全风化花岗岩地层膨润土-超细水泥浆液滤失特性研究

针对全风化花岗岩地层注浆加固时,遇到微小孔隙时的浆液失水问题,开展不同膨润土-超细水泥浆液配方的滤失试验,并对滤失泥饼进行微观结构对比分析研究。结果表明,膨润土含量及其水化胶体的形态与分布决定浆液滤失性能;适量加入超细水泥,增加细颗粒含量,胶结体更易填充颗粒间隙,滤失量相比不加超细水泥试验组减小;超量加入超细水泥导致胶体被细颗粒包裹,则无法阻止失水,滤失量反而最大。采用有限元方法进行多孔介质内渗流的数值模拟研究,探究了胶体形态、分布对泥饼内渗流影响,发现分散块状和大、小孔隙状抗滤失性极差,完整膜状抗滤失性最佳。     

砂卵石地层盾构泥浆渗透成膜细观分析及离散元模拟

为研究泥水平衡盾构在砂卵石地层成膜困难的问题,采用自制设备,开展泥浆渗透试验,观察泥浆在卵石地层中形成泥膜的过程,对泥浆颗粒在地层中的堆积形态进了细观分析,探究泥浆渗透成膜机理。基于FLUENT-EDEM耦合方法,建立泥浆渗透数值模型,结果表明：泥膜的三种渗透状态取决于泥浆地层颗粒比;相同条件下泥浆的渗透深度随泥浆密度增大而减小,随着泥浆压力的增大而增大,但泥浆压力的影响较小。数值模拟结果可反映室内试验现象,结论可为盾构施工参数的选取提供参考。     

烧料礓石-遗址土注浆浆液工作性能

为揭示烧料礓石-遗址土裂隙注浆浆液的工作性能,分析不同水固比、浆液配比、浆液组成(烧料礓石-粉磨遗址土(CGN-G)、烧料礓石-天然松散遗址土(CGN-N))对浆液流变性能、流动性以及泌水稳定性的影响.结果表明, CGN-G、CGN-N浆液的稠度系数随水固比、浆液配比的减小而增大,流动度、泌水率均与之相反;相比CGN-N浆液, CGN-G浆液的流变指数、流动度、泌水率平均降低3.28%、 7.50%、 83.62%,稠度系数平均增大3.28%;扫描电镜和颗粒分析试验揭示颗粒微观形貌、比表面积、颗粒堆积状态是影响烧料礓石-遗址土裂隙注浆浆液流变性能、流动性以及泌水稳定性的重要因素.证明CGN-G浆液具备更为均衡的工作性能,适宜作为土遗址裂隙注浆材料.     

泥页岩地层钻进封堵抑制型钻井液体系的研究

针对泥页岩地层钻进过程中的吸水膨胀引起的孔壁稳定问题,提出了采用超细惰性材料封堵泥页岩微细孔喉、降低渗透率,从而减缓水分侵入的思路。通过实验研究与微观分析相结合的方法开展了含超细惰性材料的封堵抑制型钻井液体系的研制。首先,结合常规实验与电子扫描电镜实验,探讨了超细惰性材料对基浆及聚合物钻井液体系流变性能及失水性能的影响,从微观角度分析了含超细惰性材料钻井液体系泥皮的微观形貌特征。在此基础上,通过不同配方钻井液体系的浸泡实验,研究了超细惰性材料对泥页岩吸水膨胀的封堵抑制性能。研究成果对于保障泥页岩地层的快速钻进具有重要意义,同时,在解决类似吸水膨胀地层的快速钻进方面也具有一定参考价值。     

黏土固化浆液充填富水岩溶的抗渗性能研究

为了研究黏土固化浆液充填富水岩溶的抗渗性能,开发了一套室内富水岩溶浆液结石体渗透系数测试装置.通过室内试验,模拟了不同注浆参数和地层排水速度下黏土固化浆液充填富水岩溶的注浆过程,得到了浆液结石体的完整试样,测得了岩溶水养护下试样的渗透系数.试验结果表明:黏土固化浆液具有良好的加固防渗性能,岩溶水养护下28d渗透系数可达1×10-6 cm/s,完全满足富水岩溶充填注浆防渗设计要求;各因素对结石体渗透系数影响程度依次为注浆压力、浆液水固比、地层排水速度,且结石体渗透系数与浆液水固比、地层排水速度呈正相关关系,与注浆压力呈负相关关系.对于实际注浆工程,在地层排水速度一定的情况下,可通过调节注浆压力、优化浆液水固比等方式,来获得较优的结石体抗渗性能.通过电子显微镜扫描进行微观分析可知:微观结构上的差异与宏观结石体渗透系数的变化规律一致,随着注浆压力的增大,颗粒间间距逐渐减小,结石体电镜结构形态依次表现为松散絮状、松散片状、较密实团状及密实板状,结石体密实度进一步提高.     

