黏度时变双液浆盾构壁后注浆过程数值模拟研究

在盾构壁后双液浆注浆施工过程中,因双液浆具有显著的黏度时变特性,导致盾尾间隙难以被填充完全。为深入探讨双液浆黏度时变性和施工参数对浆液填充扩散情况的影响,根据下沙隧道工程注浆工艺及参数,基于有限元软件 ＣＯＭＳＯＬ创建了盾尾壁后注浆局部模型。通过控制变量,分析了浆液黏度时变性、入口注浆压力和注浆孔位置对注浆扩散形态的影响,并给出了不同条件下浆液速度场和压力场的演化规律。试验结果表明：浆液填充速度与浆液黏度呈负相关关系,考虑浆液黏度时变性后,浆液后期填充速度显著减慢,浆液填充整体表现出先快后慢的发展趋势;浆液填充速度与入口注浆压力呈正相关关系;不同位置注浆孔的局部注浆形态存在较大的差异,这主要是受浆液自身重力的影响所致。     

变态混凝土施工中浆液的渗透机理

首先分析了变态混凝土混合物(MC)的特性,认为碾压混凝土拌合物(RCC)可视作各向同性、孔隙分布均匀的多孔介质,MC浆液可视为幂律型流体.通过仿真发现在重力作用下,MC浆液在RCC中的渗透近似柱形扩散.因此基于柱形扩散理论,假设浆液渗透流动为层流,建立了变态混凝土施工中的注浆模型.运用渗流力学基本定律,推导出浆液扩散半径与注浆压力、渗透系数、稠度系数、流变指数、注浆管半径、注浆时间和孔隙率之间的关系.通过因子分析,研究了各参数对浆液扩散半径的影响,结果表明:注浆压力、流变指数对扩散半径的影响最大,渗透系数的影响次之,稠度系数和孔隙率的影响相对较小.本研究为多管插入式压力注浆施工方法提供了理论依据.     

基于颗粒吸附概率模型的渗透注浆滤过机制研究

滤过效应对悬浊液渗透注浆扩散具有重要影响,滤过系数为渗透扩散关键影响参数,现有研究多将该系数假定为常数,具有较大局限性。考虑渗流域内各组分质量守恒,引入线性滤过定律,采用颗粒沉积概率模型描述水泥颗粒在多孔介质内沉积吸附行为,建立了考虑渗滤效应的水泥浆液渗透注浆柱形扩散理论模型。基于一维渗透注浆试验过程信息,提出了柱形扩散理论模型参数反演确定方法。开展了三维渗透注浆柱形扩散模型试验,结合理论模型计算结果,对比分析了孔隙率及浆液压力时空变化规律,探讨了注浆速率及浆液水灰比对滤过机制影响规律,并对理论计算模型准确性进行了验证。结果表明,注浆速率越小,注浆口处孔隙率衰减量越大,同时孔隙率沿浆液扩散方向衰减越剧烈;浆液水灰比越小,孔隙率衰减越快,滤过效应越显著。与试验值对比,所建立模型孔隙率最大计算误差小于12%,注浆压力最大计算误差小于14.2%,所建立模型可较好地描述水泥浆液多孔介质柱形扩散过程。     

土体劈裂注浆加固主控因素模拟试验

为了分析注浆挤密及浆脉骨架对注浆加固效果的影响,确定注浆加固主控因素,提出注浆挤密系数及浆脉骨架系数和其计算方法,设计土体劈裂注浆加固三维模拟试验系统,开展土体注浆加固模拟试验.采用凝固时间显著不同的水泥浆液及水泥-水玻璃浆液分别对土体进行注浆加固,形成不同空间分布状态的浆脉骨架;通过测定注浆压力、土压力、土体密度及浆脉空间分布特征确定注浆挤密系数及浆脉骨架系数;监测隧道收敛变形以评价注浆加固效果,定性分析注浆挤密及浆脉骨架作用对注浆加固效果的影响.研究结果表明,水泥-水玻璃浆液注浆挤密程度大于水泥浆液,水泥-水玻璃浆液骨架作用小于水泥浆液;注浆挤密作用对于注浆加固效果的影响程度大于浆脉骨架作用,注浆挤密作用是影响土体劈裂注浆加固效果的主控因素.     

浆液性质对注浆压力及扩散方式的影响规律

为研究浆液性质对于注浆压力及浆液扩散模式的影响规律,设计了注浆扩散模拟试验系统。该系统通过采用整体填土压实,相比常规人工分层填土压实,可有效避免土体内部层间界面的产生,从而避免层间界面对于浆液扩散的影响。通过上述注浆扩散模拟试验系统开展了羧甲基纤维素钠浆液(模拟渗透注浆)、水泥单液及水泥-水玻璃浆液的土体注浆试验,分析注浆压力及浆液扩散特征,并针对注浆压力进行理论分析验证。研究结果表明:浆液性质对于注浆压力增长及劈裂特征点具有显著影响,通过分析注浆压力增长趋势及劈裂特征点特征可判定浆液扩散模式。     

幂律型流体柱形渗透注浆机制

为进一步完善与丰富幂律型流体的渗透注浆理论,探讨了幂律型流体的柱形渗透注浆机制.采用理论分析与实验研究等方法,以幂律型流体流变方程及渗流运动方程为基础,推导了幂律型流体柱形渗透注浆扩散机制;分析它的适用范围及参数确定方法,并设计室内注浆试验对其进行验证.结果表明:实际测量计算的幂律型流体在被注砾(砂)石体中的等效扩散半径值与由幂律型流体柱形渗透注浆扩散机理公式计算出的扩散半径理论值间虽有30%35%的差异,但都处于可接受误差范围内.幂律型流体柱形渗透注浆扩散机理在整体上能较好地反映幂律型流体在被注介质中的柱形注浆渗透扩散规律,可为实际注浆施工提供理论支撑与指导作用.     

