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。     

纤维硅灰水泥石强度与浆液抗冲刷特性

针对隧道突水灾害防治对注浆材料的特殊要求,在水泥浆中加入外掺剂改善其力学特性与抗冲刷特性。通过测试不同水灰比、纤维掺量、硅灰掺量下水泥石的抗压与抗折强度,得出各水灰比下的强度最佳配合比,并测试最佳配合比下浆液的流动性与抗冲刷特性。试验发现,纤维与硅灰的掺入能够显著提高水泥石的强度,且对浆液的流动度影响不大;低流速下纤维硅灰水泥浆的抗冲刷特性较纯水泥浆改善显著,但流速较高时其抗冲刷特性仍较差。基于此,在纤维硅灰水泥浆中再掺入可再分散性乳胶粉进一步改善浆液抗冲刷特性。试验结果表明,可再分散性乳胶粉能明显改善浆液抗冲刷特性,即使在较高流速（0.6 m/s）下,其浆液留存率仍达到60%以上。研究结果为隧道突水灾害防治与动水注浆浆液选择提供了参考。     

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。     

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     

陕北采煤沉陷区黄土基注浆材料性能试验及配比优选

注浆法是采煤沉陷区的主要治理方法，浆材对注浆效果和成本影响很大。以陕北地区黄土-水泥-添加剂混合浆液为研究对象，采用单因素及正交试验对黄土浆液的黏度、凝胶时间、结石率及28 d单轴无侧限抗压强度进行试验研究，对各指标的影响因素及变化规律进行分析，同时，建立黄土基浆液的GA-BPNN预测模型，通过GA多目标全局寻优，优选出一定强度下成本最低的浆液配比。试验结果表明:黄土水泥浆液与陕北地区普遍采用的水泥粉煤灰浆液性能相近，成本大幅降低，黄土基注浆材料密度及结石率受水固比影响最为明显，黏度主要受水固比及黄土（水泥）掺量影响，28 d强度主要受黄土（水泥）掺量影响；采用GA-BPNN构建模型预测的黄土基注浆材料性能预测值与期望值相对误差为0.74%~1.83%，预测结果精度高，可满足实际应用需求。移动阅读      

深水注浆锚设计原理及其承载特性试验研究

海洋能源开发不断向深海迈进,大型深水海上平台对锚泊结构的承载力提出了更高的要求。针对传统鱼雷锚承载比不足的问题,提出了一种新型深水注浆锚。锚体带动连接其尾部的注浆管贯入海床,然后在外部注浆设备驱动下向海床注浆,浆液挤压土体并在锚体周围形成注浆固结块,从而大幅增加锚体抗拔力。采用自主设计的海洋锚注浆和拉拔试验系统进行了模型试验,研究了不同注浆量对浆液扩散特性以及锚体承载特性的影响规律。结果表明：浆液可以较好地包裹锚体,浆块呈倒锥形与锚体紧密黏结为一体,共同承受上部荷载,浆块承载比可达 24.6,远高于传统鱼雷锚的 2.4～4.1,从而验证了深水注浆锚的可行性。随注浆量的增加,浆块端部截面积和整体高度增加,注浆锚整体承载力也不断增大。     

Groutability of cement‐based grout with consideration of viscosity and filtration phenomenon

The groutability depends on the properties of the grout, its injection processes, and on the mechanical properties of the soil formation. During the process of pouring cement‐based grouting into a porous medium, a variation with time occurs in the viscosity of grout suspension. In addition, the particle filtration phenomenon will limit the expansion of the grouted zone because cement particles are progressively stagnant within the soil matrix. In this paper, a closed‐form solution was derived by implementing the mass balance equations and the generalized phenomenological filtration law, which can be used to evaluate the deposition of cement‐based grout in the soil matrix. The closed‐form solution relevant to a particular spherical flow was modified by a step‐wise numerical calculation, considering the variable viscosity caused by a chemical reaction, and the decrease in porosity resulting from grout particle deposition in the soil pores. A series of pilot‐scale chamber injection tests was performed to verify that the developed step‐wise numerical calculation is able to evaluate the injectable volume of grout and the deposition of grout particles. The results of the chamber injection tests concurred well with that of the step‐wise numerical calculation. Based on the filtration phenomenon, a viable approach for estimating the groutability of cement‐based grout in a porous medium was also suggested, which might facilitate a new insight in the design of the grouting process. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

煤层底板水害区域注浆治理影响因素分析与高效布孔方式

对于导、含水岩层进行超前区域注浆改造与加固是华北型煤田煤层底板岩溶水害防治的主要技术手段。根据超前区域注浆改造技术应用的矿井水文地质基本原理,结合煤层底板水文地质结构、采动影响、定向钻进成孔与浆液扩散能力,以及受注岩层边界条件等因素,分析了治理煤层底板薄层灰岩与厚层灰岩水害的超前区域注浆改造与加固的一般应用模式。并从受注岩层地质条件、注浆材料、注浆工艺等方面,分析得出受注层的空隙连通性、开启性、粗糙性、孔隙水承压性,注浆材料的粒度、黏滞性、时变性、结石能力,以及注浆压力、钻孔空间布置、注浆方式等,是影响煤层底板岩溶水害超前区域注浆治理效果的主要因素。另外,依据注浆过程中有效注浆压力计算公式,分析得出浆液在钻孔和裂隙中流动时由于受到钻孔和岩层空隙综合阻力的抑制,水平孔中沿程有效注浆压力逐步衰减,易形成“锥形”浆液扩散范围。最后,针对目前常用的超前区域注浆孔水平段分支孔平行布孔模式,由于间距过大和有效注浆压力衰减可能造成的注浆孔间盲区问题,根据注浆孔水平段有效注浆压力与浆液扩散范围的衰减规律,以消除注浆盲区为目标,提出了长距离错位平行分支孔、长距离逆向互补弧形分支孔、短距离羽状分支孔等3类注浆孔高效布孔模式,可为煤层底板水害超前区域高效治理技术科学应用提供依据。      

