考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制

浆液在多孔介质中的扩散路径对渗透扩散范围和注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,以分形特征与宾汉姆流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础,揭示了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制,并利用团队前期开展的渗透注浆试验对其进行了验证。分析了多孔介质孔隙率、宾汉姆水泥浆液水灰比、多孔介质渗透系数、注浆压力、地下水压力等对扩散半径的影响变化规律。同时,基于Comsol Multiphysics平台,采用计算机编程技术二次开发得到了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制的渗透注浆三维数值模拟程序,并以此开展了宾汉姆水泥浆液在多孔介质中渗透扩散形态效果的数值模拟。研究结果表明：与不考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆球形扩散公式获得的扩散半径理论计算值相比,采用考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值更接近试验值。该研究成果可为实践注浆工程提供一定的理论支撑。     

采空区松散堆积物注浆模型试验研究

以采空区松散堆积物为研究对象,分别设计模型箱注浆模型和压力注浆模型对浆液的扩散规律进行试验研究,探讨注浆压力、浆液水固比、孔隙率和注浆量对浆液扩散距离的影响规律。试验结果表明:注浆压力、浆液水固比、孔隙率和注浆量四个因素与浆液扩散距离之间存在定量关系,可用公式进行拟合,影响浆液扩散距离最为显著的是堆积物孔隙率,其次是注浆量和浆液水固比,注浆压力对浆液扩散距离的影响相对较小;浆液在松散堆积物中流动的压力损失是由浆液流速的不均匀性、浆液与松散堆积物的碰撞、浆液扩散时与堆积物的摩擦等原因造成的;对浆液在松散堆积物中扩散速率影响最为显著的是注浆压力,其次是堆积物孔隙率,浆液水固比影响最小。     

堤坝脉动注浆浆液扩散机制及应用研究

基于脉动注浆泵可输出低频周期性脉冲压力的特点,结合可控性黏土固化浆液,提出了一种可用于堤坝防渗加固的新方法。通过进行原型试验验证了该方法的可行性,考虑钻孔扰动和脉动低频重复压力对地层渗透特性的影响,推导了黏土固化浆液脉动扩散方程,运用多场耦合软件COMSOL探讨了脉动压力下黏土固化浆液扩散的机制,最后将研究成果成功应用于南水北调中线鹤壁段引水渠道边坡帷幕注浆工程。研究结果表明：黏土固化浆液脉动控制注浆技术可显著提高地层连续性和整体性,结石体28 d强度大于2 MPa,渗透系数可降至10?5 cm/s左右,浆液在注浆孔附近与土体胶结成块,邻近注浆孔浆脉交错搭接,整体表现为空间立体网状包裹结构的防渗墙体;对数值模拟和现场试验结果进行综合分析,堤坝脉动注浆时间应控制在1 800～2 400 s之间,合理的脉动注浆压力在0.2～2 MPa之间,脉动持续时间宜调至4～8 s,脉动间隔时间宜调至2～6 s,这样有利于保证堤坝脉动注浆工程达到最优的防渗加固效果;工程实践的渠道边坡连续性、整体性得到了改善,注浆止水加固效果显著,检查孔渗透系数降至10?5 cm/s,所取芯样完整,芯样最长可达40 cm。     

土石混合体注浆扩散机理及影响因素试验研究

为了研究浆液在土石混合体中的扩散机理及其影响因素,以重庆地区土石混合体为研究对象,研制了一套可重复使用的室内注浆模型试验系统,开展了不同含石量、孔隙率、浆液粘度和注浆压力等条件下土石混合体注浆模型试验研究。研究结果表明:浆液在土石混合体中主要以渗透、劈裂的方式扩散,当含石量由低到高变化时,浆液主要扩散方式由劈裂扩散转化为渗透扩散;中等含石量时,劈裂扩散与渗透扩散相当。在试验的基础上,结合支持向量机理论建立了土石混合体注浆扩散半径预测模型,并基于该模型的计算结果,获得了渗透扩散半径和劈裂扩散半径的影响因素的影响次序分别为:含石量浆液粘度孔隙率注浆压力;含石量注浆压力浆液粘度孔隙率。含石量对扩散形式的影响最大,对扩散半径值的影响占主导地位,建议实际工程中应根据土体含石量分区段进行注浆技术参数设计。     