超细水泥注浆材料煤壁注浆加固试验研究

目前工作面煤壁注浆加固主要采用有机注浆材料,成本过高,普通水泥注浆材料在煤体中扩散性差,且与煤体黏接力小.将成本低廉的超细水泥注浆材料应用于煤壁注浆加固,研究了浆体黏度、凝结时间以及结石体强度等性能,并在山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司3305工作面撤架通道煤壁进行了注浆加固试验,结果发现,浆液凝结时间短,结石体强度达到9.6MPa,浆液扩散半径大于3 m,煤体黏接强度达到3.6MPa,证明超细水泥注浆材料可以在煤壁中良好渗透扩散,对控制煤壁片帮具有良好效果.     

宾汉姆流体柱—半球形渗透注浆形式扩散参数的研究(“研究生论坛”稿件)

文献检索表明：目前国内外还没有一个能较准确计算宾汉姆流体柱—半球形渗透注浆形式扩散参数（如,半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度等）的理论公式,导致理论远滞后于工程应用。以宾汉姆流体流变方程及渗流运动方程为基础,采用理论分析与实验研究等方法,研究了宾汉姆流体柱—半球形渗透注浆形式的半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度理论计算公式;分析了宾汉姆流体流变性、注浆压力、地下水压力及注浆管半径对柱—半球形渗透注浆形式的半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度的影响;设计注浆试验对其进行验证。结果表明：由宾汉姆流体柱—半球形渗透注浆形式的半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度理论公式计算出的半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度理论值与注浆试验的实测值间虽有25%-30%范围内的差异,但都处于可接受误差范围内。因此,研究成果可为实际注浆施工提供理论支撑与指导作用。     

基于考虑时变性的宾汉姆流体的渗透注浆机理研究（“研究生论坛”稿件）

结合宾汉姆流体的流变方程与流体粘度的时变性特性,建立了考虑时变性的宾汉姆流体的流变方程与渗流运动方程,并在一些假设的基础上,推导考虑时变性的宾汉姆流体的球形及柱形渗透注浆机理,通过设计两组室内注浆试验对其进行了验证。试验结果表明:由考虑时变性的宾汉姆流体的渗透机理公式计算出的理论扩散半径与试验实际测量的扩散半径虽然有20%左右的差异,但处于可接受误差的范围内,因而在总体上能够较好地反映考虑时变性的宾汉姆流体的注浆渗透规律,对注浆设计、施工和理论研究等方面具有一定的参考价值与指导作用。     

土的粒度成分对土体可注性的影响分析

土体中粒度成分对土体的渗透性有着直接影响。在标准砂中加入不同比例的原状土来模拟不同黏粒含量的土体,通过变水头渗透实验测出了试验土样的渗透系数;利用SPSS软件回归出了土的黏粒含量与渗透系数的函数关系,进而简化了土体渗透注浆中浆液扩散半径的确定方法。对Maag公式进行了推演,为渗透注浆中选定注浆材料、确定浆液配比、注浆压力和注浆时间提供了理论依据。     

水泥浆液在黄土中注浆扩散的现场试验研究

针对原状和重塑黄土进行水泥注浆现场试验研究,得到了原状和重塑黄土在不同注浆压力下水泥浆液注浆量与时间的关系曲线。观察现场注浆结石体分布特征,分析了水泥浆液在原状黄土和重塑黄土的扩散规律,揭示出水泥浆液在黄土中以劈裂的形式进行扩散,注浆结石体自注浆孔向外延伸呈脉板状。基于现场试验数据分析,定义有效注浆时间概念,并得到注浆压力、扩散半径及注浆量随有效注浆时间的变化关系式。研究成果可为黄土中水泥注浆理论研究提供借鉴,并为实现黄土地区水泥注浆加固工程的快速设计分析奠定基础。     

盾构隧道壁后注浆充填模型

在明确浆液流变特性及流变参数的基础上,基于宾汉姆流体方程推导了壁后同步注浆充填模型.通过参数敏感性分析表明,随着浆液流变参数增大、盾构掘进速度加快、注浆压力减小、管片外半径增大、注浆孔数量减少,浆液对盾尾空隙的注浆充填率均呈非线性降低趋势.     

浆液浓度对双液注浆材料凝胶时间影响的试验研究

选用不同稠度的水泥浆及不同浓度的水玻璃,进行水泥—水玻璃双液注浆材料的配合比设计与试验,4种W/C与4种0Bé共设计16组配比,通过对实验数据的整理和分析,得出浆液浓度对水泥—水玻璃双液注浆材料凝胶时间的影响关系.     

