加载速率对裂隙注浆体受力破坏特征影响研究

为了研究开挖速率对注浆后岩体破坏机制的影响,利用岩石刚性试验机和声发射设备对砂岩裂隙注浆体开展加载与监测试验,研究不同加载速率与不同裂隙倾角影响下注浆体的力学特性及声发射时空演化特征。结果表明:随加载速率增加,相同裂隙倾角注浆体试件峰值强度逐渐上升,且注浆体试件的峰值强度低于完整试件;在裂隙倾角为15°~45°时,注浆体试件峰值强度主要受加载速率影响增加而增大;裂隙倾角为60°时,峰值强度主要受裂隙倾角影响随加载速率增加变化规律与之相反;注浆体变形模量与峰值强度变化特征基本一致,弹性模量总体呈下降趋势,且裂隙倾角对注浆体试件弹性模量影响程度大于加载速率;以裂隙倾角45°为例,分析了声发射振铃计数与加载曲线对应关系可以发现,应力突降对应声发射振铃数骤增,反之则不一定;加载速率大小与峰前“平静期”的产生及持续时间有着密切关系;声发射事件点主要集中在注浆固结体内部,且随着加载速率增加,事件点的个数呈逐渐减少趋势,此现象可为相应的裂隙注浆岩体工程施工提供灾害预测及理论指导。

注浆体配合比改善岩锚抗拔特性的试验研究

注浆体配合比是预应力锚固体系优化设计的关键参数之一,对岩锚抗拔特性影响显著。当前,有关注浆体方面的研究还较少涉及,国内外的相关规范对这种专用注浆体也未制订统一的行业标准。因此,在广泛调研实体工程所使用的注浆体的情况下,设计11种不同配合比的注浆体,分别测试各自的物理力学性能,采用室内抗拔试验研究注浆体配合比对岩锚极限承载能力、荷载变位特性的影响。试验结果表明:注浆体中掺入适量的砂可以提高注浆体的断裂能,增强钢绞线与注浆体黏结界面的粗糙度以及对钢绞线解扭膨胀的约束,从而显著增强岩锚的极限承载强度,而降低注浆体的水灰比对提高岩锚的极限承载强度的效率较低;普通预应力锚索常见的破坏模式是钢绞线与注浆体的滑脱黏结破坏,建议在以后的锚固工程设计以及规范的修订时对此引起足够的重视。

锚固注浆体性能试验研究

水泥基注浆体广泛地应用于锚固工程中,其物理力学特性是锚固体系优化设计的关键参数,当今所有的锚固规范仅对注浆体的水泥标号及抗压强度等级作了相应规定,有关注浆体方面的研究还较少。因此,在广泛调研实体工程所使用的注浆体的情况下,设计11种不同配合比的注浆体,分别测试各自的物理力学性能,采用室内抗拔试验研究其对锚固性能的影响。结果表明:降低注浆体的水灰比对提高岩锚的极限抗拔荷载的效率较低,而在注浆体中掺入适量的砂可以提高注浆体的抗拉强度、弹性模量及剪切模量,增强岩锚的界面黏结强度及锚固刚度,从而显著改善岩锚的锚固性能。

温度对水泥基注浆体抗压强度影响的试验研究

针对近年来不断出现的高地温注浆加固问题,在室内模拟相应工程环境,测试了不同养护温度(20、40、60和80℃)对不同水灰比和组成的水泥基注浆体抗压强度的影响。结果表明:浆体的抗压强度随水灰比增大而降低,水灰比较大时,降低幅度变缓;3 d抗压强度随温度的升高而提高,14 d和28 d抗压强度则在低于40℃时随温度升高而提高,高于40℃时随温度升高而降低;水灰比越小,有助于浆体强度发展的温度阈值越低;20℃和40℃养护时,浆体的抗压强度随龄期延长而提高,而养护温度为80℃时,抗压强度随龄期延长呈降低趋势。对于水灰比为1.0的浆体,在20℃和40℃养护时,掺入6%和9%的膨润土可以提高其抗压强度,而在80℃养护时,反而降低其抗压强度。