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。     

考虑时变性影响的盾构壁后注浆浆液固结及消散机制研究

在盾构管片壁后注浆时,由于浆液渗透压的存在,浆液会向外渗透,浆体本身逐渐固结,作用在管片上的注浆压力逐渐消散。考虑到浆液往周边地层渗透过程中由于黏度的变化会引起地层渗透系数的变化,推导了基于浆液黏度时变性的浆体固结变形方程和浆液压力消散方程,分析了浆液固结、消散及浆液压力沿管片外壁分布规律,为精细化分析施工阶段管片受力提供了计算依据。计算结果表明：浆液从注浆口喷出后,浆液黏性的增大使浆液流动性减小,注浆压力消散幅度减小,浆液消散持续时间变短。浆液配比与围岩渗透系数变化对注浆压力消散幅度及消散持续时间存在一定影响。现场实测结果与理论计算结果较为一致。在进行壁后注浆时,应充分考虑时变作用下浆液消散作用的影响。     

考虑黏度时变性的水泥浆液盾构壁后注浆扩散规律及管片压力模型的试验研究

对水泥浆液黏度时变性进行了试验研究,证实了工程常用水灰比范围内水泥浆液服从宾汉姆流体特性;不同水灰比浆液黏度均随注浆时间增大而大幅度增加。根据试验结果,考虑注浆过程中水泥浆液黏度随时间的变化,对盾构壁后注浆水泥浆液的扩散规律及因注浆而造成的管片压力进行了推导及分析。计算表明：相同注浆时间条件下,水泥浆液扩散半径及注浆对管片产生的压力值均随注浆压力的增大而增大。考虑浆液黏度时变性后,扩散半径、注浆对管片压力值等均较不考虑浆液时变性时减小,且随注浆压力的增大,浆液黏度变化对管片压力值的影响更加明显。相同注浆压力条件下,浆液扩散半径及对管片产生的压力值均随注浆时间的增长而增加,但注浆前期增长速度较快,而后逐渐减缓。研究成果对于盾构壁后注浆工艺选择及参数设计具有较大的指导意义。     

富水断裂带优势劈裂注浆机制及注浆控制方法研究

注浆是处治隧道塌方、突水突泥等地质灾害的有效手段,但对于岩体结构多样、结构面发育的富水断裂带,注浆理论及控制技术尚不成熟。基于富水断裂带内部岩体结构,建立了注浆概念模型,提出了优势劈裂注浆概念。基于广义宾汉流体本构方程,建立单一平板优势劈裂注浆扩散模型,推导了考虑浆液流变特征的优势劈裂注浆扩散控制方程。由方程可知,注浆速率、注浆压力及浆液黏度是影响注浆扩散的3个主控因素。深入分析了优势劈裂注浆过程中3个主控因素对注浆扩散的影响规律,基于此提出优势劈裂注浆控制方法,形成了注浆压力差异控制、控制液动态调节及注浆速率梯度控制3项关键技术,促使浆液在优势结构面内控制性扩散。研究成果成功应用于江西省某隧道断裂带塌方处治工程中,取得良好治理效果,对隧道断裂带地质灾害控制理论研究和工程实践具有一定指导意义。     

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。     

黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透注浆机制研究

浆液黏度时变性对注浆扩散范围计算值影响很大。基于宾汉体浆液的流变方程与流体黏度时变性方程,建立了黏度时变性宾汉体浆液的流变方程与渗流运动方程,并依据某些假设,推导了时变性宾汉体浆液柱-半球形渗透注浆机制及探讨了半球体部分扩散半径l1与柱体部分扩散长度m的关系：m=(2l1 /3)(2n+1)。通过设计室内注浆试验对其进行了验证,结果表明：由黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形渗透机制计算的半球体部分扩散半径、圆柱体部分扩散长度及注浆扩散体体积的理论值与试验测量值虽分别有15%、10%及40%左右的差异,但都处于可接受误差范围内,因而,在总体上能较好地反映黏度时变性宾汉体浆液的柱-半球形注浆渗透规律,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     

基于分形理论的赫巴流体在多孔介质中的渗流模型

泥浆是一种用途广泛的工程浆液，在工程施工过程中会渗流进入地层，给工程带来一定的影响。为深入研究泥浆的渗流机理，把地层模拟为多孔介质，泥浆模拟为能更全面地反映其流变性能的赫巴流体，基于分形理论，建立赫巴流体在多孔介质中的渗流模型。基于渗流模型计算结果，详细分析压力梯度、流性指数、稠度系数及孔隙率等参数对多孔介质中赫巴流体瞬时平均流速的影响，指出流速变化与压力梯度、流性指数及稠度系数的变化均呈幂指数关系，与孔隙率变化呈二项式关系，且流性指数是一个影响赫巴流体渗流速度的极敏感因素。渗流模型计算结果为相关工程中泥浆方案的设计与施工奠定了一定的理论基础。      