矿渣粉对C-S双液注浆材料性能影响的试验研究

在固定水泥浆稠度及水玻璃浓度的前提下,设定水泥浆液与水玻璃浆液的体积比为1∶1,调整矿渣粉掺量设计8组配比,进行C-S双液注浆材料的配合比设计与试验研究.通过对注浆材料的凝胶时间、固结强度及固结形貌的分析研究,来探索矿渣粉对C-S双液注浆材料注浆性能及硬化性能的影响关系.     

矽卡岩型矿床帷幕注浆浆液扩散半径的关键影响因素

以鲤泥湖铜铁矿床为研究对象,采用多物理场耦合两相流数值模型,模拟研究静水条件下浆液密度、注浆压力等关键因素对水泥尾砂浆浆液扩散半径的影响。研究结果表明：在静水条件下,浆液密度从1 270 kg/m³增大到1 680 kg/m³时,浆液扩散半径由6.775 m减小至6.168 m;注浆压力从4 MPa增加到10 MPa时,浆液扩散半径由6.674 m增大至6.988 m。最后,通过数值模拟研究分析得到影响浆液扩散半径关键因素的最优组合,提出了浆液密度1 560 kg/m³、注浆压力8 MPa、注浆孔间距8 m的帷幕注浆合理方案。     

破碎围岩锚注加固浆液扩散规律研究

基于连续介质力学和渗流力学理论,运用渗透张量法得出浆液在破碎围岩中扩散的基本方程;并通过对实际锚注支护工程进行假设与简化,建立锚注加固系统浆液在包含正交裂隙组的围岩中渗透扩散的数学模型.在此基础上,运用COMSOL软件对锚注支护工程进行实时模拟,研究了不同注浆压力和不同注浆锚杆布置方式对浆液流动扩散规律的影响.结果表明：对于巷道锚注支护工程,合理的注浆压力约为1.0～4.0MPa,合理的钻孔间距约为浆液扩散半径的1.3倍左右.将研究成果用于祁南煤矿新掘大巷锚注支护设计,取得了良好的效果.     

盾构隧道同步注浆浆液压力时空分布规律

盾构隧道施工过程中同步注浆浆液压力变化对邻近管片结构内力分布有较大影响,为实现对注浆压力的精细化控制,保证盾构安全掘进,研究浆液压力的时空分布规律.在考虑浆液粘度和地层渗透系数时变性的基础上,统一了同步注浆过程中浆液填充、扩散与消散过程,得到了浆液压力沿管片环向与纵向分布的理论计算式.依托工程实例及浆液流变试验结果,建立数值模型,得到了浆液压力沿管片三维时空分布规律.研究表明:同步注浆过程中浆液固结及注浆压力的衰减对浆液压力分布影响较大.浆液粘度增大,浆液流动性与地层渗透系数逐渐减小,使浆液压力沿管片扩散及消散幅度减小,进而影响管片内力分布.考虑了浆液压力时空变化特性的计算模型使管片受力特征与现场实测结果更加接近.研究成果为精细化分析施工阶段管片受力提供了计算依据.     

椭圆形裂隙中渗透注浆扩散规律的研究

为了研究裂隙岩体注浆浆液的扩散规律,将单一裂隙简化为椭圆形裂隙,利用广义柱面坐标、牛顿内摩擦定律、达西定律、渗流微分方程和边界条件下的连续性方程,推导出水平椭圆形裂隙中,层流状态下的牛顿液体在渗透注浆过程中各个参数之间的关系,研究了椭圆形岩体裂隙中渗透注浆的扩散规律.     

双圆盾构隧道同步注浆扩散及环向压力研究

假定双圆盾构盾尾注浆浆液为牛顿流体,并考虑到浆液粘度随时间变化的特性,提出双圆盾构的管片同步注浆的两阶段扩散机理。浆液首先在盾尾注浆孔附近呈球形扩散,继而沿着盾尾间隙范围内弧形扩散。推导了双圆盾构管片同步注浆的浆液扩散半径及其沿管壁的环向压力计算公式。     

土石分层介质注浆扩散的试验研究

为了探索土石分层介质中的注浆扩散规律,设计一套分层介质注浆试验装置,开展土石分层介质注浆试验研究.通过分析浆脉分布特征、注浆压力变化特征和界面加固体渗透特征,分析浆液在土石分层介质中的扩散模式及其加固效果.讨论现有注浆理论对求解分层介质注浆扩散问题的适用性,提出针对土石分层介质灾害治理工程的注浆控制方法.研究结果表明：分层界面两侧介质不同的被注时序响应浆液不同的穿层路径,分层介质的层间突变性导致浆液发生渗透-界面式、劈裂-渗透式和渗透-界面-劈裂式这3种不同的扩散模式,分别对应界面浆脉黏结、贯穿浆脉连接和并行浆脉架构3种加固特征;提出注浆材料动态调节、同孔多序梯度注浆和分层界面控域注浆3种土石分层介质注浆控制方法.