Multi-scale modelling of the permeability evolution of fine sands during cement suspension grouting with filtration

Fluid flow during permeation grouting of fine sands with a microcement-based grout is studied by assuming that the heterogeneous medium composed of the initial granular skeleton, filtered cement and the interstitial fluid phase can be replaced by a continuous equivalent medium at the macroscopic level. Consequently, the method of Homogenization of Periodic Structures (HPS) is used to identify the effective permeability tensor evolution under the effect of cement filtration. The expression of the macroscopic permeability tensor derived through the HPS procedure is shown to depend on the permeating fluid viscosity and the geometrical arrangement of the sand grains and cement deposit within the microstructure. Numerical computations are made using various two-dimensional and three-dimensional microstructures, and the model results are confronted with grouting experiments performed on small scale columns in the laboratory.     

高活性粉煤灰注浆材料性能和应用

高活性粉煤灰注浆材料是以工业废料－粉煤灰为主体,配合其它具有胶凝增强和提高早期强度的外掺料,以及能改善浆液性能使之满足注浆施工作业要求的外加剂,经特殊加工而成的一种新型注浆材料。该材料与普通硅酸盐水泥用于注浆工程相比有流动性好、凝结时间适当、抗压强度较高、结石率高的特点,经在静压注浆和高压旋喷注浆工程中的初步应用,取得了较好的效果。     

灌浆技术在岭澳水库防渗处理中的应用

介绍了灌浆技术在岭澳水库防渗处理中的应用,论述了如何合理选用浆液水灰比以及在灌浆过程中单注量的变化规律。     

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。      

岩溶突水治理浆材的试验研究

以深部地下工程的加固和高压突水治理为研究对象,对一种新型化学注浆材料的化学反应封堵机制进行了可行性分析,并针对化学浆液的流动性、渗透性、抗冲刷性以及固结体的强度、水质毒理等因素进行了室内试验研究,详细地分析了浆液的物理化学特征,给出了浆液最佳配比值以及相应的性能指标。结合高压突水工程实例,开展现场注浆封堵试验,检验浆材用于突水封堵治理的可行性,并与超细水泥、水泥-水玻璃、尿醛树脂等常见注浆材料的封堵效果进行对比。试验结果表明：该化学浆液具有反应块、强度高、抗冲刷性强、无毒以及良好的渗透性和遇水膨胀功能,在现场应用中表现出良好的可控性和可泵性以及理想的注浆效果,与水泥类和一些常用化学浆材相比,具有运输快捷、配料方便、工艺简单的优点,所得结论对后续研究具有重要借鉴意义。     

铜多金属矿帷幕注浆堵水方案研究

结合江西乐平市月形铜多金属矿帷幕注浆堵水工程,主要阐述了矿山发生涌水灾害后治理的方法选择及治理工序,并对注浆法的施工工艺加以研究和推广,同时简单介绍了施工过程中一些常见问题及处理对策。根据该工程的工程地质条件、工程性质、预算等限制条件选择高压孔内循环式注浆;下行式分段注浆方式方法。浆材为水泥粉煤灰和水泥粘土浆两种,必要时加入适量水玻璃。最后,通过钻心、压水对比和面波检测确定注浆是否达到工程要求。     

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。     

数字钻孔摄像在小浪底帷幕灌浆检测孔中的应用

为了评价帷幕灌浆效果,将数字钻孔摄像技术应用到小浪底水利枢纽3号灌浆洞3个灌浆质量检查孔中。通过数字钻孔摄像得到的孔壁图像资料, 对钻孔内发育的节理裂隙、破碎带和砂浆充填情况进行了分析研究,结果表明：?灌浆时浆液在外压下,主要沿连通性较好、延伸较远的裂隙向孔外岩体渗透。与渗流路径相连通的裂隙或延伸较短的裂隙,被浆液直接充填凝固后形成水泥结石。与渗流路径没有连通的裂隙则被忽略,或在灌浆压力下劈裂而部分充填,造成全充填、半充填和砂浆流出等几种充填效果;?破碎带充填与否主要与破碎带的规模、性质和与灌浆洞连通性有关。小浪底水利枢纽3号灌浆洞内的灌浆效果是明显的;将数字钻孔摄像技术应用于检查帷幕灌浆质量,分析灌浆浆液渗流路径,也是可行的。     

铁路岩溶路基注浆材料试验研究

探讨了水泥、水玻璃及固化剂对粘土固化浆液性能的影响,提出了粘土固化浆液的最佳配比,通过试验分析了浆液在注浆过程中的扩散规律及防渗堵水效果。     

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.     

黏土水泥浆材特性的试验研究

黏土水泥浆材是采空区处治的优选注浆材料,但目前关于优化浆材配比的研究较少。针对毕威高速公路水塘隧道出口段采空区处治工程,提出采用黏土水泥浆液进行注浆处理,并进行室内试验研究,得到了不同配比浆液的凝结时间、结石率、结石密度、结石体抗压强度、渗透系数及冲蚀率等性能指标。试验结果表明,固相比较低的浆液凝结时间较短,抗压强度较高,渗透系数较大;随原浆比重增加,浆液的凝结时间缩短,强度提高且渗透系数降低;偏铝酸钠可有效缩短浆液的凝结时间;最终确定了黏土水泥浆材的配比和原浆比重。本次研究可为高速公路下伏采空区的注浆治理提供设计依据。