岩体单一裂隙动水注浆数值模拟研究

针对当前深部高应力地区裂隙面变形过程中咬合作用强烈,常导致局部凸起闭合形成“岛状”低水力开度区的现象,运用有限元软件建立单裂隙中部分填充固体表征非均匀水力开度模型模拟动水环境下浆液扩散过程,得出裂隙面的水力性质具有显著控制作用;计算结果表明：浆液横向最大扩散半径与低水力开度区域等效半径成负相关关系,而逆水流方向扩散半径与低水力开度区域等效半径成正相关关系。注浆是深埋碎裂岩体加固与防渗的重要技术手段,注浆变量因素对浆液最大横向扩散半径的影响程度为物理力学开度>水流速度>注浆速率>低水力开度区域有效半径;注浆变量因素对浆液逆水扩散半径的影响程度为注浆速率>物理力学开度>水流流速>低水力开度区域有效半径。相较于平行板注浆,非均匀水力开度裂隙模型更加符合实际工程状况,可为实际裂隙注浆提供参考价值。     

动水作用下单一裂隙浆液扩散机理研究

在理论分析基础上,通过适当简化,建立了动水条件下单裂隙浆液扩散数学模型.获得了浆液极限扩散方程,并计算得到了逆水极限扩散半径与最大扩散开度的理论解答.逆水极限扩散半径与浆水速比成正比关系;浆液最大扩散开度与浆水速比成正比关系.实际注浆过程中,其比例系数为浆液粘度、裂隙倾角等因素的函数,而在理想流体假设条件下,其比例系数为1.建立了浆液扩散形态时空变化方程并研究了其变化规律,随着扩散距离增大,浆液沿不同方向扩散逐渐呈现出不均匀性.沿逆水扩散方向,扩散范围向极限扩散范围曲线迅速收敛;沿顺水扩散方向,扩散范围随时间持续增加,浆液逐渐趋于等速率扩散.研究结论可为裂隙动水注浆设计提供一定参考.     

迂曲度对盾构隧道管片注浆的影响

为了探究浆液扩散路径迂曲度对盾构隧道管片注浆效果的影响,以幂律浆液为对象,建立了考虑扩散路径迂曲度的盾构隧道管片注浆渗透扩散模型;分析了注浆时间、终止注浆压力和注浆速率对浆液扩散半径和管片所受压力的影响。最后,利用Matlab与COMSOL Multiphysics软件,开发得到考虑扩散路径迂曲度的幂律浆液渗透扩散数值模拟程序,实现了盾构隧道管片注浆效果的可视化。研究结果表明：在其他参数不变时,终止注浆压力增大,则浆液扩散半径和管片所受压力均增大;随着注浆速率的不断增大,浆液扩散半径和管片所受压力先增大后减小。考虑浆液扩散路径迂曲度后,浆液扩散半径和浆液对管片的压力值较不考虑扩散路径迂曲度时减小,且随着终止注浆压力和注浆速率的增大,扩散路径迂曲度对扩散半径和管片所受压力的影响更加明显。     

基于宾汉体浆液的海底隧道劈裂注浆机理研究

基于流体流变方程和平板窄缝模型,推导出宾汉体浆液劈裂注浆扩散半径计算公式,并提出了求解方法.计算表明,注浆压力差随浆液流变参数的增大呈线性增大,要达到一定劈裂长度,水灰比越小所需注浆压力越大;裂隙宽度的减小使所需注浆压力差迅速增大,并使扩散半径迅速减小,这种影响随着水灰比的增大而减小.结合厦门翔安海底隧道全风化花岗岩地层HSC(High Strength Concrete)水泥注浆试验,证明了这一理论的计算结果符合工程实际.     

盾构隧道壁后注浆浆液时变半球面扩散模型

在假定注浆浆液为粘度时变性流体且浆液沿半球面扩散的前提下,应用达西定律对盾构管片注浆扩散半径及浆液对管片产生的压力进行了理论推导,得到了浆液扩散半径及对管片产生的压力的计算式.通过具体实例,对比分析了考虑浆液粘度时变性和不考虑浆液粘度时变性2种条件下注浆压力、注浆时间、浆液初始粘度、土体渗透系数对浆液扩散半径及浆液压力的影响,得到了浆液压力的分布形式.分析结果表明,注浆压力和土体渗透系数较大且注浆时间较长时,浆液的粘度时变性对浆液扩散范围和压力的影响显著;可通过调整注浆压力、注浆时间、浆液特性来调整注浆效果.     