巨厚含水层注浆浆液扩散半径及影响因素研究——以峰峰矿区为例

总结了饱水裂隙岩体中浆液的球形扩散模型和柱状扩散模型。通过对不同注浆模型中各参数,如浆液黏度、岩石孔隙率、注浆孔半径、岩体渗透系数及启动压力等对注浆扩散半径的影响分析,认为注浆孔半径和岩石孔隙率对宾汉姆流型浆液扩散影响不明显,而影响浆液扩散半径的主要因素是浆液黏度、岩体渗透系数及启动压力梯度。最后针对峰峰矿区,通过计算提出了包括注浆压力和注浆结束压力的注浆参数理论值。     

松软地层防渗灌浆帷幕结构性状实验研究

松软地层透水率较大,防渗灌浆工程吃浆量相对较大,浆液扩散极不规则,形成的防渗帷幕,包括防渗幕体厚度、力学性能、防渗效果等结构性状难以准确把握,现有的方法和技术主要采用压水试验、标贯、钻孔取心、物探等方法获取相关信息,但带有极大的不确定性,直接影响到防渗质量的评价。在现场进行多工况灌浆原型试验研究,通过注水试验、孔斜测定、取心测试、全断面开挖等多种方法,真实呈现防渗幕体的性状,包括幕体有效厚度及其影响范围、幕体强度性能和渗透性能。结果表明,在松软地层采用浆体封闭、脉动灌浆控制灌浆工艺,孔距1.5m,两排排距0.8m,并采用适宜的灌浆控制参数灌注可控性黏土水泥浆材,简便高效,孔周挤密区、结石体及胶结体形成的有效幕体均一性好,防渗效果达到5lu以下,灌后28d结石体强度达到3MPa以上。灌浆工艺和参数可直接供类似地层应用。对于不同类型地层在不同灌浆材料、灌浆工艺、灌浆参数情形下的灌浆结构性状,有必要研发物理模型进行大样本室内试验研究。     

牛顿流体柱-半球面渗透注浆形式扩散参数的研究

文献检索表明：目前国内外还没有一个能较准确地计算牛顿流体柱-半球面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。以牛顿流体流变方程及渗流运动方程为基础,研究了牛顿流体柱-半球面渗透注浆形式半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度的理论计算公式;分析了牛顿流体的流变性、注浆压力、地下水压力及配置流体的水体温度对牛顿流体柱-半球面渗透注浆形式半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度的影响;并设计注浆试验对其进行验证。结果表明：由牛顿流体柱-半球面渗透注浆形式半球体部分扩散半径与柱体部分扩散高度的理论公式计算得到的半球体部分扩散半径和柱体部分扩散高度理论值与注浆试验实测值间虽有30%左右的差异,但它们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。     

多孔介质中水泥浆三维锋面特征研究

深层渗滤效应普遍存在于多孔介质的渗透注浆过程中,并起着非常重要的作用。基于质量守恒方程、线性滤过定律、渗流连续性方程及Darcy定律,建立了水泥浆三维锋面的理论模型;通过现场试验,研究了水泥浆三维锋面扩散运移及沉积层渗透系数的变化规律,并将试验值与模型理论值进行了对比分析。结果表明,沉积层渗透系数随水泥浆锋面的扩散运移动态变化;当注浆压力恒定时,水灰比越小,深层渗滤效应越显著,浆液扩散距离相应越短;相同扩散距离时,受重力效应的影响,注浆点源之上的沉积层渗透系数大于注浆点源之下的沉积层渗透系数;浆液扩散距离及固定位置处的沉积层渗透系数均与水灰比呈正相关。研究成果可指导工程设计,具有一定的实际应用价值。     

微生物灌浆的颗粒流细观力学数值模拟研究

基于流固耦合原理的PFC2D颗粒流数值模拟程序,运用其内置FISHTANK函数库和FISH语言,分别定义流体域的流动方程和压力方程,对微生物灌浆过程中菌液在地层中的扩散过程和形态进行了数值模拟计算。通过调节PFC命令流中的注浆压力p、时步step、水力传导系数perm等参数对菌液的注浆过程进行了模拟计算。数值模拟计算表明,灌浆过程中菌液与地基土的作用形式与灌浆压力大小密切相关,过高的注浆压力会对地层结构造成一定的破坏。对钻孔周围土体的应力状态进行了理论推导和分析,理论推导结果与数值模拟结果相符。劈裂灌浆作用发生时,孔隙率和应变率均增加。