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。     

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。      

软弱地层注浆的细观力学模拟研究

基于散体介质理论的颗粒流方法,运用PFC2D软件对软弱地层注浆过程进行了细观力学模拟,研究了注浆压力、注浆时间、渗透性质及颗粒黏结强度对浆液扩散半径和注浆类型的影响规律。采用PFC2D软件内嵌的FISH语言,定义了提取特定位置流体域内压力值的函数,研究了浆液扩散的分布特征,考虑浆液黏度的时变性对浆液扩散范围的影响,定义有效注浆半径对其进行修正,得到的浆液扩散规律与球形扩散理论较为一致。结合工程实例进行了注浆细观力学数值模拟,并提出了科学的注浆方案,在现场应用后取得了较好的堵水加固效果     

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     

单一裂隙动水注浆扩散模型

通过理论推导建立了单一裂隙动水注浆扩散模型,用计算机对单一裂隙动水注浆扩散模型进行编程和分析,试验验证该注浆扩散模型是合理的。研究结果表明,单一裂隙动水注浆在注浆前期浆液扩散面积呈圆形而在注浆后期浆液扩散面积呈椭圆形;浆液扩散半径与浆液黏度成反比,与裂隙开度和注浆压力成正比;水流流动有利于浆液沿顺水流方向扩散而抑制浆液沿逆水流方向扩散;水流流速增大或减小到一定程度时浆液扩散半径受水流流速的影响程度将逐渐减小;水流流动对逆水流方向扩散半径的影响程度大于顺水流方向扩散半径的影响程度;浆液扩散半径受水流流速影响最大,受裂隙开度影响次之,受注浆压力和浆液黏度的影响相对较小     

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。     

岩溶地区坝基帷幕注浆技术应用研究

岩溶地区坝基地层节理、孔隙、孔洞较为发育,坝基地层承载强度较弱易被冲刷、管涌,影响坝基的稳定。为了避免坝基被冲刷、管涌,保证坝基的稳定性采用了采用帷幕注浆技术。通过FLAC~(3D)数值模拟,可知:随灌注时间延长,钻孔内浆液的扩散半径呈扩大趋势。水灰比固定时,一定时间内注浆压力的提高与浆液扩散的范围成正比例关系。注浆压力在0.8~1 MPa的范围内为注浆工况最优值,水灰比大的浆液扩散半径更大,耗浆量更低。     

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。     

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。     

基于黏度时变性的桩端压力浆液上返高度模型及工程应用

桩端后压浆浆液上返高度对后压浆桩承载力的计算影响较大。基于幂律型流体的黏度时变性特征,推导了考虑黏度时变性的桩端压力浆液上返的理论计算公式,并给出了参数的确定方法及成层土中浆液上返高度的迭代算法;结合台州湾大桥的接线工程,利用电磁波CT对桩基后压浆的加固效果进行了探测分析。结果表明,采用浆液沿压浆管道阻力损失的拟合值并考虑黏度时变性得到的浆液上返高度的计算结果与实测结果基本吻合且偏于安全,而忽略黏度时变性得到的计算结果偏大,会对后压浆桩的承载力设计造成不利影响。此外,电磁波CT能观测到桩体、水泥浆加固体及土体的分布情况,且能推测出水泥浆液在桩端的扩散范围和沿桩身的上返高度,可用于评价后压浆桩的压浆效果。研究成果可为后压浆桩的设计和效果检测提供参考和指导。     

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。      

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     

An investigation of the effects of important grouting and rock parameters on the grouting process

Today, grouting is used as an aid in ground improvement in most civil and mining engineering projects. Groutability and grout penetration depth are among the most important issues that are considered in grouting operation. Various parameters such as in-situ stress, pore water pressure, joint geometric and geomechanical characteristics, grout properties (viscosity and yield stress) and technical factors such as grouting pressure and flow rate affect the groutability and grout penetration depth in a jointed rock mass. Knowledge of the effect of these parameters has advantages in the prediction of grouting results. Typically, cement-based grout is used in jointed rock masses. Unlike water, stable cement-based grout usually acts as a Bingham fluid. In this study the effect of important parameters on grouting process in a jointed rock mass was investigated numerically using the DEM method. In the conducted study, the problem geometry represents a horizontal section in a regularly jointed rock mass with two joint sets. The analyses results show that the grout penetration depth and intake increase as joint aperture, normal stiffness and grouting pressure increase and in-situ stress and pore water pressure decrease. Increase in joint spacing does not have any effect on the grout penetration depth but decreases the grout intake. The effect of joint orientation on grouting process is strongly dependent on in-situ stress state. On the other hand, increase in grout yield stress decreases the grout penetration depth and intake, while grout viscosity does not have any effect on maximum grout penetration depth and intake. To further investigate the above mechanisms, the grouting process conducted in Gotvand dam-Iran was simulated numerically.     

钙质砂注浆加固材料制备及固结体性能试验研究

注浆加固是解决岛礁钙质砂地基不均匀沉降问题的有效措施之一。根据钙质砂特性,选用超细硅酸盐水泥作为主体胶凝成分,纳米硅溶胶、粉煤灰和硫酸钙晶须作为辅料,依据单因素试验和正交试验的要求,制备了不同配比的注浆材料,测试了其凝结时间和相应固结体的力学性能。采用响应曲面法对试验结果进行模拟,探究各组分对各性能指标的影响,确定注浆材料最优配比。结果表明：将3种辅料按适当比例单独加入浆材中,均可提高不同龄期钙质砂固结体的抗压强度;当水泥掺量固定时,水灰比是影响浆液凝结时间和固结体强度的最主要因素;与水泥浆液相比,以最佳配比掺入辅料配制的注浆浆液能够更好地填充在钙质砂颗粒间,从而改变固结体的密实性,使其抗压强度明显增长。研究成果可为增强钙质砂地基注浆加固效果提供参考。     

帷幕灌浆扩散半径及数值模拟的研究

从连续性方程出发,考虑浆液压力对土体孔隙率的影响,分析推导了浆液在多孔介质中的渗流规律,并给出了扩散半径的简单近似计算公式;然后将二相流理论应用到注浆研究中,假设孔隙由水和浆液完全充填,且二者不相混溶,建立了浆液驱水的非稳定渗流模型。根据某大坝的实际情况,用FLAC软件中的二相流模块对大坝灌浆过程进行了模拟分析,并与推导公式相比较。由于二相流理论考虑了毛细压力的作用,模拟得到的浆液扩散速率递减得更快。模拟结果表明,浆液和水之间存在着一个过渡带,浆液的饱和度在不同时间和位置上是变化的。随着时间的延长,浆液扩散得越远,但其速率逐渐减小。扩散半径不仅与渗透系数有关,还与孔隙度有关,而且孔隙度较渗透系数对扩散半径有着更大的影响。二相流理论可以更好地模拟帷幕灌浆的浆液扩散情况。