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。     

巨厚含水层注浆浆液扩散半径及影响因素研究——以峰峰矿区为例

总结了饱水裂隙岩体中浆液的球形扩散模型和柱状扩散模型。通过对不同注浆模型中各参数,如浆液黏度、岩石孔隙率、注浆孔半径、岩体渗透系数及启动压力等对注浆扩散半径的影响分析,认为注浆孔半径和岩石孔隙率对宾汉姆流型浆液扩散影响不明显,而影响浆液扩散半径的主要因素是浆液黏度、岩体渗透系数及启动压力梯度。最后针对峰峰矿区,通过计算提出了包括注浆压力和注浆结束压力的注浆参数理论值。     

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。      

浆液在透明复制裂隙中驱替行为的可视化试验研究

在地下工程中,注浆技术是修复裂隙岩体和封堵地下水的重要手段。了解浆液在岩石裂隙中的流动行为对优化注浆方案有重要意义。通过可视化试验研究了粗糙裂隙中浆液性质对注浆过程的影响规律,提出了驱替模式试验相图,并阐明了其细观机制。试验结果表明,浆液的驱替行为与传统牛顿流体不同,注浆速度和浆液质量分数显著影响粗糙裂隙中浆液的驱替模式;在浆液的驱替过程中,浆液流变性质和裂隙开度变异性的共同作用及其相互反馈影响引起的黏度变化是形成不同驱替模式的重要原因;注浆流速越小,浆液质量分数越大,两相界面越稳定,浆液最终填充率越高;驱替过程中浆液难以完全填充裂隙的较小开度区域,且随着注浆流量的增加,浆液最终填充率呈现明显的非单调性;浆液最终填充率受驱替形态的影响显著,基于界面稳定分析理论,推导了浆液在粗糙裂隙中驱替形态转变的临界条件。该研究成果揭示了粗糙裂隙中浆液扩散的机制,可为评价与控制岩体注浆效果提供参考依据与技术思路。     

壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析

核废物地质处置、地热开发、石油开采等工程领域都可能涉及稀疏裂隙岩体中的水流-传热过程。现有的裂隙岩体水流-传热理论模型和计算方法基本上都是以平行光滑壁面裂隙模型为基础的,没有考虑裂隙的壁面局部接触对水流、水-岩热交换以及岩体传热的影响。针对粗糙壁面裂隙水流过程,阐述了基于Stokes方程的Reynolds润滑方程及Hele-Shaw裂隙模型,采用MATLAB软件中的PDE工具求解,并与Walsh的等效水力开度公式进行对比;分析壁面局部接触裂隙水流-传热与填充裂隙水流-传热的相似性,提出了瞬时局部热平衡假设的适用条件,并在裂隙局部接触体传热满足Biot数条件的前提下,计算分析裂隙局部接触体与水流之间的局部热平衡时间及其影响因素;在裂隙局部接触体与水流之间满足瞬时热平衡假设的前提下,利用填充裂隙水流-传热的解析解,计算了壁面局部接触裂隙水及两侧岩石的温度分布,并分析了裂隙局部接触面积率、裂隙开度、裂隙水平均流速对岩石温度和裂隙水温度的影响特征,结果表明：（1）在设定条件下,由于裂隙局部接触体与裂隙水流之间的热交换,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随接触面积率的增大而减小,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随接触面积率的增大而增大;（2）裂隙开度和裂隙水流速对岩石温度和裂隙水温度的影响方式的影响是一致的,即由于裂隙水流量随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随裂隙开度和裂隙水流速的增大而减小。     

裂隙注浆偏流机理及帷幕体采动效应研究综述与展望

注浆堵水是地下工程和矿山水害防控的常用技术措施,但是,目前浆液扩散机理与采动效应的研究滞后于工程实践的要求,制约了注浆工程科学有效地实施。本文跟踪裂隙岩体中注浆浆液扩散研究,受裂隙地下水“偏流效应”启发,提出了深部矿山裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流效应的命题,包括2个关键科学问题：裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流机理、偏流形成的“浆-岩”组合体采动变形破坏和渗透性变化机理。结合研究趋势,提出了跨学科综合研究方法。以典型矿山注浆防治水工程为背景,研究深部矿山水文地质结构及其采动时空演化,揭示裂隙岩体动水条件下注浆浆液扩散偏流机理及其影响因素,获得裂隙岩体内帷幕注浆形成的三维异形“浆-岩”组合体形态和力学特性,建立浆液偏流扩散数学模型,构建“浆-岩”组合体渗透性采动效应评价方法,为深部矿山水害防治和安全生产提供科学基础。     

