浆液,水泥–水玻璃浆液与高聚物改性水泥浆液,考虑浆液黏度时变特性,应用有限元计算软件COMSOL Multiphysics建立动水条件下裂隙注浆扩散的数值模型,研究动水条件下裂隙注浆扩散规律并分析不同黏度时变特性、初始动水流速与注浆速率对注浆扩散过程的影响,并将数值模拟结果与模型试验进行对比,验证数值模拟方法的有效性。研究结果表明:浆液扩散形态在逆水方向和顺水方向表现出明显的差异性;进水边界处的压力逐渐趋近于远端的地下水压强,注浆初期在裂隙边界附近及绕流区内流速较高,注浆后期整个裂隙内的流速变化幅度不大;在试验条件下,初始动水流速与注浆速率的提高均会导致裂隙内压力及流速的增加,注浆速率对裂隙内压力分布的影响比初始动水流速显著;C-S浆液与GT–1浆液扩散规律类似,但由于两者黏度时变性的差异导致两者扩散规律稍有差别。     

单裂隙隧洞类岩模型力学特性的数值模拟

为了研究隧道围岩中裂隙分布形态对临空面岩体力学特性的影响,对不同裂隙长度、倾角和空间位置的类岩模型进行单轴压缩颗粒流数值模拟试验,并进行了不同试验工况的对比分析。结果表明：模型中裂隙长度与隧道拱顶围岩内部水平拉应力基本呈反比关系,并在拱圈附近一定范围处存在水平拉应力稳定区,进一步得出隧洞拱顶围岩中垂直应力随着隧道埋深的增大而增大,裂隙长度对其影响程度更大。而模型中裂隙倾角与隧道拱顶围岩内部拉应力、拱肩附近围岩内部压应力呈正比关系。此外,随着裂隙空间位置H增加,拱顶围岩内部拉应力与拱肩围岩内部压应力均出现先减小后增加的变化规律,并进一步得出围岩待加固区宽度(系统锚杆长度最小值)与裂隙长度、拱圈半径之间的相互关系式,可为隧道锚杆设计提供一定的理论依据。