复杂地层钻进中可控复合浆液的研制

复杂地层钻进中常用的注浆材料需要良好的时间可控性和固结体强度,因此研制一种可控时间、增加固结体强度、效果良好的注浆浆液是有意义的。针对以上问题,利用正交试验的方法研制了一种复合注浆材料。在不饱和聚酯中添加水泥及引发剂、促进剂使浆液在要求时间内固化,最终配方的固化时间为62 min,抗压强度为32.6 MPa。该浆液作为化学浆液具有可注性好、浆液粘度低、能注入到细微裂隙中的优点,固结体强度高,并且塑性性能良好,由于在浆液中添加了水泥,降低了成本,较之一些化学浆液有一定的优势。     

砂土介质注浆渗透扩散试验与加固机制研究

设计了一套可视化砂土介质恒压注浆渗透扩散与加固模拟试验装置。选用普通硅酸盐42.5水泥（OPC）、超细硅酸盐水泥（MC）、超细硫铝水泥（MSAC）及自主研发材料（EMCG）,对砂土多孔介质进行了注浆渗透扩散与加固试验。研究了细砂土体不同浆液、注浆压力工况下扩散距离、注浆量随时间变化规律,以及不同浆液、砂样级配及注浆压力对加固效果影响。采用极差分析法确定了加固效果主控因素,获得了加固体宏观破坏模式,通过SEM分析了岩-浆界面微观加固模型,揭示了不同材料加固效果差异的本质原因。研究结果表明：注浆材料与颗粒质量分数主导着细砂土体可注性,注浆压力对可注性提高程度不大,EMCG可注性最强,MC、MSAC次之,OPC最差;在完全可注情况下,砂样级配越细,加固体强度改善效果越明显;EMCG材料加固体7、28 d强度明显高于MSAC、MC、OPC加固体;EMCG的7 d加固体强度达到28 d参数70%以上;注浆材料主导着注浆加固效果,EMCG对不同级配砂土体注浆加固效果显著优于其他水泥类材料,OPC最差;注浆后EMCG浆-岩界面生成的致密C-S-H凝胶体能够有效提高胶结强度。最后从注浆材料选型、注浆过程控制、钻孔布置方面对砂土层渗透注浆设计方法提出了工程治理改进建议。     

富水粉细砂层盾尾同步注浆浆液渗透-压密扩散机制研究

为探究富水粉细砂层中盾尾同步注浆浆液扩散规律,将浆液扩散过程中滤饼开始生成的时间作为浆液渗透扩散与压密扩散转折点,建立考虑渗滤效应的浆液渗透扩散理论公式及浆液压密扩散影响半径理论公式,并通过自主研发设计的盾尾同步注浆系统进行相似模型试验,验证理论公式合理性。结果表明：（1）在富水粉细砂层中,浆液扩散规律与常规单一扩散模式不同,呈渗透-压密两阶段;（2）滤饼的作用在于将以孔压形式存在的浆液压力转化为有效应力作用于土体骨架,滤饼开始生成后,浆液扩散模式由渗透扩散转变为压密扩散;（3）由浆液压力有效应力转化率曲线变化规律可知,注浆压力越大,滤饼开始生成时间越短,即浆液渗透扩散持续时间越短;（4）随着注浆压力增大,浆液压密扩散阶段影响半径也变大,通过试验及理论计算确定注浆压力为0.4 MPa时对地层扰动范围约为1倍隧道开挖轮廓。该研究成果可为富水粉细砂层中盾尾同步注浆施工提供理论支撑。     

高活性粉煤灰注浆材料的防渗特性及 在帷幕灌浆工程中的应用

高活性粉煤灰注浆材料与普通水泥注浆相比较,具有颗粒细、渗透性好、结石率高,强度可靠,耐久性好,成本低等优点,适用于岩土工程的防渗加固处理。实践证明,高活性粉煤灰注浆材料用于水库在坝的帷幕灌浆有较好的防渗抗渗效果,能显著提高坝基的防渗质量,是一种较为理想的防渗注浆材料。     

