高压喷射注浆防渗加固若干问题探讨

高压喷射注浆作为一种将水力采煤与静压注浆相结合诞生的注浆形式,已成功应用于地质灾害治理、水库大坝及垃圾渗滤液防渗加固等工程中,取得了显著的社会经济效益。从高压喷射流的特性、高压喷射注浆机理、高压喷射注浆形成防渗固结体的影响因素及其防渗性能、高压喷射注浆对地层切割搅拌范围的影响因素、高压喷射注浆对浆材的要求,以及高压喷射注浆常见事故及对策6个方面对高压喷射注浆防渗加固进行了较为全面的探讨,提出了将包括SJP注浆材料、仿生非光滑技术等在内的新技术应用到高喷注浆防渗加固中解决目前存在问题的新思路,是一种有意义的尝试,同时也是切实可行的。     

自旋转高压喷射洗井技术

研制的一种自旋转高压喷射洗井技术,具有喷射速度高、喷射压力大; 喷头能够自动旋转;作业不污染环境,不腐蚀设备,清洗效率高,成本较低等特点,非常适合对水文水井、地温空调井、地热井等所成供水管井的清洗和疏通,达到增加水井出水量或回灌井回灌的目的。     

高压喷射灌浆防渗技术在水库大坝基础处理中的应用

高压喷射灌浆防渗技术是国内正在推广的一种新型防渗技术,适用范围较广。阜康市红山水库始建于70年代,当时未对坝基11.5~4.2m厚漂卵砾石层进行防渗处理。本次除险加固对坝基采用了高压喷射灌浆防渗处理,经检测防渗质量满足相关规范要求。高压喷射灌浆技术在漂卵砾石层中的成功应用,对该项技术的推广具有参考价值。     

砂砾和卵石地层高压喷射注浆工艺的研究

砂砾和卵石地层高压喷射注浆技术,在20世纪90年代就已应用,但其工艺原理、高喷效果等都有待进一步试验研究.本文根据在这类地层高压喷射注浆试验成果的基础上,分析了高压喷射注浆对地层的作用原理及喷射注浆效果,提出了动水条件粗颗粒地层高压喷射注浆工艺措施.     

隧道喷射混凝土强度增长规律及硬化速度对初期支护性能影响试验研究

隧道结构的围岩-支护特征曲线理论表明,初期支护强度变化及支护时机将极大地影响隧道周围围岩的变形及应力分布。相应地,作为初期支护重要组成部分的喷射混凝土,其喷射后的强度增长变化规律及硬化速度也极大地影响着围岩的变形及应力重分布。为探明喷射混凝土的强度增长规律及其硬化速度对初期支护性能的影响,结合隧道工程实践,进行了一系列喷射混凝土现场试验,建立了喷射混凝土强度和弹性模量增长规律,确定了喷射混凝土硬化速度对初期支护性能的影响规律。分析表明：（1）隧道喷射混凝土早期强度发展较快、较平稳,24 h抗压强度平均值为6.4 MPa,48 h抗压强度平均值为11.4 MPa。（2）在软弱围岩中提高喷混凝土的早期强度十分重要,是控制围岩变形和稳定的关键,喷混凝土早期强度越大,隧道初期支护作用越明显。（3）喷混凝土硬化速度对控制拱顶沉降变形效果较显著。与慢速硬化相比,喷射混凝土快速硬化时拱顶沉降减少10.4%,拱脚处减小17%,边墙水平收敛减少了30.7%。（4）喷射混凝土硬化速度对控制围岩塑性变形方面差异较小。（5）应充分考虑喷射混凝土的强度硬化过程,不考虑喷射混凝土硬化速度会在一定程度上高估初期支护性能,使其相应支护结构位移明显小于考虑硬化速度时相应的结构位移。     

喷射混凝土强度影响因素及保障措施

喷射混凝土与受喷层之间的粘结强度对工程支护和结构加固起着重要的作用。大岗山水电站大坝深部基础处理工程中,成功采用若干措施,保障喷射混凝土粘结强度。文章介绍这些措施,并总结喷射混凝土的试验、检测及现场控制经验。     

基于Fluent的空气射流切削式反循环钻头参数优化

针对黄土地层,提出利用空气代替钻井液的反循环气体喷射技术。但现有技术对反循环气体喷射钻头切削土体的能力没有具体优化讨论。利用fluent软件,优化反循环喷射钻头结构参数,对不同底喷孔直径、底喷孔数量、底喷孔扩大段直径、底喷孔扩大段数量、喷射孔数量5个结构参数进行模拟分析。分析结果表明,在进风流量一定的情况下,增加底喷孔的数量或增大底喷孔的直径会削弱钻头的空气射流切削能力和反循环能力。底喷孔直径为3 mm,底喷孔个数为2个,底喷孔扩大段直径为8 mm,底喷孔扩大段长度为5 mm,内喷孔数量为5个时,反循环喷射钻头喷射能力和反循环能力最优。     

