黏土地层盾构隧道临界注浆压力计算及影响因素分析

合理选择注浆压力是确保盾构隧道壁后注浆效果良好的前提。假定在黏土地层中,壁后注浆先对周围土体产生压密效应,当注浆压力超过一定值以后,浆液开始劈裂土体。为得到最优注浆压力,基于弹塑性理论,推导了考虑浆体无限扩张时的注浆压力上临界值计算式;将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,推导了考虑螺栓剪切破坏的注浆压力上临界值计算式;基于主、被动土压力公式,提出了保持地层稳定的注浆压力上、下临界值计算式。在此基础上,提出了最优注浆压力计算方法。通过工程实例,分析了土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,及隧道埋深对临界注浆压力的影响。结果表明：临界注浆压力与土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,管片结构性能以及隧道埋深等因素有关;上临界值随着土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压及隧道埋深的增大而增大;下临界值亦随隧道埋深的增大而增大。     

全风化花岗岩地层中高固相离析浆液灌浆机理研究

全风化花岗岩地层稳定性差、遇水易发生崩解,工程上使用常规材料防渗加固注浆时效果较差。针对这一情况,依托湖南省郴州市莽山水库防渗加固灌浆项目,通过自主设计的全风化花岗岩地层注浆室内模拟试验装置,进行模拟注浆试验,实现了浆液在整个注浆过程中的扩散情况模拟,对不同注浆压力、不同位置点所取试样开展单轴抗压、抗剪强度及渗透率测试试验,对不同注浆压力下完整结石体取样观察,研究以全风化花岗岩颗粒为配方主体材料的高固相离析浆液在全风化花岗岩地层的防渗加固效果及浆液扩散模式。结果表明:该浆液在全风化花岗岩地层扩散过程中经历了渗透扩散、挤密压缩、劈裂扩展三个阶段,是一种复合注浆形式;以全风化花岗岩颗粒为主体的高固相离析浆液在全风化花岗岩地层注浆中效果显著,随着注浆压力提升,单轴抗压强度显著提升为原土体的3.25～13.67倍,抗剪强度在不同法向压力情况下提升为原土体的1.63～2.69倍,渗透系数从10?4 cm/s下降至10?5 cm/s甚至10?6 cm/s。     

盾构隧道壁后注浆扩散模式及对管片的压力分析

在假定注浆浆液为牛顿流体,并在盾尾间隙影响厚度范围内均匀柱面扩散的前提下,通过引入等效孔隙率替代土体本身的孔隙率来考虑建筑间隙的影响,对盾尾注浆和管片注浆2种情况下的浆液渗透范围及因注浆而对管片造成的压力进行了理论推导,得到了浆液扩散半径及对管片产生的压力计算式。结果表明,盾构隧道壁后注浆浆液的扩散半径及对管片产生的压力与注浆压力、注浆时间、土体特性及浆液性质等众多因素有关,盾尾注浆对管片产生的注浆压力小于管片注浆对管片产生的压力。在假定其他参数已知的条件下,通过一具体实例,讨论了盾尾注浆时浆液扩散半径及注浆对管片产生的压力与注浆压力及注浆时间的关系。结果显示,虽然增大注浆压力、延长注浆时间均能增大浆液的扩散半径及对管片产生的压力,但增长速度不尽相同。     

基于模型试验的劈裂注浆机制分析

依托钟家山隧道帷幕注浆工程,设计了一套大比例劈裂注浆模型试验装置,模拟断层破碎带劈裂注浆过程,通过布设监测元件记录,分析注浆过程关键参数的变化规律,通过开挖充填介质直观揭露浆脉分布特征。试验发现,注浆过程中土体劈裂压力呈现类似脉冲状变化规律,试验条件下土体启劈压力 0.12 MPa,与现有理论解进行了对比分析。基于浆液扩散形式转换、主次生劈裂通道饱和、新劈裂通道形成和后续次劈裂区域饱和4个阶段,分析了土体劈裂压力变化机制,提出了主、次生劈裂压力值界定方法,并对试验条件下7次主劈裂压力值、53次次生劈裂压力值进行了分析,发现主劈裂压力值呈递增规律。结合P-t曲线从能量角度将劈裂过程划分为土体劈裂能量积聚、劈裂和浆液能量转移3个阶段,通过开挖充填介质揭露浆脉的空间分区域分布规律和主、次生浆脉共存规律并分析其成因,在钟家山隧道帷幕注浆工程进行现场应用试验,进一步验证了试验结论的正确性。试验结论对于注浆理论的认知和注浆工程的应用有一定的指导作用。     

