渗滤效应下砂土注浆加固机理试验研究

渗滤效应是砂土等多孔介质注浆过程中的普遍现象,渗滤效应对浆液流速、浓度及扩散距离均有显著影响.基于Darcy渗流定律、质量守恒方程及线性滤过定律,对渗透注浆中水泥颗粒的运移方程、浆液锋面速度及压力进行推导,分析了多孔介质渗滤效应的基本机理.采用矿渣、超细水泥进行了砂土注浆试验,发现水灰比、孔隙比及注浆压力等因素对渗滤效...     

孔隙介质水泥浆液渗透注浆有效扩散距离试验研究

为分析渗滤效应对注浆效果的影响机制以及有效扩散距离的计算,首先研制"一维渗透有机玻璃分段拼接式注浆管系统"。然后以碎砾石和水泥浆液为例,考虑孔隙率、水灰比、注浆压力和注浆时间这4个主要影响因素进行正交试验设计,研究不同水灰比浆液在不同孔隙率、注浆压力和注浆时间下的扩散规律。分别得到不同试验组合的真实扩散距离和有效扩散距离,以及有效扩散距离与这4个因素之间的函数关系式,并与既有理论计算模型进行对比。最后简要分析渗滤效应的影响机制,并对既有理论模型进行探讨。研究结果表明:渗滤效应具有明显的时空效应,它与渗流时间、扩散距离有关。注浆口附近一定距离内的渗滤效应更为明显,对浆液渗透起着关键性作用,特别是决定难以注入时间。有效扩散距离与4个影响因素的函数关系符合幂函数数学模型,基于试验的有效扩散距离计算结果相对比较合理,可为多孔岩土体或人工填筑层介质注浆工程的科学设计和施工提供依据。     

盾构壁后注浆宾汉姆浆液驱替渗透扩散模型

以宾汉姆流型浆液为研究对象,基于浆液对地下水的驱替效应,运用广义达西定律及渗流力学相关理论,推导了壁后注浆球形驱替渗透扩散模型.通过算例分析了考虑浆液驱替效应时浆液的渗流扩散特征,并针对影响浆液渗透扩散的主要因素进行了分析.结果表明:考虑浆液驱替效应时,扩散锋面浆液压力随着扩散距离的增加沿下凹形曲线递减,虽然锋面浆液压力变化量较小,但对浆液的扩散半径影响较大,注浆1 h时浆液扩散距离减小约23%.     

基于黏度时变性的多孔介质注浆扩散规律分析

为了探究动水环境下黏度时变性幂律型浆液在砂砾石中的扩散规律,以幂律型水泥浆液为研究对象,开展幂律型浆液的黏度时变性试验,得到浆液的黏度时变性方程,依托计算机编程语言生成粒径在0.1～4.0cm范围内的圆形颗粒来模拟砂砾石颗粒,并在数值模型中自定义浆液黏度时变性本构方程,使用COMSOL数值模拟软件中的层流两相流水平集接口,实现动水环境下黏度时变性幂律型浆液在多孔介质中的数值模拟。结果表明,幂律型浆液的黏度与时间呈指数关系,水灰比与浆液黏度增长幅度呈反比;浆液在扩散的过程中,浆液黏度变化曲线与扩散距离呈“n”形分布,浆液黏度变化过程可分为平稳区域与下降区域;其扩散形态从圆形逐渐过渡到椭圆形直至“U”形;相同条件下,浆液的扩散距离与时间呈正相关,并且随着水灰比的增加而增加,随着多孔介质孔隙率的减小而减小,同一水灰比下考虑与未考虑浆液黏度时变性扩散面积的差值与时间呈正比,同一时刻下考虑与未考虑浆液黏度时变性扩散面积的差值随水灰比的增加呈减小的趋势。因此,在工程实践中不可忽略浆液黏度时变性与孔隙率对浆液扩散规律的影响,研究结果对于实际注浆工程具有一定参考与借鉴的意义。     

(1.中国矿业大学 电力学院,江苏 徐州221116;2.中国矿业大学 化工学院,江苏 徐州221116)

为研究流体在石墨多孔介质中的流动规律,通过水的单相饱和渗流实验,揭示了水在不同孔隙率的石墨多孔介质中的非Darcy渗流规律.实验结果表明:流动偏离达西定律,呈现非线性,可以用一元二次方程的形式拟合,而且精度较高,相关系数达0.99以上;流体在渗流过程中存在最小启动压力梯度,其大小随孔隙率的增加而急剧减小,按其大小随孔隙率的变化将石墨多孔介质分为3类:"易渗类"孔隙率约>18%,"难渗类"孔隙率约<11%,"过渡类"孔隙率在两者之间;水在石墨渗流过程中雷诺数的计算结果也表明流动为非Darcy渗流,与实验现象相一致.     

