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。     

砂土介质注浆渗透扩散试验与加固机制研究

设计了一套可视化砂土介质恒压注浆渗透扩散与加固模拟试验装置。选用普通硅酸盐42.5水泥（OPC）、超细硅酸盐水泥（MC）、超细硫铝水泥（MSAC）及自主研发材料（EMCG）,对砂土多孔介质进行了注浆渗透扩散与加固试验。研究了细砂土体不同浆液、注浆压力工况下扩散距离、注浆量随时间变化规律,以及不同浆液、砂样级配及注浆压力对加固效果影响。采用极差分析法确定了加固效果主控因素,获得了加固体宏观破坏模式,通过SEM分析了岩-浆界面微观加固模型,揭示了不同材料加固效果差异的本质原因。研究结果表明：注浆材料与颗粒质量分数主导着细砂土体可注性,注浆压力对可注性提高程度不大,EMCG可注性最强,MC、MSAC次之,OPC最差;在完全可注情况下,砂样级配越细,加固体强度改善效果越明显;EMCG材料加固体7、28 d强度明显高于MSAC、MC、OPC加固体;EMCG的7 d加固体强度达到28 d参数70%以上;注浆材料主导着注浆加固效果,EMCG对不同级配砂土体注浆加固效果显著优于其他水泥类材料,OPC最差;注浆后EMCG浆-岩界面生成的致密C-S-H凝胶体能够有效提高胶结强度。最后从注浆材料选型、注浆过程控制、钻孔布置方面对砂土层渗透注浆设计方法提出了工程治理改进建议。     

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。     

宾汉流体的触变性及球体绕流阻力

通过推导和实验,建立了宾汉触变流体的屈服应力及不沉降最大球体直径随浑水静止历时增长而变化的公式;建立了宾汉触变流体运动的Navier-Stokes方程,求解该方程时,导得了球体在宾汉触变流体中沉降时的绕流阻力及阻力系数公式。用各种来源的宾汉触变体浑水的流变试验资料及X射线屏幕上观测球体运动的试验资料验证上述公式,取得了良好的结果。     

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     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于数值模拟的劈裂注浆浆液扩散范围分析

地面高压超前区域注浆已成为煤矿水害防治的首选工程方法,注浆浆液扩散机理受到普遍关注,且分支孔间距设计多依赖现场经验,具有一定的盲目性,制约着工程效果及效益。基于淮北煤田恒源煤矿注浆现场实际工况,利用COMSOL Multiphysics软件,开展地面定向钻煤层底板区域高压注浆浆液扩散数值模拟研究及浆液扩散影响因素分析,探讨地面高压注浆浆液扩散机理。结果如下：(1) 煤层底板石炭系太原组第三薄层灰岩(简称三灰)裂隙发育,通过模拟发现,8~12 MPa高压注浆时很可能发生劈裂作用,期间渗透系数增大4~5个数量级。(2) 不考虑重力影响时,以分支孔为中心,浆液向周边扩散距离相等,且在分支孔附近,浆液浓度较大,体积分数达20%以上;考虑重力作用时,水平向浆液扩散范围相对增大,垂向上浆液主要向下扩散,表现为“上短下长”。(3) 浆液扩散模拟得出,扩散范围为41.2 m;浆液扩散范围现场实测显示,扩散范围为38.3~44.0 m,浆液扩散现场实测验证了扩散模型的正确性。(4) 浆液扩散范围与浆液相对密度、静水压力、浆液动力黏度、浆液屈服强度及孔隙率呈负相关,与裂隙隙宽、渗透系数呈正相关。其中浆液相对密度越小,其扩散范围响应越明显;随动力黏度增加,扩散范围减小得越来越慢。研究成果可为煤系底板水害区域注浆治理工程合理设计提供参考,具有较好的参考应用价值。

     

Experimental diffusion of hydrogen into synthetic fluid inclusions in quartz

Abstract Quartz-hosted, synthetic CO₂-H₂O fluid inclusions behave as open systems with respect to diffusional transfer of hydrogen during laboratory-simulated metamorphic re-equilibration at 650, 750 and 825°C and 1.5 kbar total pressure with f_O2 defined by the C-CH₄ buffer. Microthermometry and Raman spectroscopy show that the initial CO₂-H₂O inclusions become CO₂-CH₄-H₂-H_2O
inclusions after diffusive influx of hydrogen from the reducing confining medium. Measurable changes are observed in inclusion compositions after only 15 days of re-equilibration, implying significant hydrogen mobility at still lower temperatures over geological time spans. Results of synthetic inclusion re-equilibrium experiments have profound implications for the interpretation of natural fluid-inclusion data; failure to account for potential hydrogen migration in inclusions from high-temperature geological environments may lead to erroneous estimates of P-T, and/or the compositions of metamorphic fluids.     

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。