采空区松散堆积物注浆模型试验研究

以采空区松散堆积物为研究对象,分别设计模型箱注浆模型和压力注浆模型对浆液的扩散规律进行试验研究,探讨注浆压力、浆液水固比、孔隙率和注浆量对浆液扩散距离的影响规律。试验结果表明:注浆压力、浆液水固比、孔隙率和注浆量四个因素与浆液扩散距离之间存在定量关系,可用公式进行拟合,影响浆液扩散距离最为显著的是堆积物孔隙率,其次是注浆量和浆液水固比,注浆压力对浆液扩散距离的影响相对较小;浆液在松散堆积物中流动的压力损失是由浆液流速的不均匀性、浆液与松散堆积物的碰撞、浆液扩散时与堆积物的摩擦等原因造成的;对浆液在松散堆积物中扩散速率影响最为显著的是注浆压力,其次是堆积物孔隙率,浆液水固比影响最小。     

可变倾角单裂隙动水注浆模型试验研究

突涌水灾害对地下工程危害严重,实践表明,注浆是治理突涌水灾害的有效方法。近年来,裂隙岩体注浆理论的研究成为热点,但裂隙动水注浆理论发展缓慢,不能有效指导工程实践。在水平裂隙动水注浆U型扩散理论基础上,研发可变倾角小比例裂隙动水注浆模型试验系统,开展多组室内模型试验,研究倾角对裂隙动水注浆扩散规律的影响机制,同时,利用COMSOL软件对一定倾角的裂隙动水注浆扩散进行数值模拟。研究表明：当裂隙水平时,满足U型扩散形态;当裂隙存在倾角时,在动水水头差和浆液自身重力因素作用下,浆液呈现彗星状扩散形态;相同扩散效果下,注浆速率随裂隙倾角的增加呈抛物线型增长规律,增加注浆速率可以保持注浆孔附近相对于其周边区域的浓度梯度优势。该研究结论对于目前裂隙动水注浆理论是一种重要补充,对指导突涌水灾害治理有一定的实践意义。     

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。     

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     

裂隙动水注浆渗流压力与注浆堵水效果的相关分析

采用裂隙动水注浆设备结合正交试验设计进行了裂隙动水注浆模型试验,获得了渗流压力场与注浆效果和注浆工艺之间的相关关系。结果表明,裂隙动水注浆的渗流压力场包括单峰型、平台型、多峰型、阶梯型4种类型;出现平台型和多峰型渗流压力场时的注浆堵水效果好,而出现阶梯型渗流压力场时的注浆堵水效果差;为了获得好的注浆效果且节约浆液,在渗流压力场为单峰型时应该适量增加注浆量;而在渗流压力场为平台型或多峰型时应该适量减小注浆量;渗流压力场为阶梯型时应该调节浆液配比,缩短凝胶时间。研究结果对应用压力监测及时控制施工质量和调整注浆工艺有指导作用。     

类砂质泥岩常规三轴浆压致裂起裂压力试验研究

为深入探究两淮矿区典型砂质泥岩劈裂注浆起裂机制,研制了常规三轴劈裂注浆试验装置,开展了类砂质泥岩浆压致裂起裂压力模型试验,基于试验结果分析了岩石强度与应力状态对注浆起裂压力、裂缝扩展形态影响规律,揭示了砂质泥岩劈裂注浆起裂机制。研究表明：起裂压力与岩石抗压强度呈正相关,且岩石抗压强度越高,劈裂路径越复杂;起裂压力对围压的敏感程度远高于轴压,且应力差 Δσ =σ_V −σ_H越大,裂缝形态越规整;孔压三轴条件下,封闭裸孔段浆压致裂法确定的岩石抗拉强度值约为单轴抗拉强度的 2.5倍。该研究结果可为今后类似岩层劈裂注浆参数设计与施工提供参考。     

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.     

