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。     

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。     

水泥浆的流变性及其对浆液运动的影响

概括地分析了现有水泥浆流变性的研究成果,采用模拟计算方法,就浆液流变性对灌浆的影响程度作了定量评价。认为新拌水泥浆,可近似看作是一种与时间有关的粘塑性流体,浆液的动切力、塑性粘度和水化速度对其扩散距离都有着不同程度的影响。     

高压注浆加固造成铁路路基隆起的原因分析

高压旋喷法施工造成路基、地面抬升,是地基处理过程中较常见的现象。分析上海地铁9号线高压旋喷施工造成铁路路基隆起的工程实例,将路基变形过程和注水试验进行对比,得出了注浆过程满足土体注水膨胀原理;同时由于桩周产生的压力远大于土体所能承受的孔隙水压力,使破坏的土体挤压进路基底部,加大了隆起量。通过调整施工参数,可改变土体注水膨胀的本构定律与桩周压力公式中相关变量,从而减小隆起量;并提出了调整施工进度、工艺等相应的处理方案。     

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     

幂律型浆液扩散半径研究

基于广义达西定律及球形扩散理论模型,推导出幂律型浆液在砂土中进行渗透注浆时有效扩散半径计算公式。分析了注浆压力差随浆液流变参数c和n及浆液扩散半径的变化情况。注浆压力差随流变参数c,n分别呈线性和非线性变化,浆液扩散半径增大所需的注浆压力差也相应的增加,增长的幅度受浆液流变参数的影响显著。     

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。     

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。     

三维注浆模型试验系统研制及应用

为研究注浆扩散规律和加固机制,研制了三维注浆模型试验系统,该系统由承载试验台、伺服稳压供水单元、注浆单元、多元信息监测单元及图像采集单元组成。该系统主要功能包括不同岩体介质中参数灵活可调的多孔注浆、多序次注浆模拟试验及被注岩体内部物理场信息实时采集,其主要优势体现在：（1）试验腔设计为组合桶式结构,密封性强,拆卸方便,利于注浆加固体细部研究;（2）多腔气动联合控制水压加载方式可提供持续稳压的地下水环境;（3）多元信息并行实时监测系统可同时采集被注岩体内不同空间位置的总压力、孔隙水压力及位移等信息,实现注浆过程中物理参量时空变化规律的研究。利用该试验系统进行黏土介质单孔注浆和多孔分序次注浆模拟试验,获得注浆压力p变化特征及土体内部力学响应规律：p - t曲线呈多个波峰-波谷旋回,表征劈裂注浆为主的加固模式;注浆荷载作用下,总压力、孔隙水压力、有效应力与注浆压力基本同步变化,注浆结束点达到峰值,其后开始衰减并逐渐趋于稳定;与单孔注浆相比,多孔、多序次注浆可显著提高土体有效应力,黏土逐渐压缩固结,力学性质改善。试验表明,黏土介质以劈裂注浆为主,不同序次浆脉间接触关系复杂,可划分为剪切劈裂、原位顺层劈裂及入侵劈裂3种基本模式;采用多孔、小注浆速率试验方法,可减小围岩扰动,增大注浆量及土体压缩固结程度,提高注浆加固效果。研究成果对揭示黏土介质注浆机制具有一定的科学价值。     

An FEM/VOF hybrid formulation for fracture grouting modelling

A numerical model using a hybrid formulation of a finite element method (FEM) coupled with the volume of fluid (VOF) technique to simulate the fracture grouting processes in soils is described. The numerical model considered the couplings of the stress distribution, with two-phase fluid flows, and the mesh element damage. The hardening of grout in soil is described by a time-dependent Young’s modulus and viscosity. Crack initiation, branching, propagation, and grout vein growth in homogeneous and heterogeneous soils can be numerically reproduced. Although the method is developed particularly for simulating fracture grouting, the processes of compaction grouting and permeation grouting can also be numerically simulated. Some grouting cases have been simulated with results similar to the experimental results. This further confirms the adequacy and the power of the numerical approach.     