煤田PDC钻头单喷嘴喷射试验研究

通过喷嘴喷射试验,研究了煤田PDC钻头喷嘴尺寸和喷射距离与射流动压力的关系,得出了优化喷射结构参数。     

旋喷式注浆在钻探施工中的应用

旋喷式注浆是一种利用高速喷射的射流,将孔壁附近一定范围内的土、砂等松散岩层破坏,并使其与喷射的水泥浆混合、凝结的注浆方法。目前,这种方法主要用于地基加固处理,但实践表明,在钻探施工中,对固结易坍塌地层孔壁,也很有实用价值。      

空洞对隧道喷射混凝土爆破振动特性及安全评价的影响研究

在隧道工程施工过程中,爆破开挖与喷射混凝土支护往往交替进行,爆破振动可能会造成局部的喷射混凝土与围岩表面之间失去黏结力,二者脱离形成空洞。采用薄板振动理论模型、三维离散元程序3DEC数值模拟及现场实测振动分析相结合的方法,研究了隧道喷射混凝土与围岩之间的空洞对混凝土喷层爆破振动特性及安全评价的影响。研究结果表明,当隧道喷射混凝土与围岩之间存在空洞时,空洞处喷射混凝土的振动速度增大、振动持续时间变长、振动频率降低,振动的幅值-频率谱具有明显的单峰现象,回归分析得到的质点峰值振动速度衰减速率更快;空洞的存在导致隧道混凝土喷层爆破振动危险区域增大,致使选择的喷射混凝土支护时机滞后、采用的最大单响药量偏低,从而降低了隧道开挖的施工效率、增加了工程成本。     

预应力锚杆柔性支护喷射混凝土面层上的土压力

针对锚喷支护设计中面层土压力计算模式存在的问题,以预应力锚杆柔性支护技术为研究对象,假定锚杆间的土拱为二维平面拱,推导出了一种作用在喷射混凝土面层上的土压力计算方法,得到了面层土压力的分布曲线。分析土体黏聚力 、内摩擦角 、外摩擦角 和锚杆水平间距 对面层土压力的影响,并与简仓法计算结果进行了对比。结果表明, 越小,面层土压力越大,且简仓法计算值明显小于文中计算值; 对面层土压力最大值无影响;面层土压力最大值与 成正比; 对面层土压力也有明显影响,在实际工程设计中,不应忽略 对减小面层土压力的贡献。最后给出了计算面层上的土压力简化公式。     

失稳挡墙加固中锚喷力学分析及数值模拟

锚固是岩土工程领域的重要加固技术手段,而喷射混凝土与锚固工程往往是共存的,合理的喷层厚度及锚固参数十分重要。按照弹性力学中的薄板弯曲理论,从喷层与锚杆的相互作用分析出发,认为钢筋网在喷射混凝土断面上呈S形分布是最合理的布置方式。结合工程实例,采用有限差分FLAC数值模拟方法,研究喷射混凝土技术在失稳加筋土挡土墙加固中的力学机制和应用效果,认为喷射混凝土可使锚杆间的墙体表面自由变形得到有效抑制、墙趾浅表面塑性区减少、锚杆预应力损失降低、加固效果得以改善;并对喷层厚度对加固效果的影响进行了详细分析,认为合理的混凝土厚度应考虑其具备柔中有刚、刚柔并举的力学属性,所得结论对锚喷加固工程中喷层厚度的确定具有指导意义。     

土钉墙开挖性状的有限元分析

土钉墙是粉砂土、黏性土等地区基坑开挖围护的主要形式之一。采用ABAQUS有限元软件建立土钉-面层-土体的相互作用模型,土体应用Mohr-Coulomb本构模型,土体与土钉间的接触性质为摩擦小滑移,在此基础上,得到了土体深层水平位移、面层位移、面层土压力和土钉轴力的分布形式和基本规律。计算结果表明：深层土体水平位移的最大值发生在墙顶靠下或者墙顶的位置;坑底水平位移从坡脚向坑中逐渐变小,在基坑开挖深度范围内,减小的速率较大,以后趋于某一稳定值;土钉轴力两头较小,中间较大,作用在面层上的作用力值远小于土钉轴力,该力与作用在面层上的作用力之和等于土钉轴力;土钉墙的面层土压力随着深度的增加,先增加到最大值后,再逐渐减小,每开挖一步面层土压力就会增加,且最大值向下移动。     

Stability analysis of shotcrete supported crown of NATM tunnels with discontinuity layout optimization

For tunnel constructed by New Austrian Tunnelling Method, the crown is the upper part of tunnel section, constructed during excavation process and supported by shotcrete. The stability of the crown has great influence on the safety of tunnel itself and the buildings above, which correlates, among others, with geometrical setup of tunnel and material properties of shotcrete and soil/rock. In this paper, aiming at analyzing the stability of shotcrete supported crown, a recently presented numerical method discontinuity layout optimization is adopted, which introduces a great amount of potential discontinuities cross over one another and provides a wide search space for efficient upper limit analysis. In the analysis, a well‐established hydration model of cementitious material is implemented for accounting the hydration of shotcrete. Then assumptions based on convergence‐confinement method are used for accounting the 3‐dimensional effect in 2‐dimensional analysis, finally providing time‐space–dependent assessments of stability of shotcrete supported crown.     