注浆体物理力学性能试验研究

水泥基注浆体被广泛地应用于锚固体系中,其物理力学特性是锚固体系优化设计的关键参数,而当今所有的预锚规范仅对注浆体的水泥标号及抗压强度作了相应规定,这显然是不够的,因此,对水泥注浆体的力学特性进行研究显得很有必要。通过对不同配比注浆体物理力学性能的测试,采用岩锚抗拔试验研究其对锚固力的影响。结果表明:在水灰比相同的情况下,增加砂率可以提高注浆体的抗拉强度,并提高内锚固段两个界面的粘结力,从而整体增强锚索的锚固能力。

基于CT扫描单轴压缩下注浆体试块裂隙动态演化过程试验研究

为了研究注浆体在荷载作用下裂隙动态演化过程,以级配砂砾注浆试块为研究对象,利用CT扫描系统对其单轴压缩破坏过程进行阶段性扫描。通过图像重构技术实现注浆体试块内部裂隙结构空间可视化,定量表征裂隙数目和体积等结构特征参数;采用Python编程对CT切片的灰度值和分形维数进行计算,分析试块不同阶段的细观损伤程度。结果表明:整个压缩阶段,注浆体试块内部裂隙体积呈现缓慢上升-缓慢下降-缓慢上升-急速上升趋势,裂隙数目呈现先增大后减小的趋势;裂隙扩展遇到砂砾时,多为绕砾扩展,少数情况出现穿砾扩展,裂隙分叉扩展多发生在水泥基体与砂砾的界面处;按试块内部裂隙演化过程可将破坏分为4个阶段:初始缺陷扩张阶段、压密阶段、裂隙加速扩展阶段和裂隙贯通阶段;试块同一阶段同层切片的损伤变量与分形维数在数值上呈现一定的正相关性,与其裂隙体积演化趋势相似。研究成果可为深入研究注浆体失效过程及裂隙演化规律提供参考依据。

钻屑回注浆体调控及流变性研究

通过室内实验考察钻屑对回注浆体密度、流变参数和滤失性能的影响规律,提出浆体配制方法,总结了国外钻屑回注技术浆体性能调控基本要求。实验结果表明,钻屑含量会显著影响浆体密度、表观黏度、流性指数、API滤失量等性能,配制回注浆体需调节钻屑含量满足回注要求。利用实验筛选的淡水回注浆体配方进行配浆,计算了回注浆体在各流变模式下的流变方程,比较相关系数R得出赫-巴(H-B)模式最优。

钻屑回注浆体性能调控实验研究

在对国外现场应用数据进行调研的基础上,确定了钻屑回注浆体性能参数调控范围;通过室内实验,分析了钻屑加量对回注浆体性能的影响,并优选出了回注浆体合理配方。

纳米SiO_2改性水泥土钉注浆体性能的研究

采用亲水性的纳米SiO_2粉体与P·Ⅰ42.5水泥制备了纳米SiO_2改性水泥土钉注浆体.测定了不同纳米SiO_2掺量下浆体的泌水层高度、扩散度和强度;采用X射线衍射(XRD)分析、热重-差热(TG-DTA)分析方法研究了不同龄期下纳米SiO_2改性水泥土钉注浆体的微观结构与组成.结果表明:随着纳米SiO_2掺量的增加,浆体的扩散度下降,而泌水层高度逐渐减小;掺入纳米SiO_2可以提高浆体的抗压强度和抗折强度,尤其是后期抗压强度和抗折强度.纳米SiO_2的最佳掺量为1.0%~2.0%(质量分数).与纯水泥浆体相比,纳米SiO_2改性水泥土钉注浆体中Ca(OH)_2含量较少而C-S-H凝胶含量较多.