考虑自重的盾构壁后注浆浆液驱替渗透扩散

针对砂砾石地层中盾构壁后注浆施工过程,考虑浆液扩散过程的自重作用及浆液驱替效应,分析不同位置注浆孔浆液的渗透扩散特征.首先分析了重力作用下宾汉姆浆液渗透扩散运动方程,根据浆液球形扩散的连续性方程,建立浆液驱替渗透扩散模型,并给出顶部和底部注浆孔浆液扩散的解析解.计算结果表明:当考虑浆液驱替效应时,重力作用对浆液扩散距离的影响更加显著.基于浆液驱替效应的渗透扩散模型表明:在高渗透性地层中,当采用低压注浆时,随着注浆时间的增加,浆液所受重力对浆液渗透扩散过程的影响显著.     

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.     

油田注水诱发应力场演化及地层活动机制研究

基于多孔介质理论建立注水诱发应力场变化定量评价的力学模型,利用有限元方法对耦合模型进行求解,分析注水过程中超孔隙压力与应力场演化规律,揭示注水诱发地层活动的力学机制。计算结果表明:注水形成的超孔隙压力控制局部应力场分布,一方面导致垂向、水平有效应力减小,Mohr应力圆左移,地层活动趋势增加;另一方面削弱注水层段水平地应力的作用效果,导致主应力差值减小、Mohr应力圆直径缩小,易于地层稳定。注水诱发地层活动与岩层渗透性能、吸水软化与构造应力环境等组合因素密切相关。     

基于SEM的长螺旋压灌桩水泥浆液渗透规律

为研究长螺旋压灌桩湿作业下水泥浆液的渗透特性,以某桩-粉质黏土过渡带为研究对象,采用扫描电子显微镜技术对地下水位以下粉质黏土层中的水泥浆液渗透区孔隙结构进行定性和定量分析,借助Image-Pro Plus (IPP)及地理信息系统(GIS)软件分析水泥浆液渗透区域的平均渗透距离、孔隙率、孔隙定向性及孔隙分形维数随深度增大的变化规律.结果表明:随着渗透区深度增加,水泥浆液渗入桩侧土体的平均距离增大,水泥水化产物对孔隙的充填作用增强,纤维状水化产物逐渐发育,胶结形成的空间网状结构范围增大;并且随着渗透区深度增加,桩侧土体孔隙率减小,小孔隙数量增加,大孔隙面积减小,孔隙定向性减弱,微观结构更加复杂.     

越江泥水盾构隧道泥浆改性及泥膜渗透性状试验研究

为指导越江泥水盾构隧道施工过程中的泥浆性质动态调节，以羧甲基纤维素钠(CMC)和粉细砂为主要调控材料，对不同配比泥浆进行密度、黏度、胶体率测试，并基于API滤失试验研究各配比泥浆的滤失性状及泥膜的渗透特性.结果表明：钠基膨润土-粉细砂-CMC泥浆体系具有良好的分散性，泥浆胶体率普遍在98%以上；对于生成泥皮+渗透带型的砂砾地层，虽然通过掺加粉细砂可有效堵塞地层，减小滤失量，但其形成的泥膜渗透系数和滤失量则相对较大；对于需要快速在开挖面形成泥皮型泥膜的地层，增加CMC的掺量可以有效减小泥膜形成时的滤失量，降低泥膜渗透系数；但CMC掺量过大后所成泥膜孔隙比增大，结构疏松，渗透系数反而呈增长趋势.施工过程中可结合实际需求对泥浆性质进行动态调整，以保障泥水盾构掘进和开舱安全.     

盾构穿越软硬复合地层开挖面稳定性分析

盾构穿越复合地层尤其是上软下硬地层时, 开挖面失稳形式多样、受力机理复杂, 由于开挖面失稳而导致的工程灾害时有发生. 依托佛莞城际铁路隧道工程, 构建三维有限元数值模型并引入参数地层复合比对部分楔形体理论进行改进, 分析盾构穿越上软下硬地层时不同地层复合比和软土内摩擦角对开挖面稳定性的影响. 研究结果表明: 盾构开挖面最大变形出现在软土区域中某个特定位置, 与软土比例有关;开挖面位移随着支护压力的减小可分为缓慢增长、急剧增大、失稳破坏三个阶段, 当支护压力比接近极限支护压力比时, 开挖面变形将急剧增大;改进的部分楔形体模型理论解与数值模拟结果相吻合, 该理论具有一定的合理性. 研究成果可为类似地层隧道盾构施工提供一定的理论指导.     