岩体裂隙中宾汉姆流体渗流模型

为研究粗糙单裂隙中宾汉姆流体的渗流规律，提出了描述岩体裂隙中宾汉姆流体黏性和黏惯性流动的渗流模型，并采用数值模拟和室内试验结果对模型进行了验证.在粗糙裂隙中，开展了不同流变参数的宾汉姆流体在大范围压力梯度下的渗流模拟，结合修正的Forchheimer方程分析了宾汉姆流体在不同裂隙几何参数及流变参数下的非达西系数β、临界雷诺数Re_○c、非达西效应因子E等变化特性.结果表明:由宾汉姆流体本构方程推导出的黏性模型能更好地描述黏性渗流.修正的Forchheimer方程能更好地描述宾汉姆流体在粗糙裂隙中的黏惯性渗流特征.粗糙度及流变参数会对渗流特性产生显著影响:裂隙粗糙度越大，浆液屈服应力越大;浆液塑性黏度越大，惯性作用越强.     

弹性模量对岩石注浆裂缝形成影响分析

为了更深入的了解注浆过程中裂隙的产生规律,采用RFPA-flow软件,建立了裂隙岩体注浆模型,模拟了岩体注浆过程中破裂萌生、扩展、相互作用直至模型失稳破裂的全过程。结果表明:岩体注浆压裂过程中,不同弹性模量的岩石对注浆过程中裂纹产生的结果有较大的影响,弹性模量的改变会影响岩石的初始破裂压力,随着弹性模量的增加,岩石所需的破裂压力越大且岩石越难破裂,岩体模型失稳所需的注浆压力也随之增加。只改变岩石的弹性模量而不改变其他条件下,由于岩石破裂难度的提升浆液的流动难度也随之增加,弹性模量越大的岩石浆液越难流动。研究结果揭示不同弹性模量的岩石在相同条件下的注浆致裂裂纹形成规律,旨在对现场施工进行理论指导。     

基于Navier-Stokes方程幂律型浆液扩散压力

为了研究浆体在裂隙截面各处的压力分布规律和扩散半径,克服以往利用平均速度得到某一截面的平均压力的情况,达到较精确地控制浆体流向和扩散范围,基于黏性流体Navier-Stokes方程,对幂律流体在水平光滑裂隙管状模型内的扩散运动进行理论分析,重点讨论黏度系数、流变指数、注浆时间和裂隙高度方向的距离对注浆压力差和扩散半径的影响规律,从而为岩土裂隙的注浆设计提供必要的理论依据。研究结果表明:当黏度较小时,注浆的扩散半径较大,但当浆体黏度大到一定程度时,恒定注浆压力下容易产生压滤效应;当流变指数较小时,压力差?p无明显变化,超过某一特定值之后,压力差?p随着流变指数的增大呈现非线性快速增加;注浆压力在靠近流核区与非流核区界面的压力最大,随着逐渐远离流核区(y方向),其压力呈非线性逐渐减小,到达某一特定位置,然后迅速增大,但直至裂隙边界处其压力始终小于界面处的压力;随着注浆时间增大,浆液的扩散半径不断增大,并且呈现出非线性增大的趋势,但扩散半径的递增率逐渐减小,最终扩散半径趋于某一特定值。     

用可控浆液浓度的注浆锚杆加固巷道围岩

提出用可控浆液浓度的注浆锚杆加固岩体的新工艺。该工艺可根据岩体中裂隙开度不同,沿锚杆孔深度改变水泥浆液的浓度,从而在巷道周围形成胶结密实的岩石砼拱,提高巷道的稳定性。     

煤矿开采覆岩离层注浆浆液配比优化试验研究

覆岩离层注浆充填技术是一种煤矿绿色开采新技术,能有效控制离层上方的地表沉陷,对保护地表建筑物安全及生态环境稳定具有重要意义。为了探究离层注浆浆液最优配比,选取水固比、固相比、水玻璃掺量和悬浮剂掺量4个浆液性质的主要影响因素,采用正交试验和单因素试验的方法探究各因素对浆液的相对密度、黏度、析水率和结石率的影响。试验结果表明,水固比是控制浆液性质的主控因素。其他影响因素中,固相比对黏度影响较大,水玻璃掺量对析水率、结石率影响较大。单因素实验中,各电厂粉煤灰浆液随水固比减小,浆液析水率减小,结石率增加,黏度增加,即浆液中粉煤灰质量比越大,浆液稳定性和填充效果越好,但扩散半径越小。随着水固比减小,达到某一水固比值后,浆液黏度将显著增大。不同电厂粉煤灰浆液性质不相同,因此在注浆前对拟用粉煤灰进行试配是必要的。     

沉管隧道基础压浆垫层粗糙度的影响效应

通过模型试验,研究了压浆法进行沉管隧道基础处理过程中,采用粒径为2、5和10 mm的垫层材料时,单孔注浆和双孔同步注浆的浆液扩散情况以及注浆量和注浆压力的变化规律.结果表明：当垫层材料粒径较大时,浆液扩散速度较快;随着垫层材料粒径增大,基础填充密实所需压浆量增加;垫层材料粒径较大时,注浆压力的波动范围较大,注浆泵不易操纵,浆液盘易出现方向性扩散.根据试验结果,选择垫层材料的粒径时,可综合考虑扩散速度、注浆量和压力等控制因素.
     

