基于浆液–岩体耦合效应的微裂隙岩体注浆理论研究

在微裂隙岩体注浆工程中,浆液–岩体耦合效应对注浆扩散过程影响显著。基于宾汉流体浆液本构模型并引入两阶段裂隙变形控制方程,建立考虑浆–岩耦合效应的裂隙注浆扩散理论模型。利用质量守恒条件实现浆液扩散锋面追踪与注浆流量分配,通过试错法实现压力场与速度场的迭代求解,建立可完整描述注浆扩散过程的步进式算法。利用所创建的理论模型及步进式算法,分析浆液压力场及裂隙开度的分布规律,并从浆液扩散半径、裂隙变形所吸收的浆液量两个方面分析不同裂隙开度条件下浆–岩耦合效应对裂隙注浆扩散过程的影响程度。研究结果表明:在微裂隙岩体注浆工程中,裂隙宽度越小,浆–岩耦合效应对注浆扩散过程的影响越显著,注浆压力取代裂隙初始隙宽成为影响浆液扩散半径的主控因素。最后结合青岛地铁花岗岩微裂隙注浆工程实例验证了理论模型及步进式算法的正确性。     

矸石基含水层注浆改造新型材料实验与应用

高承压灰岩含水层上煤炭开采,经常需要对强含水层进行注浆改造,因含水层发育规模巨大,注浆材料用量动辄数万吨。在充分利用地下工程址区厂矿企业固体废弃物煤矸石基础上,研发了一种适用于含水层改造的新型无机注浆材料。通过组分筛选试验、力学性质测定试验、获取了材料的抗折强度、抗压强度、渗透系数等宏观力学性能;采用SEM微观分析手段,分析了注浆结石体的微观结构性能。综合力学性能、经济因素、环境效益,对比了新型材料与常规注浆材料的适用性。结合现场试验,验证了新型注浆材料的效果。研究结果表明:在水泥含量为35%时,新型注浆材料的早期强度与后期强度均高于水泥含量为40%时水泥-黏土浆液的同期强度。材料的最佳配合比为水泥30%,黏土10%,煤矸石60%。该材料体系结石体28 d抗压强度3.4 MPa,28 d抗折强度1.7 MPa,渗透系数1.794×10-7m/s,能够满足含水层改造需求,对类似工程具有借鉴作用。     

基于PSO-LSSVM的砂层可注性预测模型及其敏感性分析

现有砂层可注性评价方法多为分类评价,且分类标准不一,不利于实际工程应用.为此,采用粒子群算法(PSO)对最小二乘支持向量机(LSSVM)进行优化,提出可注性量化预测模型.选取水泥浆液水灰比R_WC、相对密实度D_r、细颗粒（直径＜0.075 mm）含量θ、砂层特征粒径D₁₀和D₁₅为控制变量,开展129组可注性室内试验,以每组试验浆液扩散距离作为可注性量化评价指标.基于PSO-LSSVM方法建立砂层可注性与各控制变量间的关系模型,采用傅里叶幅度敏感性测试法（FAST）对可注性影响因素进行全局敏感性分析.结果表明:PSO-LSSVM模型具有较高的预测精度,砂层可注性模型预测值与试验值基本一致,拟合优度R²为0.982;各影响因素对可注性的敏感性排序为:D₁₀＞D₁₅＞D_r＞θ＞R_WC,其中D₁₀和D₁₅敏感性显著高于D_r、θ和R_WC.     

