考虑渗滤效应的砂土介质注浆扩散规律研究

在对砂土介质渗透注浆过程中,砂土骨架颗粒对水泥颗粒产生滤过作用,导致水泥颗粒发生不均匀扩散,称之为渗滤效应。采用Kozeny-Carman模型,分析了渗滤效应对砂土介质孔隙率、渗透系数及水泥浆渗流速度的影响;应用自主研发的恒压注浆装置,研究了不同颗粒级配砂样在不同注浆参数下注浆量的变化规律,然后通过多元回归获得了水泥浆扩散距离的函数关系式。试验结果表明,渗滤效应对水泥颗粒滞留封堵的影响较大,水泥颗粒质量分数是影响浆液扩散距离的主控因素。依据达西渗流定律和回归关系式分别得到了考虑渗滤效应和忽略渗滤效应时水泥浆扩散距离的理论值,并与试验值进行比对分析,结果表明,忽略渗滤效应的理论值存在较大误差。所得结论可指导注浆设计,对类似工程具有借鉴意义。     

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。     

岩体裂隙动水注浆扩散半径影响试验

水灰比与注浆压力是动水注浆设计中的关键因素,基于自主设计的模拟裂隙动水注浆室内试验平台,开展了裂隙动水注浆试验,探讨了浆液在裂隙中的扩散方式,分析了纯水泥浆液扩散半径与注浆压力和水灰比之间的联系,并通过计算流体力学软件模拟对试验结论进行了验证。研究结果表明:浆液的扩散方式为分区扩散,注浆压力不变时,扩散半径与水灰比成反比;水灰比不变时,扩散半径与注浆压力成正比。      

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。     

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。     

水泥-水玻璃浆液裂隙注浆扩散的室内试验研究

动水环境中的注浆扩散规律对指导突涌水治理注浆设计与施工具有重要意义。通过开展水泥-水玻璃（C-S）浆液单一平板裂隙动水注浆模型试验,揭示了基于试验条件下的C-S浆液裂隙动水注浆扩散过程的非对称椭圆（AE）扩散规律,提出浆水速比的概念并用其拟合AE扩散控制参数随时间的变化曲线,分析了浆水速比对浆液扩散范围的影响,最终建立了描述浆液扩散迹线的瞬态方程。研究结果表明：浆液扩散迹线可以采用随时间变化的非对称椭圆进行描述;逆水扩散距离和扩散开度与浆水速比正相关而浆液顺水扩散距离与浆水速比负相关。并据此对裂隙动水注浆设计提出了建议,希望对实际注浆工程提供一定借鉴。     

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。     

水泥基速凝浆液裂隙扩散机制与压力特性试验研究

水泥基速凝浆液广泛应用于富水裂隙围岩注浆工程。为研究水泥基速凝浆液在裂隙注浆中的扩散机制与压力特性,选取水泥-水玻璃浆液及高聚物改性水泥浆液,采用不同水灰比及混合体积,开展了静水条件下单一平板裂隙的注浆扩散模型试验,通过监测浆液的注浆扩散形态和注浆过程中不同测点的压力变化,研究了水泥基速凝浆液的静水扩散规律和注浆扩散压力分布规律。试验结果表明,水泥-水玻璃浆液和高聚物改性水泥浆液具有相似的扩散形态和压力分布变化,两者的显著差别在于高聚物改性水泥浆液扩散所需的注浆压力明显小于水泥-水玻璃浆液,且凝结固化时间相对较长,有利于延长注浆扩散距离。研究结果应用于张马屯铁矿注浆堵水工程,解决了裂隙岩体渗漏水问题,实现了围岩稳定性控制。研究成果具有一定的理论和实践意义,对类似工程具有参考价值。     

黏度时变性注浆材料流动特性与应用研究

浆液的流动性对于浆液的扩散与运移具有重要的影响。通过开展黏度时变性注浆材料流动性正交试验,并选择不同可泵时间黏度时变性浆液进行流动度测试,分析了水灰比、外掺剂对浆液流动性能的影响规律,揭示了黏度时变性浆液流动度时间变化特征,从外掺剂对浆液水化硬化影响基础上,对浆液的流动变化机制性进行了探讨,并以碎裂岩体注浆为例,研究浆液流动性在注浆中的应用。研究结果表明:对于浆液的流动度的影响,随着水灰比、助剂1~#、助剂2~#、助剂3~#量的增加,浆液的流动度增加,水灰比是影响流动度的最大的因素,其次为助剂2~#、助剂3~#、助剂1~#;对于浆液黏度的影响主次关系为助剂3~#、助剂1~#、水灰比、助剂2~#;浆液流动度的变化具有缓慢期、快速期、稳定期3阶段特征,浆液临近可泵时间时,浆液流动度变化具有显著的突变性。碎裂岩体注浆应用结果表明:运用浆液的黏度时变特性进行注浆,减少了普通水泥浆待凝、复灌所带来的工时延长,缩短了注浆时间,节省注浆材料。     