高水头条件下管道裂隙浆液封堵机制试验研究

针对高水头下管道裂隙浆液留存率低、封堵效果差的问题,通过自主设计的可视化动水注浆试验平台,开展了高水头管道裂隙注浆封堵试验研究,探讨了影响管道裂隙浆液封堵的主次因素,揭示了水灰比、注浆压力及动水流速对水泥浆液封堵效果的影响。研究结果表明:影响高水头管道裂隙浆液封堵沉积厚度及逆向扩散距离的因素依次为动水流速、水灰比、注浆压力;在合理水灰比条件下,浆液沉积厚度及逆向扩散距离随注浆压力增大而单调递增;浆液逆向扩散距离相比沉积厚度对动水流速变化更加敏感。     

水泥-水玻璃浆液在圆砾层的扩散规律

基于浆液在孔隙介质中的渗流方程,推导出了圆砾层中浆液流动时间、注浆量、扩散半径的计算式,并在一定的假设条件下,获得了水泥-水玻璃浆液粘度随时间变化的规律,探讨了不同注浆压力和浆液流动时间对浆液扩散半径的影响.浆液扩散半径随注浆压力的增大呈非线性增大,随浆液流动时间的增大呈非线性减小.圆砾层防渗注浆工程实例验证了圆砾层双液注浆计算式的正确性.     

盾构隧道同步注浆纵环向整体扩散理论模型

针对目前现有的盾尾同步注浆扩散模型以浆液纵环向流动相互独立为前提,未考虑浆液流动的关联性问题,基于Bingham流体本构模型和流体力学原理,分析盾构隧道同步注浆扩散模式机理,建立了盾尾同步注浆纵环向整体扩散理论模型。基于时空离散概念,设计求解该理论模型的数值算法。结合工程实例,对理论模型和数值算法进行了验证,并与现有的环向独立扩散模型计算结果进行对比和分析。分析结果表明:纵环向整体扩散模型相较于环向扩散模型,改进了假定条件,不需引入环饼厚度等敏感假定参数,更加贴近工程实际情况;浆液压力整体上呈现着上小下大重力主导的趋势,竖向梯度约为16 kPa·m^-1,而在注浆孔附近局部区域浆液压力分布较为复杂,与注浆孔位、浆液流动方向以及注浆压力与环境压力之间的压力差等因素有关。     

考虑浆液自重的均匀注浆压力引起地表变形研究

目前关于同步注浆压力对地层变形的研究大都将其视为均布径向压力,为了能够更加准确的预测注浆压力对土体变形,在考虑浆液重力的条件下,以浆液流体为研究对象,分析均匀注浆压力对地表的变形。考虑重力的注浆压力分布形式为半无限体柱形孔扩张,基于弹性叠加原理,利用镜像法和mindlin解,通过坐标变换,推导出考虑重力的均匀注浆压力引起地表最大隆起位移的解析式,通过数值模拟对工程实例进行分析并与已有的解析式对比,验证解析式的合理性。     

堤坝劈裂灌浆浆液的固结效应

针对堤坝劈裂灌浆防渗加固中浆液固结机理,结合实际劈裂灌浆施工过程,采用了有限差分数值计算方法开展数值模拟,基于应变硬化-渗流耦合模型,探讨了浆液渗流固结的变化规律,分析了浆液在灌浆、停灌和复灌不同阶段的孔隙水压力、坝体应力水平增量等变化特征,得到了浆液在不同阶段的扩散形态和应力水平增量沿不同路径的分布特征,揭示了堤坝劈裂灌浆浆液在土体内渗流固结机理.计算结果表明:堤坝劈裂灌浆过程中浆液以灌浆轴线为中心线,向坝体四周扩散,对称分布;随着灌浆次数的增加,浆液在坝体内渗透所产生的孔隙水压力也逐渐增大,浆液扩散区域也逐渐增大,从而更为有效地填充坝体内所存在的病害体,改善坝体内应力状态,提高坝体防渗效果.     

桩侧注浆提升既有桩基承载特性试验与数值模拟

为揭示粉质黏土地层既有桥梁桩基的桩侧注浆加固机理,本文通过模型试验研究了注浆压力、水灰比对桩侧土体加固模式及加固效果的作用关系,采用数值模拟获取了桩侧注浆对既有桩基承载特性作用规律。研究结果表明,水泥单液浆在粉质黏土地层中以挤密劈裂的加固方式为主,水泥浆液扩散模式呈现直线式、放射式;粉质黏土注浆加固效果与注浆压力正相关,随水灰比的升高而呈现先升高后降低的趋势。桩基桩侧加固可以有效的提高加固范围内的侧摩阻力,桩基深部相较浅部侧摩阻力提升更明显。