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。     

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。     

基于模型试验的劈裂注浆机制分析

依托钟家山隧道帷幕注浆工程,设计了一套大比例劈裂注浆模型试验装置,模拟断层破碎带劈裂注浆过程,通过布设监测元件记录,分析注浆过程关键参数的变化规律,通过开挖充填介质直观揭露浆脉分布特征。试验发现,注浆过程中土体劈裂压力呈现类似脉冲状变化规律,试验条件下土体启劈压力 0.12 MPa,与现有理论解进行了对比分析。基于浆液扩散形式转换、主次生劈裂通道饱和、新劈裂通道形成和后续次劈裂区域饱和4个阶段,分析了土体劈裂压力变化机制,提出了主、次生劈裂压力值界定方法,并对试验条件下7次主劈裂压力值、53次次生劈裂压力值进行了分析,发现主劈裂压力值呈递增规律。结合P-t曲线从能量角度将劈裂过程划分为土体劈裂能量积聚、劈裂和浆液能量转移3个阶段,通过开挖充填介质揭露浆脉的空间分区域分布规律和主、次生浆脉共存规律并分析其成因,在钟家山隧道帷幕注浆工程进行现场应用试验,进一步验证了试验结论的正确性。试验结论对于注浆理论的认知和注浆工程的应用有一定的指导作用。     

弱胶结孔隙介质渗透注浆模型试验研究

为了研究弱胶结孔隙介质化学注浆浆液充填及减渗的基本规律,采取模型试验的方法,研究了不同有效粒径及细度模数的模型材料注浆前、后渗透系数、孔隙率及抗压强度变化规律,试验过程中控制了注浆泵流量、浆液性能、静水压力等参数,共完成6个模型。试验结果表明：各模型材料注浆充填率在9%～41%之间,随着模型材料粒度及渗透系数的减小,注浆充填率呈逐渐增大的趋势;注浆前、后模型材料的渗透系数随着有效粒径及细度模数的减小而逐渐减小,且减小的比例逐渐增加;注浆大幅地减小了材料的渗透性,各模型渗透系数减小幅度在84%～97%之间;注浆前各模型材料的抗压强度较低且较为接近,注浆后各模型材料的强度增加量在6～10倍之间,且强度增量表现为随着模型有效粒径及细粒模数的减小而逐渐增大的特点。     

海底透水通道发育带隧道施工注浆技术研究

通过对海底透水通道的特征分析,采用裂隙超前预注浆和裂隙补充注浆方法成功地解决了裂隙注浆堵水难题,为海底隧道安全施工提供了保障。提出了适于海水条件下的裂隙注浆原则、参数、设备、方法、工艺、材料及注浆效果检查方法,并成功地应用于胶州湾海底隧道穿越断裂破碎带时裂隙岩体注浆实践,其研究结果可为类似工程提供参考     

基于弹性力学的诱导劈裂注浆机制分析

针对隧道内水平超前劈裂注浆中浆液劈裂方向随机性的问题,提出一种诱导劈裂注浆方法,可以控制和改变浆液的劈裂方向。首先,基于弹性力学理论及其基本假定,分析竖向地应力大于水平地应力条件下对单一土层进行劈裂注浆时浆液沿竖向劈裂的力学机制,在此基础上探讨改变浆液劈裂方向为水平劈裂的必要性和诱导方法,并从应力集中的角度分析诱导劈裂注浆的力学机制;其次,采用有限元法研究注浆孔孔周劈裂方向控制点的应力随侧向压力系数和诱导孔与注浆孔间距变化而变化的情况,得出实现诱导劈裂注浆时两孔间距及侧向压力系数应满足的条件,并拟合两孔间距临界值的计算公式。结果表明：在离注浆孔上、下方4倍注浆孔径以内对称布设诱导孔,改变了注浆孔孔周劈裂方向控制点的应力场。当两孔间距小于实现诱导的临界距离值时,注浆孔孔周控制点的应力大小发生转换,浆液的劈裂方向发生改变,将沿水平方向劈裂。诱导孔与注浆孔间距的临界值会随着侧向压力系数的增大而逐渐增大。