泥砂介质注浆渗流通道形成力学机理分析

为研究在泥砂介质中的注浆渗流通道形成机理,设计了注浆实验系统;并由实验结果可知化学浆液在泥沙介质中渗流的主要形式为柱形渗流和面形渗流两种;在格里菲斯判据的基础上,推导了浆液形成渗流通道所需要的最小注浆压力p min;在渗流力学的基础上分析了浆液在介质中渗流的的压力损失,得知浆液在渗流通道不同位置处的注浆压力p1;当p1p min时,浆液将劈裂被注介质形成新的渗流通道;当p1p min时,浆液将停止劈裂被注介质,该通道封闭。     

电场作用下多孔介质中单相流体的渗流速度

研究了外电场对多孔介质中单相流体渗流速度的影响。根据渗流力学和电渗理论,推导了外电场作用下多孔介质中单相流体渗流方程,建立了有限元数值模型,采用有限元方法进行了数值模拟。计算结果与实验结果拟合很好,二者之间的相对误差在5%左右。在此基础上探讨了外电场对多孔介质中单相流体渗流速度的影响,结果表明:在压力保持不变情况下电场可以将流体渗流速度增大1~7.5倍;相同电位梯度情况下,压力梯度越大,渗流速度之比越小。     

不同土体中水泥-水玻璃浆液的扩散规律

为研究不同土体中水泥-水玻璃浆液扩散规律,基于浆液劈裂土体形成的裂缝形状和宾汉流体在平板裂缝中的流变方程,推导出不同土体中水泥-水玻璃浆液黏度、流量、注浆压力差、浆液扩散距离的计算公式,计算分析不同土体中水泥-水玻璃浆液的黏度、注浆压力以及裂隙高度对浆液扩散距离的影响。研究结果表明:浆液扩散距离随浆液黏度的增大呈非线性减小,随注浆压力的增大呈非线性增大,裂隙高度增大使浆液扩散距离迅速增大;通过注浆后工程现场取芯试验对计算结果进行分析,验证了不同土体中浆液扩散距离和劈裂缝高度的关系。     

基于格子Boltzmann方法的动水压力下透水沥青路面渗流特性研究

为预防和解决透水沥青路面在动水压力下渗流堵塞等“水损害“问题,研究细观尺度下水在沥青路面中的渗流特性及相关机理已成为关键科学问题。本文参考试验级配方案,应用蒙特卡罗方法,建立开级配抗滑层OGFC-13沥青混合料的3种工况二维细观模型。基于多松弛格子Boltzmann方法,从细观层面模拟分析了集料粒径、多孔介质空隙率以及动水压力变化对透水沥青路面渗透率的影响。结果表明：空隙率、粒径越大则沥青混合料渗透率越大;当动水压力在0～1500 Pa范围时,平均流速与压强梯度严格成线性关系,达西定律适用;当动水压力在15 000～45 000 Pa范围时,Darcy定律计算得到的平均速度偏大。     

考虑Hansbo渗流的砂井地基径向固结分析

由于饱和软土中的渗流往往与Darcy定律有较大的偏差,引入Hansbo渗流方程描述这种非Darcy渗流特性,忽略井阻和涂抹效应,修正了传统砂井地基径向固结方程,并用有限差分法进行数值求解,探讨了Hansbo渗流参数的影响.计算结果表明,在Hansbo渗流模式下,砂井地基的孔压消散速度和径向固结速率都会变慢,而且地面超载越小或影响区半径越大,同一时刻的径向固结度越小于基于Darcy渗流的传统砂井地基径向固结理论值.     

基于Hansbo渗流的圆球土样Biot固结分析

为考虑渗流的非Darcy特性对固结过程的影响,引入Hansbo渗流模型对圆球土样修正Biot固结方程,并给出方程的Crank-Nicolson有限差分格式.通过和Darcy渗流模式下Biot固结方程解析解的对比,验证了本文数值计算方法的有效性.在此基础上,讨论了Hansbo渗流参数对圆球土样固结过程的影响.计算结果表明,和Darcy渗流相比,在固结初期,Hansbo渗流将增强Mandel-Cryer效应,增大孔隙水压力的峰值,并延长孔隙水压力达到峰值的时间;在固结中后期,Hansbo渗流将使圆球土样内的孔压消散明显滞后.另外,Hansbo渗流会使整个固结过程中圆球土样的固结度减小,且这种影响会随着Hansbo渗流参数的增大而更加明显,但Hansbo渗流对圆球土样边界位移的影响很小.     