应变速率对注浆体力学特性影响规律

为研究微震荷载作用下注浆加固体力学特性,以裂隙倾角30°、宽度4 mm的红砂岩裂隙注浆体为研究对象,借助岩石三轴伺服压力机进行变应变速率(10^-5~5×10^-3 s^-1)单轴压缩试验;然后从能量耗散、裂纹扩展及破坏形态等3个方面,分析变应变速率对注浆体力学特性的影响规律及机理.研究表明:随着应变速率的增加,注浆体的峰值强度、弹性模量均随之而增大;且峰值强度与应变速率呈指数函数关系变化;注浆体受应变速率影响的响应分为敏感应变速率阶段和滞缓应变速率阶段,主要差异在于峰值强度变化率和弹性模量变化率;随着应变速率的增大,注浆体的总能量在增大;压密阶段是影响不同应变速率下注浆体力学特性的主要阶段;敏感应变速率阶段和滞缓应变率阶段中的压密阶段主要区别在于积散比大小,积散比进一步决定产生裂纹的多少和分布区域与规律;耗散能密度对注浆体破坏脱落面积以及粒径分布影响较大,耗散能密度越大,碎块越以大块为主(粒径大的比率逐渐增加),滞缓应变率阶段耗散能密度较敏感应变率阶段大,其破碎块体较敏感应变率阶段大.研究在裂隙注浆加固体的变应变速率影响下力学特性,从能理原理、分形理论角度得到了其影响机理.

纳米SiO_2复合水泥土钉注浆体的研究

采用亲水型纳米二氧化硅粉体、P·I 42.5水泥制备了纳米SiO2颗粒分散均匀的纳米复合水泥土钉注浆体,对纳米SiO2掺量不同的纳米复合水泥浆体进行了X射线衍射分析（XRD）和抗压强度测定,结果表明掺入纳米SiO2可以提高水泥浆体的抗压强度,尤其是后期抗压强度,纳米SiO2的最佳掺量范围为1.0%-2.0%。与纯水泥浆体相比,纳米复合水泥浆体的组成不变,但Ca（OH）2含量相对较少。室外模拟注浆土钉试验则显示掺有2.0%纳米SiO2的纳米复合水泥土钉28龄期的抗拔力明显高于纯水泥土钉。

基于分维数的三维单裂隙注浆体流动数值模拟研究

为了研究单裂隙中注浆体扩散的速度特征,结合裂隙岩体的分维数特性,构建与真实裂隙一致的三维单裂隙模型。通过不同的分维数构建不同形态的单裂隙模型。运用COMSOL Multiphysics模拟不同水灰比的注浆体在单裂隙中的流动速度特征。结果表明:扬程一定时,单裂隙的三维形态和注浆体的水灰比是影响浆体流动速度的重要因素。当分维数一定时,注浆体的水灰比越大,其扩散的流动速度越大,呈非线性增加。随着扩散距离的增加,其流动速度呈非线性降低,且下降速率逐渐减小。当扩散到一定距离后,流动速度趋于一个稳定值。水灰比越大,其流动速度的下降速率相对较小。随着分维数的增加,三维单裂隙模型的裂隙面越平整,其浆体流动速度越大。

基于CT扫描受压注浆体试块三维孔裂隙结构参数表征

目的为研究注浆体试块单轴压缩过程中孔裂隙结构演化特征,方法以级配砂砾注浆体试块为研究对象,对其单轴压缩过程分阶段进行工业CT扫描,并采用AVIZO对CT切片进行分析,重构孔裂隙结构三维模型,定量表征孔裂隙与孔喉特征参数。结果结果表明:单轴压缩下,试块依次经历孔裂隙萌生、发育、扩展与贯通阶段,孔裂隙演化特征比较明显,萌生阶段孔隙数增幅为14.41%,无明显贯通;发育阶段孔隙数增加326.91%,伴有一定数目孔隙贯通;扩展阶段孔隙数减少了57.79%,孔隙等效直径最大值增幅为223.45%,大部分孔隙贯通为裂隙;贯通阶段孔裂隙数目几乎不变,孔隙等效直径最大值增幅为92.83%,裂隙贯通后形成多个破裂面。峰值后试块出现连通孔隙,该阶段注浆体孔隙与喉道发育完全,试块破坏。结论研究结果可为后续破碎岩石注浆工程实践提供参考。

