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。     

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。     

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.     

粉煤灰对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,调整粉煤灰掺量设计10组配比,进行水泥-水玻璃双液注浆材料的配合比设计与试验研究,通过对实验数据的整理和分析,得出粉煤灰对水泥-水玻璃双液注浆材料凝胶时间与固结强度的影响关系.     

利用废弃钻井泥浆作为注浆浆液的试验研究

矿山钻井工程结束后会产生大量的废浆。对这些废浆能否用被用作为地面预注浆浆液进行了一些试验。钻井泥浆和地层注浆所用的浆液有着不同的性能要求,其材料组成也不完全相同,不能直接用于地层注浆。在实验室里,对钻井废弃泥浆和注浆粘土纯浆的相对密度、粘度、pH值和稳定性等物理性能进行了试验,表明二者的粘度和稳定性差别较大。向两种浆液中添加不同数量的水泥和水玻璃,对其粘度、凝胶时间、静切力、塑性强度和抗压强度等性能进行了对比试验和分析,研究结果表明,在添加一定量水玻璃和水泥后,钻井废浆的各种性能与粘土浆液比较接近,可用于地层注浆工程。     

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.     

水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料试验研究与应用

为解决传统注浆材料在大体积充填注浆时成本高、固废材料利用低、凝胶时间控制不精确等问题,提出水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料。通过室内试验分析改性水玻璃配比、改性水玻璃体积分数和粉料比例对浆液初凝时间、终凝时间、流动度及单轴抗压强度的影响规律;通过工程现场试验,研究该注浆材料的可泵性、操作性,利用物理探测方法,对注浆治理效果进行评价。结果表明,水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料的初凝时间为8~70 s、终凝时间为2~9 min;初凝时间随改性水玻璃体积分数的增加而增长,终凝时间随改性水玻璃体积分数的增加而缩短;凝胶时间与粉料中粉煤灰的质量分数呈正比;浆液流动度与改性水玻璃体积分数及粉料中粉煤灰质量分数成正比;粉煤灰质量分数与浆液结石体抗压强度呈负相关,改性水玻璃体积分数(水泥粉煤灰浆液与改性水玻璃体积之比)为1∶0.6或1∶0.4时,水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料固结体的7 d抗压强度达到峰值9.35 MPa和6.86 MPa;水泥粉煤灰-改性水玻璃注浆材料可提高固废利用率,且各性能满足注浆需要,在实际应用中可依据工程要求调整配比,为类似的注浆工程提供参考。     

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...     

水泥土强度的试验研究

本文通过水泥—水玻璃—粘土试件凝胶时间的测定及无侧限抗压强度测定,用正交方法分析了不同水灰比、不同水玻璃掺量及不同粘土含量对试件强度的影响,提出了水泥—水玻璃双液浆的最优配方,基本解决了旋喷施工时造成的基础瞬时沉降问题,为旅喷注浆的设计与施工提供了依据。     

克服旋喷法造成基础瞬时沉降的工程实践

就旋喷施工时引起基础瞬时沉降这一课题,提出了新的施工技术。即采用水泥水玻璃双液注浆材料,间隔布孔的跳喷施工措施,解决了旋喷施工时的瞬时沉降问题。     

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。     

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.     

滨海潮汐岩溶地表软土注浆技术研究与应用

针对滨海岩溶第四系表层土质地松软、承压能力弱的工程施工难题，以某公司矿山首采区周边土层为研究对象，考虑滨海潮汐作用导致渗流水头变化的特殊因素，通过室内模型试验的手段，选取工程常用水泥-水玻璃双浆液对岩溶表层松软土层进行注浆加固试验研究.结果表明：潮汐半潮及高潮环境下浆脉形态多样，且前进式注浆工艺加固效果最佳；埋深60 cm处定点注浆技术在承压能力及水稳特性提升方面具有最优的增长速率，被注土层抗压强度最大增幅为46.8%，水稳特性增幅区间为773 s.确定将现场采用半潮时段定点注浆技术、注浆深度为表土层平均深度的2/3处，作为滨海岩溶上表松软土层的最佳加固方案.     

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.     

矿用水泥基注浆材料的发展及展望

水泥注浆材料是注浆技术的关键环节,由于结石体强度高、价格低廉、材料来源丰富且无毒,在煤炭行业巷道围岩加固、软岩矿井、矿山充填、堵水防渗及防突水工程等领域发挥关键作用.采用一定工艺技术或掺入合适外加剂,是改善水泥浆液性能、提高结石体力学特性并获得高性能、多功能和绿色环保注浆材料的有效途径.本文提出了矿用注浆材料体系框架,包括注浆理论、注浆材料、注浆设备、注浆工艺及工程应用;综述了近年来矿用水泥基注浆材料的研究成果,包括超细水泥基注浆材料、粉煤灰-水泥注浆材料、水泥-水玻璃注浆材料和其他类水泥基注浆材料,如聚氨酯-水泥、氧化石墨烯-水泥、纳米材料-水泥、活化煤矸石/矿渣-水泥、纤维-水泥基材料,归纳了不同矿用水泥基浆液的优点、缺点及工程应用条件;介绍了矿用水泥基注浆材料在煤矿围岩加固、矿山充填、堵水防渗及钻孔封堵领域的工程应用,并展望了矿用水泥基注浆材料的发展趋势,为我国煤矿注浆材料的研发指明方向.     

钢渣-水泥注浆加固全强风化花岗岩试验研究

为研究钢渣-水泥浆液对全强风化花岗岩的注浆效果,采用了不同水灰比、不同钢渣含量的浆液对全风化花岗岩进行注浆试验,测定了浆液凝结时间、浆液扩散半径,结石体单轴抗压强度,渗透系数的变化曲线,初步确定了注浆效果较好的水灰比与钢渣含量范围.后采用PFC离散元软件对实际隧道掌子面进行数值模拟,进一步评价钢渣-水泥对全风化花岗岩的注浆加固效果,分析最优水灰比与钢渣含量.结果表明:浆液扩散半径随着钢渣含量上升而减小,当浆液水灰比≥1时,浆液扩散半径减小幅度不超过6%;钢渣含量与水灰比,共同影响全风化花岗岩结石体的抗压强度,当水灰比1时,钢渣含量上升,结石体抗压强度先上升后减小,当水灰比≥1时,钢渣含量上升,结石体抗压强度不断升高但速率减慢;结石体的渗透系数随着钢渣含量上升,先增大而后减小,且水灰比越小,下降越明显;全风化花岗岩地层隧道超前加固中,采用水灰比1:1,钢渣含量为6%钢渣-水泥浆液进行注浆,掌子面的稳定性可以得到有效保障,研究成果可为类似全风化花岗岩地层的注浆加固工程提供指导.     

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。     

无水砂层顶管浆液配方及注浆工艺优化

针对无水砂层顶管注浆减阻施工注浆工艺及浆液护壁效果不佳导致施工困难等问题,依托乌兰布和沙漠引水工程,分析了施工现场监测数据,实验室进行了浆液配比试验,对注浆工艺及护壁浆液配方进行优化,并应用于现场,得出如下结论:优化浆液工况顶力峰值较常规浆液工况下降约30％,且顶力稳定、可控;优化浆液工况跟进补浆注浆量峰值较常规浆液工况下降约80％,且注浆量变化稳定;较常规单项注浆工艺,同步注浆+跟进补浆工艺更适用于沙漠地区长距离顶管注浆减阻施工;改良工艺与优化护壁浆液配方显著提高了浆液的护壁效果,有效地解决了砂层施工难题.研究结果对类似工程施工有重要的意义.