砂层渗透注浆加固效果模型试验研究

渗透注浆是煤矿井筒穿越砂层段防渗加固的重要手段之一,为研究砂层渗透注浆加固效果,研发了一套砂层渗透注浆模型试验装置,该装置具备多个试样同时注浆、不拆模测试注浆试样渗透系数等功能;以抗压强度、变形模量、渗透系数作为评价砂层渗透注浆加固效果的性能指标,选取砂层粒径级配、黏性土含量、浆液水灰比、注浆压力4个因素作为渗透注浆效果的影响因素,开展了砂层渗透注浆加固效果正交试验,获得了影响砂层渗透注浆效果的主控因素以及不同条件下砂层注浆加固体的变形破坏特征。研究结果表明:砂层经渗透注浆加固后,3 d抗压强度可达到0.5~8.5 MPa,3 d变形模量可达到35~750 MPa,1 d渗透系数可达到10-6~10-7 cm/s数量级;浆液水灰比是控制砂层注浆加固效果的主控因素,随着浆液水灰比的增加,砂层注浆加固体抗压强度、变形模量及抗渗性能均显著降低;砂层注浆加固体破坏模式受浆液水灰比影响显著,低水灰比(W/C=0.8左右)对应整体破坏模式,高水灰比时(W/C=1.6左右)水泥浆液析水效应对加固体破坏过程产生影响,使其呈现出局部破坏模式,在砂层渗透注浆加固工程中应尽可能选用低水灰比的水泥浆液。     

砂土层注浆引起地表隆起机制分析及试验研究

隧道穿越砂土层易发生涌水涌沙、塌方等灾害,注浆是软弱砂土地层常用的加固方式,但浅埋隧道的预注浆极易引起地表隆起。笔者采用数值仿真、模拟实验与现场试验系统研究了注浆抬升效应的机制,结果表明,砂土层注浆引起地层抬升的体积由于地层压缩而逐步耗散,地表显现部分按高斯函数的形状分布。依据砂土层抬升模拟试验与现场监测数据,将抬升过程分为砂土体压缩、裂缝产生与发展、圆台抬升3个阶段,通过试验研究砂土层抬升过程压力、位移变化规律,得到地表隆起曲线与注浆量、加固宽度、地层埋深、地层力学参数之间的定量关系,给出了估算公式,并依托青岛地铁2号线开展现场试验进行验证,希望能够对类似工程提供借鉴。     

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。     

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...     

松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应分析

依托江西萍莲高速莲花隧道,建立考虑松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应的隧道开挖三维有限元计算模型,实现不同管棚注浆加固参数对隧道开挖稳定性影响的定量分析,在数值计算过程中研究注浆加固区力学参数(弹性模量、黏聚力)、管棚间距、注浆半径等因素对隧道稳定性的影响,并将研究成果应用于依托工程中,验证数值计算结果的正确性。研究结果表明:在隧道进洞段,隧道拱顶区域与掌子面前下方区域存在塑性区,上述2个区域为隧道进洞开挖过程中最易失稳的区域;管棚注浆加固可有效限制围岩变形,降低围岩体积应变,且管棚注浆加固区可有效隔离拱顶区域的围岩塑性区,有利于保证隧道拱顶安全;在整个管棚注浆加固长度内,管棚最大沉降量出现在隧道开挖掌子面附近;管棚最大沉降量的绝对值与注浆加固区弹性模量及注浆半径负相关,而与管棚间距正相关,但管棚间距对管棚最大沉降量的影响程度相比其他2个因素小。     

基于“浆-土”界面应力耦合效应的劈裂注浆理论研究

浆液与土体的界面应力耦合效应对土体劈裂注浆过程具有重要影响,劈裂通道宽度由注浆孔向浆液扩散锋面处衰减。基于此,将劈裂注浆扩散过程简化为平面辐射圆,推导了劈裂通道内牛顿流体浆液的扩散运动方程,引入了半无限空间体均匀受力模型并获得劈裂通道宽度控制方程,最终得到劈裂通道宽度及浆液压力的空间分布方程。分析了劈裂通道宽度与注浆压力的空间衰减规律及浆液黏度、土体弹性模量对注浆扩散过程的影响。研究结果表明：注浆压力与劈裂通道宽度的空间衰减趋势具有一致性且均呈现出明显的非线性特征,在注浆孔附近及靠近浆液扩散锋面区域衰减较快;浆液扩散半径与浆液黏度、土体弹性模量负相关。最后通过工程实例对浆脉厚度理论计算值进行了验证,浆脉厚度计算值比现场揭露浆脉厚度实测值大30%左右,计算误差处于可接受范围内,验证了理论的合理性。     

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。