立井井筒注浆工程断层破碎带注浆材料的研究

为了满足立井井筒地面预注浆工程中断层带注浆对注浆材料的要求,解决单液水泥浆扩散距离不易控制的问题,研制了一种新型塑性早强水泥注浆材料。通过研究塑性早强浆液的流变性能,结合平面裂隙扩散模型,论述了塑性早强浆液的动切力、塑性黏度及其时变特征。这是决定其在扩散过程中注浆压力衰减快,扩散范围小的本质原因。      

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。     

孔隙砂岩多次化学注浆试验研究

选取宁东地区典型的孔隙砂岩,采用不同颜色示踪的化学浆液进行4次注浆试验;揭示了浆液在孔隙中的扩散、充填规律及注浆次数与被注岩层渗透系数、孔隙率之间的关系。研究发现：每次化学注浆浆液的充填情况有明显的差别,首次注浆浆液在整个岩样均有较均匀的充填,后续的各次注浆浆液均呈现部分区域积聚充填的现象;随着注浆次数的增加岩样的渗透系数减小,孔隙充填率增加,渗透系数、孔隙充填率与注浆次数的关系可分别采用幂函数及对数函数拟合;4次注浆后岩样的渗透系数减小了97%,说明多次注浆起到了很好的减渗效果。依据试验成果,建立数值计算模型,预测了不同注浆次数、不同开挖条件下注浆孔及井筒的涌水量,并与井筒实际涌水量进行对比,发现两者数据较为吻合,说明依据试验结果建立数值模型进行涌水量预测是可行的。     

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。     

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。     

弱胶结孔隙介质渗透注浆模型试验研究

为了研究弱胶结孔隙介质化学注浆浆液充填及减渗的基本规律,采取模型试验的方法,研究了不同有效粒径及细度模数的模型材料注浆前、后渗透系数、孔隙率及抗压强度变化规律,试验过程中控制了注浆泵流量、浆液性能、静水压力等参数,共完成6个模型。试验结果表明：各模型材料注浆充填率在9%～41%之间,随着模型材料粒度及渗透系数的减小,注浆充填率呈逐渐增大的趋势;注浆前、后模型材料的渗透系数随着有效粒径及细度模数的减小而逐渐减小,且减小的比例逐渐增加;注浆大幅地减小了材料的渗透性,各模型渗透系数减小幅度在84%～97%之间;注浆前各模型材料的抗压强度较低且较为接近,注浆后各模型材料的强度增加量在6～10倍之间,且强度增量表现为随着模型有效粒径及细粒模数的减小而逐渐增大的特点。     

矿山垮落大体积松散体中水泥-水玻璃浆液可控灌注原理及其应用

松散体是采矿、隧道、地下空间等工程中一种常见的岩体结构,具有强度低、稳定性差等特点,注浆改造重构其完整性和强度是现场处理该类问题的重要技术手段之一。为满足河北杏山铁矿大垮塌主溜井满井状态下封堵工程的特殊需求,提出了大体积松散体中水泥-水玻璃浆液可控灌注的理念。通过大体积松散体中水泥-水玻璃浆液灌注试验研究,将灌注历程分为大空隙竖向优势渗流、大空隙周边渗流、上向渗流结石、第1层劈裂与渗流和第n层劈裂与渗流5个阶段。根据浆液扩散的时空演化,将可控灌注问题分解为浆液一维竖向优势渗流和单段灌注浆的周向时空扩散,并揭示了其发生机理,认为松散体中水泥-水玻璃浆液一维竖向优势渗流的扩散距离与时间呈以自然常数e为底的指数函数关系。以此为基础,将松散体中水泥-水玻璃浆液可控灌注应用于杏山铁矿大垮塌主溜井满井状态下的封堵工程中,取得了良好的工程效果。     

软土地基注浆扩散过程数值模拟研究

廊沧高速公路K132+177～K132+258软土地基主要由低液限中、高压缩性黏土层组成,属于滨海沉积类型,采用静力注浆方法进行了加固处理,并在现场分别对全孔一次性和自上而下分段式注浆施工方式进行了试验及室内研究。基于该路段软土地基地基物理力学性质和注浆试验地表变形观测资料,利用FLAC3D软件对该软土地基在不同注浆方式（全孔一次性注浆、自上而下分段式注浆）和在0.5、1.0 、2.0 MPa注浆压力作用下浆液在土层中的扩散过程进行了分析。其结果表明,在相同注浆压力作用下,自上而下分段式注浆效果比全孔一次性注浆效果好,而注浆压力的增大对浆液在土层中的扩散是有利的,但压力过大会导致地面冒浆,应根据现场实际情况选择合理的注浆压力