黏度时变性灌浆材料加固碎裂岩体应用研究

针对普通水泥浆流动时间长、早期强度低、可灌性差,在复杂岩体注浆中质量难以保证的问题,提出以普通水泥浆为基浆,对普通水泥浆适当掺加外掺剂进行改良,以调节水泥水化及硬化进程,形成SJP黏度时变性灌浆材料。其特征主要为浆液初始流动性好,浆液黏度增长缓慢,浆液过可泵时间后其黏度将迅速增大,浆液在可泵时间内保持良好的可灌性;浆液流动时间可控,可泵时间到初凝时间间隔短,浆液不易被冲蚀;同时浆液固结体具有前期强度增长快,后期强度高的特点;可以根据不同岩层特点,改变外掺剂的加入量,可以形成与地层良好适应性的灌浆材料。应用结果表明:对于陡倾、宽缝、碎裂岩体,SJP黏度时变性灌浆材料具有良好适宜性,可以作为锚杆灌浆材料,在减少材料用量的同时,可缩短工时,灌注质量满足设计要求。SJP灌浆材料已应用到坝基加固、房屋地基处理、地质灾害治理工程中。     

纤维硅灰水泥石强度与浆液抗冲刷特性

针对隧道突水灾害防治对注浆材料的特殊要求,在水泥浆中加入外掺剂改善其力学特性与抗冲刷特性。通过测试不同水灰比、纤维掺量、硅灰掺量下水泥石的抗压与抗折强度,得出各水灰比下的强度最佳配合比,并测试最佳配合比下浆液的流动性与抗冲刷特性。试验发现,纤维与硅灰的掺入能够显著提高水泥石的强度,且对浆液的流动度影响不大;低流速下纤维硅灰水泥浆的抗冲刷特性较纯水泥浆改善显著,但流速较高时其抗冲刷特性仍较差。基于此,在纤维硅灰水泥浆中再掺入可再分散性乳胶粉进一步改善浆液抗冲刷特性。试验结果表明,可再分散性乳胶粉能明显改善浆液抗冲刷特性,即使在较高流速（0.6 m/s）下,其浆液留存率仍达到60%以上。研究结果为隧道突水灾害防治与动水注浆浆液选择提供了参考。     

考虑浆液黏度时空变化的速凝浆液渗透注浆扩散机制研究

速凝类浆液的黏度时变性及双液注浆方式导致浆液黏度空间分布不均匀,在渗透注浆理论模型中应当考虑浆液黏度空间分布不均匀性的影响。基于黏度时变性宾汉流体本构模型,引入了描述渗流过程的均匀毛管组模型,建立了恒定注浆速率条件下考虑浆液黏度时空变化的一维渗透注浆扩散模型。设计了一维可视化渗透注浆扩散模拟试验系统,获得了不同介质渗透率及不同注浆速率条件下水泥-水玻璃浆液(C-S)注浆压力随时间变化规律。研究结果表明:考虑浆液黏度空间分布不均匀性时,孔口注浆终压计算值为试验值的1.2~1.4倍,浆液扩散距离计算值为试验测量值的0.9~1.1倍,计算值与试验值的误差在可接受范围内,所创建的理论模型可较好地描述速凝浆液一维渗透注浆扩散过程。不考虑浆液黏度空间分布不均匀性时,孔口注浆终压计算值为试验值的3.5~4.1倍,浆液扩散距离计算值为试验测量值的0.5~0.7倍,显著高估了注浆压力、低估了浆液扩散范围。因此,在注浆设计中应充分考虑速凝浆液黏度空间分布不均匀性。     

粉煤灰灌浆材料在地质灾害防治工程中的应用

我国是地质灾害频发的国家。地质灾害的快速治理与应急抢险是减轻人民生命财产损失的主要手段和措施。地质灾害抢险救灾的工程实践表明，有效的灌浆和堆载是地质灾害防治工程的重要技术手段。因此，就灌浆而言，研究与之适应、性能可靠的灌浆材料是十分必要的。针对普通水泥在灌浆工程中的不足，提出了以工业废料粉煤灰为主要成分研制适应地质工程施工特点的新型灌浆材料。经过系统研究，提出了具有早强特点和可灌性好的复配方案。通过细化和均化等加工技术制成的灌浆材料具有浆液稳定，可灌性好，凝结时间可调，结石率高，强度高的特点。在静压注浆、高压旋喷注浆和帷幕灌浆等地质工程施工中的应用初步验证了这种粉煤灰灌浆材料的性能特点，能够在地质灾害防治工程中推广使用。     