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。     

三维注浆模型试验系统研制及应用

为研究注浆扩散规律和加固机制,研制了三维注浆模型试验系统,该系统由承载试验台、伺服稳压供水单元、注浆单元、多元信息监测单元及图像采集单元组成。该系统主要功能包括不同岩体介质中参数灵活可调的多孔注浆、多序次注浆模拟试验及被注岩体内部物理场信息实时采集,其主要优势体现在：（1）试验腔设计为组合桶式结构,密封性强,拆卸方便,利于注浆加固体细部研究;（2）多腔气动联合控制水压加载方式可提供持续稳压的地下水环境;（3）多元信息并行实时监测系统可同时采集被注岩体内不同空间位置的总压力、孔隙水压力及位移等信息,实现注浆过程中物理参量时空变化规律的研究。利用该试验系统进行黏土介质单孔注浆和多孔分序次注浆模拟试验,获得注浆压力p变化特征及土体内部力学响应规律：p - t曲线呈多个波峰-波谷旋回,表征劈裂注浆为主的加固模式;注浆荷载作用下,总压力、孔隙水压力、有效应力与注浆压力基本同步变化,注浆结束点达到峰值,其后开始衰减并逐渐趋于稳定;与单孔注浆相比,多孔、多序次注浆可显著提高土体有效应力,黏土逐渐压缩固结,力学性质改善。试验表明,黏土介质以劈裂注浆为主,不同序次浆脉间接触关系复杂,可划分为剪切劈裂、原位顺层劈裂及入侵劈裂3种基本模式;采用多孔、小注浆速率试验方法,可减小围岩扰动,增大注浆量及土体压缩固结程度,提高注浆加固效果。研究成果对揭示黏土介质注浆机制具有一定的科学价值。     

压密注浆的能量分析方法

为了能够从能量的角度分析压密注浆的力学机理,并给出注浆压力的理论解,将整个注浆过程视为无限土体中的圆孔扩张问题,根据注浆过程中能耗区土体在注浆压力和静止土压力作用下的应力、应变和体变关系以及注浆扩孔过程中的能量和体变守恒原理,推导出压密注浆极限注浆压力的理论解答。计算和分析表明,理论解的计算结果与工程实际比较吻合,而且球形扩孔的注浆压力比柱形扩孔的注浆压力要小得多,初步证实了理论解的可靠性。     

上海淤泥质粘土注浆劈裂效应的细观分析

劈裂注浆是目前应用最广泛的一种注浆方法,理论研究落后于实际应用。基于颗粒流理论中的流固耦合原理,对上海淤泥质软粘土劈裂注浆过程进行了颗粒流模拟研究,从细观角度研究了土体劈裂过程中裂隙的形态以及土体孔隙率、应力变化,并与相关的试验结果进行比较。结果表明,运用颗粒流理论及程序研究土体注浆劈裂问题是可行的,且在可视化角度上具有很好的优势,可以直接观察到土体劈裂产生及发展的全过程。     

基于弹性力学的诱导劈裂注浆机制分析

针对隧道内水平超前劈裂注浆中浆液劈裂方向随机性的问题,提出一种诱导劈裂注浆方法,可以控制和改变浆液的劈裂方向。首先,基于弹性力学理论及其基本假定,分析竖向地应力大于水平地应力条件下对单一土层进行劈裂注浆时浆液沿竖向劈裂的力学机制,在此基础上探讨改变浆液劈裂方向为水平劈裂的必要性和诱导方法,并从应力集中的角度分析诱导劈裂注浆的力学机制;其次,采用有限元法研究注浆孔孔周劈裂方向控制点的应力随侧向压力系数和诱导孔与注浆孔间距变化而变化的情况,得出实现诱导劈裂注浆时两孔间距及侧向压力系数应满足的条件,并拟合两孔间距临界值的计算公式。结果表明：在离注浆孔上、下方4倍注浆孔径以内对称布设诱导孔,改变了注浆孔孔周劈裂方向控制点的应力场。当两孔间距小于实现诱导的临界距离值时,注浆孔孔周控制点的应力大小发生转换,浆液的劈裂方向发生改变,将沿水平方向劈裂。诱导孔与注浆孔间距的临界值会随着侧向压力系数的增大而逐渐增大。     

基于流体体积法的劈裂注浆有限元分析

劈裂注浆作为一种有效的土体加固方法,其理论研究落后于工程实践。提出了基于弥散裂缝模型和流体体积法的劈裂注浆有限元分析方法,并通过ABAQUS二次开发编写劈裂注浆有限元程序。数值分析结果能与室内试验较好吻合,验证了有限元算法的合理性。在此基础上研究了注浆孔埋深和注浆流量对劈裂浆脉形状的影响。结果表明,劈裂注浆过程可分为起劈和劈裂发展两个阶段。当劈裂浆脉扩展到模型边界后,继续注浆会引起注浆压力的大幅提高和已有浆脉宽度的增加。随着注浆孔埋深的增加,浆脉分支减少,长度减小,宽度增加,劈裂浆脉形状的主要控制因素从土体参数的随机性变成大小主应力值的差异。注浆量一定的情况下,注浆速率越大,劈裂浆脉长度越短,宽度越大,注浆终压也越大。研究为劈裂注浆的工程应用提供理论支撑。     