From micron-sized needle-shaped hydrates to meter-sized shotcrete tunnel shells: micromechanical upscaling of stiffness and strength of hydrating shotcrete

Knowledge on the stresses in shotcrete tunnel shells is of great importance, as to assess their safety against severe cracking or failure. Estimation of these stresses from 3D optical displacement measurements requires shotcrete material models, which may preferentially consider variations in the water–cement and aggregate–cement ratios. Therefore, we employ two representative volume elements within a continuum micromechanics framework: the first one relates to cement paste (with a spherical material phase representing cement clinker grains, needle-shaped hydrate phases with isotropically distributed spatial orientations, a spherical water phase, and a spherical air phase; all being in mutual contact), and the second one relates to shotcrete (with phases representing cement paste and aggregates, whereby aggregate inclusions are embedded into a matrix made up by cement paste). Elasticity homogenization follows self-consistent schemes (at the cement paste level) and Mori–Tanaka estimates (at the shotcrete level), and stress peaks in the hydrates related to quasi-brittle material failure are estimated by second-order phase averages derived from the RVE-related elastic energy. The latter permits upscaling from the hydrate strength to the shotcrete strength. Experimental data from resonant frequency tests, ultrasonics tests, adiabatic tests, uniaxial compression tests, and nanoindentation tests suggest that shotcrete elasticity and strength can be reasonably predicted from mixture- and hydration-independent elastic properties of aggregates, clinker, hydrates, water, and air, and from strength properties of hydrates. At the structural level, the micromechanics model, when combined with 3D displacement measurements, predicts that a decrease of the water–cement ratio increases the safety of the shotcrete tunnel shell.     

混凝土喷层支护节理岩体等效力学模型及其应用

考虑喷层在节理面局部的限剪和限裂作用,提出喷层支护节理岩体流变模型,在此基础上推导出喷层支护节理岩体的本构关系,建立了一种喷层支护节理岩体等效力学模型。采用该模型进行结构有限元计算,喷层、节理均不需要离散网格,进行等效模拟;当实际节理裂隙的数量与方向或喷层的厚度变化时,也不需要变化计算网格,从而可降低前处理工作量,为大型复杂结构的计算分析提供较大便利。最后,通过算例和实际工程验证了该模型的有效性--不仅具有离散模型便于模拟喷层真实作用机制的优点,而且具有等效模拟简单易行的优点,具有较好的工程应用前景。     

隧道钢纤维喷射混凝土单层衬砌试验研究

为了解决隧道施工中采用单层喷射混凝土作为隧道永久衬砌的问题,对不同钢纤维及外添加剂掺量的混凝土分别进行了抗压、抗拉、抗渗以及弯曲强度等室内试验。结果表明,在喷射混凝土中加入钢纤维材料,其抗拉、抗弯以及抗渗水性能分别提高了65.6 %、94.7 %、98.1 %;并通过现场试喷,选定符合设计要求、经济合理的配合比,在摩天岭隧道通风斜井施作了湿喷钢纤维混凝土,以单层衬砌代替原设计的复合式衬砌。工程实践证明,钢纤维湿喷混凝土,其支护强度达到了设计要求,喷射作业回弹损失量减少7 %～15 %。研究成果可为类似隧道纤维喷射混凝土单层衬砌技术的应用提供参考。     

公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价研究

公路隧道常采用复合式衬砌,按“新奥法”原理进行设计和施工。对于软弱围岩段,采用型钢拱架（或格栅拱架）+注浆+锚喷网联合初期支护形式,型钢喷射混凝土初期支护的安全性评价方法是实现支护动态设计的关键。对初期支护安全性评价进行系统研究,建立了型钢喷射混凝土安全性评价数值计算方法。首先,根据监测数据分析围岩最终沉降量、水平收敛值,作为围岩力学参数反演的依据;其次,采用反演的力学参数,通过地层-结构法数值计算型钢拱架喷射混凝土初期支护内力;最后,采用型钢混凝土安全系数计算方法计算和评价初期支护安全性。研究发现,型钢拱架喷射混凝土初期支护能发挥型钢强支护作用,而喷射混凝土达到设计强度后,混凝土起主要支撑作用,型钢间距对提高初期支护安全系数不显著。     

喷射混凝土的现状与发展

对近几十年来喷射混凝土的研究工作进展作了一个较全面的介绍 ,就其工艺流程、机械配置、材料控制、施工管理等方面进行比较与讨论 ,探讨喷射混凝土在土木、水利工程应用中存在的问题 ,并对其发展前景提出一些想法。