深立井地面注浆浆液渗流规律数值模拟与应用

为研究深立井基岩段地面预注浆浆液渗流规律,以淮南某矿改扩建工程第二副井基岩段地面预注浆工程作为研究对象,将浆液裂隙流等效为多孔介质渗流,建立考虑注浆压力与岩石变形耦合效应的流固耦合注浆模型,运用数值模拟方法,分析裂隙基岩段地面预注浆浆液扩散半径和注浆压力与岩石渗透系数之间的关系。结果表明在其他因素保持不变的情况下,多孔注浆注入浆液量和浆液的扩散半径随注浆压力和渗透系数的增加而逐渐增加。揭示深立井裂隙基岩段地面预注浆浆液渗流规律,并成功应用于工程实践,为今后类似工程注浆参数设计与优化提供了参考。     

煤层瓦斯渗流过程中压力分布的滑脱效应

 气体在多孔介质中渗流时,不仅需克服启动压力梯度,而且受气体滑脱效应的影响。基于煤层瓦斯的渗流特性,建立考虑滑脱效应的煤层瓦斯渗流模型,并对煤层瓦斯渗流过程的压力分布进行数值模拟。计算结果表明,在一定煤层深度内,与不考虑滑脱效应时煤层瓦斯压力分布相比,考虑滑脱效应对其影响显著,且随着暴露时间增长和距煤壁距离增大,其差别更为明显。滑脱因子的变化将直接影响煤层内部气体压力的分布,随着滑脱因子的增大,气体压力减小,滑脱越明显。与不考虑滑脱效应(Darcy 解)瓦斯压力分布相比,考虑滑脱效应时煤层瓦斯压力分布曲线更接近实测数据,表明在研究煤层渗流过程中须考虑滑脱效应。     

牛顿流体在充满多孔介质圆管内的结构流特征

引入研究多孔介质流体流动的体积平均方法和体均原理,采用Darcy阻力经验公式和Forch-heimer修正,得到了多孔介质内流体流动的Brinkman-Forchheimer广义Darcy定律.提出了牛顿流体在充满多孔介质管道内的结构流概念,并通过边界层动量积分计算证实了流核的存在,获得了流核流速和流核半径的计算结果;分析了Darcy数和惯性参数对速度剖面的影响程度.     

渗流切向水流耦合作用下多孔介质水动力试验

研制专门的渗流-切向水流耦合作用实验装置,对均匀球体构成的多孔介质进行了法向渗流作用下表层孔隙水动力试验,探讨了水深和渗流强度对多孔介质孔隙内水动力的影响,试验结果表明,孔隙中动水压力与紊动强度远小于顶层球体以上的主流区;渗流强度与孔隙内水体渗出速率呈正相关关系;孔隙内紊动强度、动水压力随孔隙所在深度的增大而逐渐降低,且降低幅度逐层减小;渗流条件对相同位置孔隙的侧向动水压力的影响不显著.     

致密介质中低速渗流气体的非达西现象

气体在致密多孔介质中低速渗流时,其渗流规律在渗流曲线Q-△2p/L的低压力段和雷诺相关曲线的低雷诺数段均表现出对达西定律线性关系的偏离,存在着非达西现象.气体分子与孔隙壁的碰撞是产生该现象的物理机制,它由多孔介质的孔隙结构和气体分子的平均自由程共同决定.通过理论计算,得到了气体在致密介质中低速渗流时Q与△2p/L的关系式.     

微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响机制

采用考虑正则化过程的微尺度格子Boltzmann模型研究微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响机制。首先采用漫反射滑移边界条件,并考虑正则化过程构建适用于高努森数下多孔介质中气体流动模拟的微尺度格子Boltzmann模型,基于该模型进行二维裂缝性致密多孔介质中的气体流动模拟,研究微裂缝对致密多孔介质中气体渗流的影响,并构建二维并联孔隙模型模拟揭示微裂缝对致密多孔介质气体渗流的影响机制。结果表明:微裂缝的存在能够明显提高致密多孔介质的渗透率,且连通性裂缝的影响更明显;随着压力的升高,微裂缝提高致密介质气体渗透率的作用增强,随着压力减小,基岩与裂缝中的气体流速差别减小,基岩对多孔介质渗透率的贡献增加,当压力极大或极小时,裂缝与基岩中平均流速比趋于定值,微裂缝的影响趋于稳定;微裂缝能够提高致密多孔介质渗透率的主要原因是在压降方向上微裂缝与基岩形成了并联高渗通道。     

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.     

周期孔洞区域中渗流问题双尺度渐近形式展开式(英文)

孔洞介质在各个领域均有较大的应用.在理论物理与随机分析中,摄动理论用于分析具有孔洞介质的流体的物理行为.文章利用渐近分析的方法讨论了小周期复合材料结构中渗流问题的压力与速度的双尺度形式渐近展开式,通过该关系式得到了均匀化压力与均匀化速度两者之间的Darcy定律,讨论了该问题的简单算法.     

二维格子逾渗结构多孔介质渗透率的研究

通过对2万个不同随机结构直接求解Stokes方程,研究格子逾渗结构多孔介质中低Reynolds数流动渗透率的随机分布特性和标度律关系的结果表明,分形多孔介质渗透率与宏观上统计均匀多孔介质渗透率之间存在着本质差异.对Darcy定律适用的宏观上统计均匀多孔介质,渗透率趋于常数,与系统尺度和具体结构无关;而对分形多孔介质,渗透率依赖于系统尺度和具体结构,其统计分布呈X2分布.在逾渗的临界点附近,多孔介质中的流动渗透率和电导率具有相同的标度律关系,不同精度的计算网格之间不存在本质的差异.