注浆抬升地层的机制、解析解及数值模拟分析

注浆抬升地表是地下工程施工控制地层和邻近建筑物沉降的常用工法。目前,注浆设计主要依靠现场监测和工程经验。数值方法模拟注浆效果通常是通过提高注浆区域的土性参数来实现的,但该方法忽略了注浆抬升对地层的补偿作用。通过研究注浆引起的土体体积膨胀的机制,将注浆体积、土体体积应变增量、位移大小三者联系在一起。采用了一种模拟注浆抬升地层的数值方法。在该数值方法中,给出了土体体积应变的计算方法,提出了施加“虚拟”膨胀压力来增加单元体积,并通过判断单元体积应变增量是否达到土体体积应变增量来控制模拟注浆的过程。其方法的优点在于：施加在单元上的膨胀压力可以是一个虚拟的压力,而无需是实际注浆压力。通过解析解与数值解对比分析,验证了这种数值方法的正确性和可行性。     

钢花管注浆加固在高速公路边坡挡墙病害防治中的应用研究

高速公路建设期间,挡墙作为边坡加固方式之一得到了普遍应用,但随着高速公路运营时间增长,由于前期设计、施工、养护等原因,边坡挡墙病害不断增多,其安全问题成为了公路运营过程中亟待解决的难题。钢花管注浆加固能够起到加固岩土体、增强抗滑能力,而嵌入地层的钢花管又能起到锚固桩作用,是较好的边坡病害处治方法,但目前在运营高速公路挡墙病害防治中的研究应用相对较少。文章以浙江省某高速公路K298边坡挡墙为例,根据边坡的地质条件及挡墙病害情况采用钢花管注浆加固,并确定了合理的注浆压力、扩散半径及注浆孔间距。工程实践结果表明该方法是一种经济适用、施工简便的挡墙病害处治措施。     

土岩组合地区富水砂层隧道施工注浆技术研究

针对青岛土岩组合地区富水砂层特点,对比分析超前深孔注浆和帷幕注浆加固技术在上软下硬地层中的施工关键技术,通过现场监测及开挖取样对比分析其在土岩组合地层中的适用性。研究结果表明:当富水砂层位于隧道拱顶范围内,采用超前深孔注浆,注浆效果较难控制,拱顶离砂层越近,注浆效果越难把握,隧道渗漏水问题越严重;施工容易对地层产生隆起,且隧道内渗漏水较多;当砂层位于拱顶以上采用帷幕注浆,跟踪监测表明,洞内变形、地表沉降能控制在有效范围内,表现出了更好的适用性,值得进一步优化和推广;土岩组合富水砂层段,开挖采用松动爆破,使加固地层中重新形成部分漏水通道。     

高压循环注浆结合钢管托换在桩基补强中的应用探讨

灌注桩施工过程中,经常遇到不良地层,导致在灌注桩身混凝土的过程中,孔壁局部坍塌,使得土体进入混凝土中,造成灌注桩断桩、桩身混凝土存在缺陷及桩端承载力不足等情况。而高压循环注浆结合钢管托换补强技术可以很好地对上述问题进行处理。结合桩基补强工程实例,对其设计、计算和应用进行探讨和分析,并对高压循环注浆结合钢管托换补强技术加固效果进行抽心检测,检测结果表明：经补强加固后的桩基承载力满足设计要求。     

深层高压注浆加固古滑坡滑动带试验及效果分析

通过深层高压注浆法加固混碎石黏土古滑坡滑动带的成功工程实例,结合各种检测手段及有限元弹塑性分析,阐述对混碎石黏土古滑坡滑带土实施深层高压注浆加固的机制;测试和分析了滑动带压力注浆前后物理力学参数的变化特征;计算了注浆前后滑坡的剩余下滑力及安全系数。电镜观测表明,水泥浆液对于滑动带岩土体的充填置换率可达到5%～10%;土工试验结果显示,滑动带土体黏聚力由20.20 kPa提高到39.54 kPa,内摩擦角由16°升高到21.30°;声波CT扫描试验表明,滑动带土体的声波波速增长约为31%。有限元弹塑性分析计算表明,滑坡由注浆前的不稳定状态变为注浆后的基本稳定状态,边坡剩余下滑力大幅减小,为支挡结构设计提供了优化依据。试验及计算分析结果表明,高压注浆法用于加固滑动带岩土体是可行的,经注浆加固后的滑动带岩土体的力学性能得到了明显改善,边坡安全性得到了提高。     

粉细砂地层条件下声频振动注浆的试验研究

粉细砂地层加固处理工作一直是工程界研究的重点课题,采用传统注浆工法很难达到预期效果。针对此种情况,近年来提出振动注浆法,然而目前的振动注浆模拟试验与实际工况有较大出入,故创新设计了试验装置,可以满足自由调控振动频率,且振动效果与实际工况接近。通过室内静压注浆试验及声频振动注浆试验,对比注浆效果,得出以下结论：压力相同条件下,相比静压注浆,振动注浆可以有效增大注浆量且加固效果更优;振动频率的适当增加可以有效加快注浆速度,增大注浆量,这对于工期紧张的工程具有一定的实际意义,但频率过高并非完全有利于注浆效果,要根据实际工国家自然科学基金面上项目“声频振动钻进系统共振机理及能量传递规律研究”（编号：41672366）;北京市优秀人才项目“声频振动钻进工艺技术研究”（编号：2013D009015000002）况选择最优注浆频率;高频振动下,振动时间的延长对注浆效果的增益较小。