改进型化学浆液在钱营孜煤矿副井井筒防水堵漏中的应用

钱营孜煤矿副井立井已进行过多次注浆治理,但其涌水量仍高达10 m3/h。针对目前井壁可注性差,如再进行注浆将面临注浆压力高、难度大等问题,提出了采用改进型化学浆液注浆防水堵漏的施工方案。改进型化学浆液为固砂溶胶,该浆液由十余种化学材料配制而成。在系统分析了井筒水文地质工程地质条件后提出了适宜的施工方案。在方案实施中不断进行施工参数动态优化。最终实现注浆后涌水量仅为0.32 m3/h,堵水率高达97%。      

基于脉动注浆的宾汉流体渗透扩散机制研究

脉动注浆虽已在注浆防渗加固工程中得到推广应用,但浆液在脉动压力下的渗透扩散机制却鲜有报道,导致理论远滞后于工程实践。以宾汉流体流变方程、渗流方程及颗粒沉积理论为基础,推导了脉动压力下宾汉流体的渗透扩散理论计算公式,分析了脉动注浆参数对浆液扩散距离的影响,并通过室内注浆模拟试验对其进行了验证。结果表明,脉动压力下宾汉流体渗透注浆扩散理论计算值与试验实测值间存在一定误差,但能满足工程要求,可用于指导工程施工。随着脉动注浆连续时间的增长或地层初始孔隙率的增大,浆液扩散距离随之增大,而随着脉动注浆间隔时间的增长或地层初始孔隙率的减小,浆液扩散距离随之减小,实际注浆工程中为确保有效的浆液扩散距离,宜根据岩土体孔隙率合理地调节脉动连续时间和脉动间隔时间。研究成果可为脉动注浆理论研究提供借鉴,为实际施工提供理论指导。     

黑山煤田封堵涌水孔段的浆液和注浆方法

黑山煤田处于沙漠边侧,地层有纯砂粒构成的、透水性较強的中细砂层,这类地层中如含有承压水时,会发生钻孔涌水,对于中细砂涌水钻孔,用泥浆冲孔时,可通过适当增大泥浆相对密度,来压制地下水涌出,ZK18-28孔是涌水孔,也是采用绳索取心钻进的孔,因此不宜使用高相对密度泥浆。用套管亦未奏效。若用注浆法,对于中细砂层是不适用水泥浆的。而溶液型浆液的注浆封堵中细砂层,在技术有可行性,对于涌水压力不大的孔,又有可用低强度,因而也是低成本的浆液,因此选择了比较亷价的水玻璃类的SPN浆液,并采用双隔离塞的注浆法,在ZK18-28孔中取得了封堵中细砂涌水层的初步封堵效果。     

地层中粉细砂在盾构壁后注浆中的再利用研究

南京长江隧道主要穿越的地层为粉细砂,这种地层具有良好的级配,如果开挖后直接排放易造成堆放环境问题,也造成了资源的浪费。为此,研究了开挖排放的粉细砂在盾构壁后注浆中的再利用的问题。通过考虑地层不均质性--土砂比,研究了各种渣土情况下的浆液性质的变化。结果表明,盾构开挖排放的粉细砂渣土能够满足盾构壁后注浆施工的要求,浆液配方应根据土砂比的变化,快速作出调整,以保证浆液的性质不发生较大的变化。     

Groutability of cement‐based grout with consideration of viscosity and filtration phenomenon