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。     

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。      

微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析

裂隙岩体的防渗加固是影响工程稳定和安全的关键技术问题之一。在以往微生物加固砂土技术基础上,将微生物加固技术应用于裂隙岩体灌浆加固,研究结果表明,(1) 加固前围压对裂隙岩样的水力开度影响很大,加固后裂隙被碳酸钙沉积物充填,岩样的渗流由裂隙渗流转变为孔隙渗流,单位渗流量和渗透系数由围压和渗透水压共同控制;(2) 微生物灌浆加固后,不同围压和渗透水压力作用下裂隙岩样的单位时间渗流量减小了80.12%～90.04%,渗透系数可达到10–6 cm/s数量级;(3) 裂隙岩样灌浆加固过程中微生物诱导产生的CaCO3沉积物具有较好胶结作用,将劈裂岩样胶结为一个整体,达到了加固防渗效果。研究成果可为裂隙岩体的灌浆加固提供较好的参考。     

基于流体体积法的劈裂注浆有限元分析

劈裂注浆作为一种有效的土体加固方法,其理论研究落后于工程实践。提出了基于弥散裂缝模型和流体体积法的劈裂注浆有限元分析方法,并通过ABAQUS二次开发编写劈裂注浆有限元程序。数值分析结果能与室内试验较好吻合,验证了有限元算法的合理性。在此基础上研究了注浆孔埋深和注浆流量对劈裂浆脉形状的影响。结果表明,劈裂注浆过程可分为起劈和劈裂发展两个阶段。当劈裂浆脉扩展到模型边界后,继续注浆会引起注浆压力的大幅提高和已有浆脉宽度的增加。随着注浆孔埋深的增加,浆脉分支减少,长度减小,宽度增加,劈裂浆脉形状的主要控制因素从土体参数的随机性变成大小主应力值的差异。注浆量一定的情况下,注浆速率越大,劈裂浆脉长度越短,宽度越大,注浆终压也越大。研究为劈裂注浆的工程应用提供理论支撑。     

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。     

油页岩原位开采区注浆封闭浆液优化及其防渗效果实验

为提高油页岩原位转化加热效率、减少油气污染,采用注浆技术对油页岩开采区进行封闭止水。基于扶余油页岩开采区地质条件,对优化封闭浆液配方与封闭效果进行实验研究。首先基于正交试验,获得了不同指标下的优化配方,进而通过综合分析法,选出符合此封闭区要求的优化配方;为了验证优化浆液的封闭效果,对比分析了浆液充填前后油页岩试样渗透率的变化。结果表明：浆液优化配方为水灰质量比0.85,w（钠基膨润土）4.0%、w（微硅粉）6.0%、w（聚羧酸减水剂）0.5%;当围压为扶余油页岩开采区地应力时,充填浆液试样的渗透率均约为0.1×10^-3 μm²,远低于未充填的试样,优化浆液封堵试样裂缝效果较好。     

边坡岩体弱面注浆宏观效应数值模拟分析

为反映弱面注浆对边坡岩体的宏观效应,通过对边坡弱面注浆前、后两种状态采用FLAC3D数值计算模型,分析边坡岩体注浆前、后的应力、位移场的变化。结果表明:注浆前,竖向拉应力和水平拉应力区向边坡内侧增大,且平行节理面分布,节理面两侧应力变化梯度明显;静态位移和动态位移向边坡内侧递减,位移在节理面处明显发生突然变化。边坡内侧节理面是构成潜在滑动面的主要因素。注浆后,拉应力区明显变小,拉应力贯通区消失,应力变化梯度减小;静态位移和动态位移明显下降,节理面处位移突变减小或消失。说明注浆加固处理对节理损伤起到很好的修复作用,提高了节理的抗剪强度和抗剪刚度。从而使岩体的应力场和位移场变得均匀和连续,节理面的拉应力区减小,较大的位移得以抑制,提高了节理边坡的整体性和稳定性。     

基于以气驱水技术的含水地层灌浆改性试验研究

当对含水地层进行灌浆改性时,通常会受到土体孔隙中自由水的不利影响。为此,考虑将以气驱水技术应用于含水地层化学灌浆中,以提高改性效果。对饱和黏土与粉质砂土开展以气驱水可行性试验,结果显示在饱和粉质砂土中充气驱替孔隙中自由水具有较好的可行性,在饱和黏土中则难以顺利进行。这是因为土体内部孔隙大小会直接影响初始进气值Pc,同时充气压力亦不能超过极限压力Pmax,否则土体内部会发生劈裂破坏,形成大范围空气通道;研制含水地层以气驱水化学灌浆模拟装置,以粉质砂土为研究对象进行对比试验,试验结果显示在以气驱水技术的辅助下进行化学灌浆可更加显著地改善原有土体的渗透性、无侧限抗压强度与微观结构,电子显微镜扫描也显示出相似结果,这是因为通过充气能够在含水地层中产生空气隔幕,为浆液提供良好的灌注、凝硬环境。