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     

千米深井L型钻孔预注浆加固硐室围岩数值模拟及工程应用

以淮北矿业集团某煤矿千米深井大断面硐室岩层L型钻孔注浆加固为工程背景,围绕其高地压、近水平穿岩层的特点,运用多孔介质渗流理论,建立流固耦合的拟连续介质注浆模型。通过数值模拟分析,获得孤立孔和3孔同时注浆条件下注浆压力、浆液扩散半径与岩石渗透系数的关系,揭示高地应力作用下深部岩体地面预注浆浆液扩散规律。数值模拟结果表明,孤立孔注浆量Q与注浆压力gp、渗透系数k和注浆时间t呈线性关系,浆液的扩散半径R与gp、k、t呈平方根关系;同样注浆条件下L型3孔注浆的单孔注浆流量低于孤立孔注浆时的流量,而浆液渗透半径大于孤立孔注浆时的浆液渗透半径。据此指导制定了该工程注浆加固方案和注浆参数的合理选取,取得了预期效果。对今后类似工程的设计与施工具有较好的参考价值。     

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。     

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。     

砾石土层中注浆扩散参数的研究

采用注浆模拟试验与数值分析等研究方法,探讨了砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体抗压强度等参数预测计算模型,并设计试验对其进行了验证。试验结果表明,砾石土层中注浆的注浆量、浆液扩散半径及结石体的抗压强度等参数预测计算模型计算的注浆量、浆液扩散半径与注浆结石体抗压强度的理论值与试验实测值间虽分别有10%、5%、10%左右的差异,但均相差不大,因此,可用来预测砾石土层实际注浆工程中的注浆量、浆液扩散半径及注浆形成的结石体的抗压强度等参数。研究成果不仅可为砾石土层实际注浆工程实践提供理论支撑,还可为砾石土诱发的滑坡、泥石流等灾害的防灾减灾提供技术参考。     

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。     

不对称双连拱海底隧道施工引起的地层变形分析

在目前众多的预测隧道开挖引起的地层变形的方法中,经验公式法最为简便,也是目前应用最为广泛的方法,为此介绍了多种预测隧道开挖引起的地层沉降和水平位移的经验公式。并以青岛胶州湾海底隧道不对称双连拱断面为工程背景,由位于主隧道与匝道交叉口段的典型断面ZK2+800.78的几何参数和地质资料构建三维数值计算模型,采用岩土体工程通用有限差分软件FLAC3D进行动态施工三维数值模拟。通过对FLAC3D模拟和各经验公式计算的地层沉降和水平位移的对比分析,评价了FLAC3D软件和各经验公式在不对称双连拱隧道断面地层变形预测中的适用性。结果表明,当地层埋深较浅时,不同埋深地层的地层沉降和水平位移可近似用各经验公式来预测;但随着地层埋深的增大,各经验公式预测的偏差不断增大;经验公式只能对单一地层、单一隧道的地层变形进行估算,存在明显的局限性,而在预测复杂地质条件下不对称双连拱隧道断面开挖引起的地层变形时,FLAC3D较各经验公式有明显的优势     

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。     

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。      

深矿钻孔帷幕灌浆的数值模拟与应用

深矿钻孔帷幕灌浆受到钻孔的垂直度、钻孔灌浆压力和扩散半径等因素的影响,使得灌浆的技术难度加大,直接影响帷幕的形态及防渗效果。采用基于UDEC离散单元程序的数值模拟方法,对深孔帷幕灌浆压力的扩散分布及浆液的流动扩散形态进行模拟,可以为深孔帷幕注浆工程设计和施工提供参考和指导。     

金口河断层注浆扩散数值模拟研究

以沙坪一级电站左岸金口河断层为研究对象,根据实测资料,建立断层各渗流带注浆扩散数值模型,利用FLAC^(3D)内置Fish语言实现水泥浆液的粘度时变特性模拟,研究注浆参数对注浆效果的影响规律。结果表明,注浆压力对扩散半径的影响呈“阶梯型”,注浆压力越大,扩散半径越大;水灰比对注浆有效扩散半径的影响是有限的;渗透系数与有效扩散半径呈正相关;孔隙率与扩散半径均呈负相关。     

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     

土石混合体注浆扩散机制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制及其影响因素,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、孔隙比、浆液黏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,结合支持向量机制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影响因素的影响次序分别为：含石量>浆液黏度>孔隙比>注浆压力、含石量>注浆压力>浆液黏度>孔隙比。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。     

地铁暗挖施工引起的管线与地层沉降关系研究

依托北京地铁4号线公益西桥站工程,建立结构-地层-管线三维弹塑性数值模型,基于管线周边地层沉降及地表沉降实测数据分析,研究西南出入口暗挖施工上方管线周边地层变形规律。通过现场实测数据、数值模拟及经验公式计算结果综合对比,分析了管线刚度对地层变形抵制作用的影响。研究表明：管土相对刚度小于0.18时,管线与土体沉降差小于5%,可用经验公式计算出的管线轴线处地层沉降代替管线沉降。随管线刚度的增大,管线对土体变形的抑制作用逐渐增强,沿深度方向地层沉降量增大速率减小,并会出现负增长,甚至出现地层沉降小于地表沉降的情况。通过对数值计算结果的拟合分析,提出了刚性接头管线与地表沉降比和管土相对刚度的经验公式。工程实例应用结果表明,计算值与实测值偏差小于4%,验证了该方法的适用性。     

饱和砂层驱水渗透注浆分析

运用渗流力学理论,对饱和砂层在毛细力作用下的平面径向流、球形向心流两种渗透性注浆模型进行了推导,得到了球形和柱形渗透性注浆扩散公式。以球形扩散公式为例,结合工程实例并与常用的Maag球形扩散公式进行比较,结果表明,由Maag公式计算注浆所需时间偏小,文中公式更接近工程实际。最后探讨了注浆参数对扩散半径的影响,表明扩散半径对注浆参数的变化均较敏感,文中公式与Maag公式所得到的变化趋势基本一致。     

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。     

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。     

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。     

三维渗流模型模拟采空区注浆治理过程的研究

在某高速公路采空区优化治理与质量检测研究课题中首次采用三维渗流方程对采空区冒落带、裂隙带的注浆过程进行了数值模拟，其结果令人满意。根据设计的注浆压力和地层条件，利用数值模型来求得注浆量及注浆半径(包括冒落带和裂隙带)，为优化设计提供依据。     

化学灌浆在贵州岩溶山区滑坡治理中的应用

随着公路建设规模的扩大,在贵州岩溶山区边坡及滑坡出现的数量越来越多,治理难度也越来越大。如何用一种经济、施工简便的方法解决贵州岩溶山区滑坡治理问题,成为贵州公路建设中亟待解决的一个重要课题。文章对化学灌浆法在贵州某高速公路滑坡治理中的运用进行试验探索,解决了地层能否灌浆处理;地层灌浆处理时,需要何种浆液材料;采用多大的压力,灌入多少浆液等问题。并在工程治理中选取75个孔做灌浆试验。根据试验确定了灌浆扩散半径、孔距、排距等参数。通过探井开挖试验、标准贯入试验、声波波速测试等检测方法进行灌浆治理效果的检测评价,从检测结论可知,该方法具有很好的效果。为了比较其经济性,还作了3种滑坡治理方案的经济技术对比。从对比结果可知,化学灌浆技术具有很强的经济优势。因此,该技术在岩溶山区的滑坡治理中有很好的适用性及应用前景。