The groutability depends on the properties of the grout, its injection processes, and on the mechanical properties of the soil formation. During the process of pouring cement‐based grouting into a porous medium, a variation with time occurs in the viscosity of grout suspension. In addition, the particle filtration phenomenon will limit the expansion of the grouted zone because cement particles are progressively stagnant within the soil matrix. In this paper, a closed‐form solution was derived by implementing the mass balance equations and the generalized phenomenological filtration law, which can be used to evaluate the deposition of cement‐based grout in the soil matrix. The closed‐form solution relevant to a particular spherical flow was modified by a step‐wise numerical calculation, considering the variable viscosity caused by a chemical reaction, and the decrease in porosity resulting from grout particle deposition in the soil pores. A series of pilot‐scale chamber injection tests was performed to verify that the developed step‐wise numerical calculation is able to evaluate the injectable volume of grout and the deposition of grout particles. The results of the chamber injection tests concurred well with that of the step‐wise numerical calculation. Based on the filtration phenomenon, a viable approach for estimating the groutability of cement‐based grout in a porous medium was also suggested, which might facilitate a new insight in the design of the grouting process. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

渗流作用对砂砾石层灌浆的影响试验研究

通过在试验砂槽中进行灌浆试验,研究了渗流作用对砂砾石层灌浆的影响。首先,在选定水泥浆作为灌浆材料的前提下,验证了砂砾石材料的可灌性,确定了灌浆的有关参数,包括浆液水灰比、灌浆时间、灌浆压力、灌浆深度等;其次,在无渗流作用下,研究了灌浆压力、浆液水灰比与浆液扩散范围之间的关系;最后,在有渗流作用下,通过调整上下游水位差,研究了灌浆压力、渗流强度与浆液扩散范围之间的关系。研究结果表明,渗流作用对灌浆压力与浆液扩散范围所呈的线性关系无明显影响,不同灌浆压力条件下,渗流强度与浆液扩散范围之间呈明显的非线性关系     

基于波速测试的裂隙岩体固结灌浆效果分析

以福建某坝基固结灌浆工程实例为研究对象,采用单孔、跨孔声波测试及地震波测试技术对灌浆前、后岩体纵波波速进行检测。采用弹性理论计算动弹性模量,研究灌浆前、后变形参数的变化;对Hoek-Brown准则进行修正,用波速计算Hoek-Brown准则的强度参数,研究灌浆前、后强度参数的变化。研究结果表明,固结灌浆效果受岩体本身的可灌性控制,并受岩体结构影响。不同方向的固结灌浆效果是不同的,对于强风化岩体,垂直向固结效果优于水平向;对于具有缓倾结构面的中风化岩体,水平向固结效果优于垂直向。动弹性模量提高率与波速提高率呈二次函数关系。强风化岩的m（为Hoek-Brown常数）和s（为与岩体质量有关的常数）值提高率与波速提高率均呈一次函数关系,中风化岩则均呈三次函数关系。研究成果对灌浆设计和施工有重要的指导意义。     

多功能注浆测试装置的研制

介绍了一种基于径向注浆扩散模型的新型注浆测试装置,该装置较好地模拟了实际注浆工艺,可进行单液压力注浆和双液压力注浆试验及循环式等多工艺注浆试验,并可同时测试防渗性、可注性、扩散性及固结体强度等指标,实现了用一台仪器进行多工艺条件下的多项指标或数据测试,具有多功能性;试验研究也证实了其可行性和实用性.     

Multi-scale modelling of the permeability evolution of fine sands during cement suspension grouting with filtration

Fluid flow during permeation grouting of fine sands with a microcement-based grout is studied by assuming that the heterogeneous medium composed of the initial granular skeleton, filtered cement and the interstitial fluid phase can be replaced by a continuous equivalent medium at the macroscopic level. Consequently, the method of Homogenization of Periodic Structures (HPS) is used to identify the effective permeability tensor evolution under the effect of cement filtration. The expression of the macroscopic permeability tensor derived through the HPS procedure is shown to depend on the permeating fluid viscosity and the geometrical arrangement of the sand grains and cement deposit within the microstructure. Numerical computations are made using various two-dimensional and three-dimensional microstructures, and the model results are confronted with grouting experiments performed on small scale columns in the laboratory.