钢渣基胶凝剂改性注浆体的力学特性与细观损伤机理研究

为研究不同钢渣基胶凝剂掺量条件下注浆体的破坏特征及细观机理,对试件开展单轴压缩试验,并通过PFC2D软件进行注浆体的二维离散元模拟,分析了破坏后注浆体力学行为的细观机理。结果表明:随着钢渣基胶凝剂掺量的增加,注浆体试件的无侧限抗压强度与弹性模量呈现指数型上升规律,破坏应变呈抛物线函数的变化趋势;由离散元模拟得到的注浆体力学参数及应力-应变关系与实测结果较为吻合;随着钢渣基胶凝剂掺量的增加,注浆体的破坏形式逐渐由压碎型破坏向剪切型破坏模式过渡;由离散元模拟得到的颗粒位移矢量场准确地反映了注浆体在单轴压缩荷载作用下的细观损伤特征与破坏模式。

破碎围岩注浆体空隙特征和力学性能研究

为了明确破碎围岩注浆体的空隙特征和力学性能,采用自主研发的破碎岩体注浆加固效果评价测试仪,研究不同粒径和不同水灰比对破碎围岩注浆体空隙特征和力学性能的影响.结果表明:随着颗粒粒径的增加,破碎围岩空隙分布率呈现先增大后减小的趋势;破碎围岩注浆体单轴抗压强度随着粒径的增加呈现先减小后增加的趋势,随着水灰比的增加呈现先增加后减小的趋势;破碎围岩注浆体破坏形式以沿纵向裂纹的劈裂破坏为主.基于实验结果,提出工程建议,并进行现场破碎围岩支护方案的设计与应用,监测结果表明巷道破碎围岩得到了有效控制.

锚杆与注浆体的粘结强度对锚固效果的影响

在工程支护中,杆体与注浆体的粘结强度对于锚固效果有着重大的影响。为此,针对粘结长度,注浆体强度,锚杆表面形状等影响因素,进行了拉拔试验研究。试验结果表明,杆体与注浆体的粘结强度随着粘结长度的增加而增大;相比光圆杆体,螺纹杆体能有效地提高锚固效果;此外,采用较低水灰比的水泥砂浆也可以提高锚固效果。

注浆体力学特性的试验研究

为了研究注浆体的力学特性,利用RMT-150B岩石力学试验机,对其进行了三轴压缩试验。试验结果表明:不同矿物颗粒粒径的注浆体的强度不同,随着围压的增加,粒径对注浆体的强度影响变小。利用RLW-500岩石流变试验机对注浆体试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验,对注浆体的流变特性进行了初探。

富水砂卵石地层动水注浆模型试验

在富水砂卵石地层注浆治理中,由于浆液扩散规律不明导致突涌水及坍塌事故频发。注浆模型试验是研究浆液扩散规律的有效手段。以北京地区富水砂卵石地层为研究对象,自主设计了动水注浆模型试验,基于均匀设计法研究了水泥浆在注浆压力、水流速度、水灰比和地层渗透系数共同影响下的浆液空间分布形态及扩散规律。结果表明:浆液在富水砂卵石地层中呈椭球状、球状或柱状形态渗透扩散;多元线性回归分析发现,注浆压力、地层渗透系数、水流速度、水灰比与浆液扩散距离是幂指数函数关系;单因素分析发现,地下水阻碍了浆液逆水流向和垂直水流向的扩散距离。在此基础上,提出了注浆孔布置的建议。

注浆帷幕体渗透特性的试验研究

为了研究注浆堵水帷幕的稳定性,利用MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统对注浆帷幕体的渗透特性进行了试验,获得了注浆帷幕体受压破坏全过程的渗透特性。结果表明,随着压力增加,渗透系数逐渐增大,在应变达到某临界值后,渗透系数开始急剧增大,此时裂隙产生。另外,裂隙和注浆结石对渗透系数有明显的影响。

灰岩注浆帷幕体渗透特性的试验研究

为了研究注浆堵水帷幕的稳定性,对灰岩注浆帷幕体的渗透特性进行了试验研究,获得了灰岩注浆帷幕体受压破坏全过程的渗透规律。结果表明:应变-渗透系数曲线峰值滞后于应变-应力曲线峰值,说明岩石破裂先于透水发生,是透水发生的直接原因。试样的渗透破裂过程一般由稳定渗透、加速渗透和渗透破坏三个阶段组成,裂隙和注浆结石对渗透系数有明显的影响,轴向贯通的大裂隙或大结石对渗透系数影响最大。