泥水盾构施工废弃泥浆对同步注浆材料性能的影响

泥水盾构施工会产生大量废弃泥浆,传统的抛弃堆放不但污染环境且占用土地资源。依托南京长江新济洲供水廊道项目泥水盾构工程,针对江底盾构施工中的废弃泥浆,开展了将其应用于同步注浆材料的可行性研究。通过室内试验,研究了泥浆固水比、膨润土替代率和废弃泥浆黏粒含量对注浆材料性能的影响,同时对比分析了新配制膨润土泥浆和废弃泥浆对注浆材料性能影响的差异。结果表明：增大泥浆固水比,可使砂浆凝结时间缩短、强度增大、泌水率和体积收缩率降低,但会导致砂浆流动性变差。相比于新配制膨润土泥浆,废弃泥浆制备的砂浆具有更优的流动性能,但存在泌水率偏大和强度偏低的问题。采用废弃泥浆替代部分新配制膨润土泥浆,则能够有效控制砂浆的泌水率增大和强度降低的问题,同时使砂浆的流动性能大幅提高;废弃泥浆黏粒含量对砂浆性能影响相对较小,一定程度上表明了使用不同地层废弃泥浆制备的砂浆性能差异不大,故无须随地层变化而对砂浆配比进行较大调整,便于实际工程施工应用。     

粉质黏土替代膨润土改性泥浆配比试验

为解决土压平衡盾构及车站基坑开挖过程中产生大量废弃粉质黏土的现状,提出一种利用废弃粉质黏土调制泥浆改良盾构渣土的新方案。以沈阳地区粉质黏土为研究对象,通过添加不同的外加剂对粉质黏土泥浆进行改性,研究泥浆土水比、外加剂种类及掺量变化对改性泥浆的漏斗黏度、酸碱度、滤失量和胶体率的影响。通过扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)研究了粉质黏土泥浆的微观改性机理。结果表明：纯粉质黏土泥浆自身稳定性差、泌水量大,无法有效改良渣土;碳酸钠和焦磷酸钠对粉质黏土泥浆的改性效果较好,合理掺入量为1%～3%;改性后的粉质黏土泥浆可有效改良砾砂地层渣土的塑流性,合理粉质黏土泥浆土水比为9∶11、焦磷酸钠掺量为3%,注入比为24%～28%。研究结果验证了粉质黏土泥浆用作盾构渣土改良剂的可行性,为废弃粉质黏土再利用提供了新思路。     

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。     

复合地层土压平衡盾构刀盘掘进参数

土压平衡盾构在复合地层中掘进时常出现推力和扭矩波动幅度过大的问题,为了研究盾构机在复合地层中刀盘受力特点,基于扩展模型建立了不同类型全刀盘掘土数值模型,研究了全刀盘Mises应力以及推力和扭矩的变化规律,验证了数值计算结果的合理性。基于室内土压平衡盾构掘进试验,研究了盾构机掘进参数在不同地层中的变化规律。研究结果表明,随着刀盘推进深度增加,各类刀盘Mises应力最大值呈增加的趋势。各类地层全刀盘掘进模型的推力及扭矩计算误差均未超过10%,利用扩展Drucker-Prager模型所建立的全刀盘掘进模型是合理的。土压平衡盾构掘进模型试验表明,随着中风化泥质粉砂岩地层占比逐渐增大,盾构机推力有增大的趋势;盾构刀盘扭矩先增大后减小,最后趋于稳定;出土器扭矩变化不明显。整个推进过程中盾构机推力变化范围为6.0～7.7 kN,扭矩变化范围为773.4～1 195.8 N·m,出土器扭矩变化范围为32.5～104 N·m。     

泥水盾构泥浆在砂土地层中的渗透特性及对地层强度的影响

对于泥水盾构隧道施工,在有压泥浆渗透到地层的情况下,开挖面表面会形成渗透系数极小的泥膜.通过作用在不透水的泥膜上的泥浆压力来平衡掌子面前方的土水压力,以保证开挖面的稳定.以南京纬三路过江通道工程为背景,选择粒径及级配不同的3种地层,进行室内有压泥浆渗透地层模型试验,探讨有压泥浆在不同地层中的渗透特性及泥浆渗透对地层强度的影响规律.研究发现,对于砂土地层,其渗透系数是影响泥浆渗透深度及泥膜质量的重要因素,渗透系数分别与泥浆渗透深度及滤水量呈线性相关关系,而渗透到地层中的泥浆也会随着地层粒径的变化对砂土地层的剪切强度产生不同且有规律的影响.本文的研究成果可以为泥水盾构合理的泥浆支护压力提供相关参考.     

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。     

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.