三维注浆模型试验系统研制及应用

为研究注浆扩散规律和加固机制,研制了三维注浆模型试验系统,该系统由承载试验台、伺服稳压供水单元、注浆单元、多元信息监测单元及图像采集单元组成。该系统主要功能包括不同岩体介质中参数灵活可调的多孔注浆、多序次注浆模拟试验及被注岩体内部物理场信息实时采集,其主要优势体现在:(1)试验腔设计为组合桶式结构,密封性强,拆卸方便,利于注浆加固体细部研究;(2)多腔气动联合控制水压加载方式可提供持续稳压的地下水环境;(3)多元信息并行实时监测系统可同时采集被注岩体内不同空间位置的总压力、孔隙水压力及位移等信息,实现注浆过程中物理参量时空变化规律的研究。利用该试验系统进行黏土介质单孔注浆和多孔分序次注浆模拟试验,获得注浆压力p变化特征及土体内部力学响应规律:p-t曲线呈多个波峰-波谷旋回,表征劈裂注浆为主的加固模式;注浆荷载作用下,总压力、孔隙水压力、有效应力与注浆压力基本同步变化,注浆结束点达到峰值,其后开始衰减并逐渐趋于稳定;与单孔注浆相比,多孔、多序次注浆可显著提高土体有效应力,黏土逐渐压缩固结,力学性质改善。试验表明,黏土介质以劈裂注浆为主,不同序次浆脉间接触关系复杂,可划分为剪切劈裂、原位顺层劈裂及入侵劈裂3种基本模式;采用多孔、小注浆速率试验方法,可减小围岩扰动,增大注浆量及土体压缩固结程度,提高注浆加固效果。研究成果对揭示黏土介质注浆机制具有一定的科学价值。

考虑浆液时空效应的幂律型流体盾构壁后压密注浆模型研究

盾构壁后注浆已广泛应用于地下工程建设中,但是其注浆压力分布理论研究尚不能满足工程需要。为明确注浆填充压力大小及分布,基于流体力学、弹性理论相关原理及质量守恒定律,揭示了盾构壁后压密注浆机理,建立了考虑浆液时空效应的幂律型流体压密注浆模型,推导了相关计算公式,并得到以下结论:(1)浆液质点压力主要与初始注浆压力、管片半径、粘度增长时间、角增量、流变指数、盾尾间隙、粘性时变系数等参数有关;(2)通过分析计算考虑时空效应的幂律型流体压密注浆模型,得到浆液质点向上扩散时,浆液压力整体呈下降趋势;浆液质点向下扩散时,浆液压力整体上呈先上升后下降的趋势;(3)通过进一步分析浆液压力的分布变化规律,得到各注浆孔之间的最优夹角及浆液的最优扩散时间,同时与已有的研究成果相比较,可知本文的研究成果具有工程推广价值。

地下动水动态信息化注浆模型的建立及应用

鉴于地下岩溶富水隧道地质条件的复杂性和动水分布的不均匀性,结合重庆市轨交1号线中梁山隧道工程隔水帷幕注浆施工为例,以第6循环K25 km+619 m～K25 km+649 m段动态信息化注浆为研究对象,并根据实际地质情况,建立了动水动态信息化注浆模型以指导施工。经施工应用证明,该模型在施工中可真正实现科学、文明、快速、高效的注浆,值得今后类似工程借鉴。

单一裂隙动水注浆扩散模型

通过理论推导建立了单一裂隙动水注浆扩散模型,用计算机对单一裂隙动水注浆扩散模型进行编程和分析,试验验证该注浆扩散模型是合理的。研究结果表明,单一裂隙动水注浆在注浆前期浆液扩散面积呈圆形而在注浆后期浆液扩散面积呈椭圆形;浆液扩散半径与浆液黏度成反比,与裂隙开度和注浆压力成正比;水流流动有利于浆液沿顺水流方向扩散而抑制浆液沿逆水流方向扩散;水流流速增大或减小到一定程度时浆液扩散半径受水流流速的影响程度将逐渐减小;水流流动对逆水流方向扩散半径的影响程度大于顺水流方向扩散半径的影响程度;浆液扩散半径受水流流速影响最大,受裂隙开度影响次之,受注浆压力和浆液黏度的影响相对较小。

考虑浆液黏度时变性的单裂隙动水注浆扩散模型

通过理论推导建立了考虑浆液黏度时变性的单裂隙动水注浆扩散模型。研究结果填补了在动水条件下考虑浆液黏度时变性注浆扩散理论模型的空白,对于根据具有不同黏度时变性的浆液和不同水流流速来设计注浆工艺有一定的指导作用。

采空区岩体粗糙单裂隙中浆液扩散机理研究

以某采空区岩体粗糙裂隙为研究对象,基于有限元软件COMSOLMultiphysics构建了三维粗糙单裂隙注浆模型,分析岩体裂隙中的浆液流动规律,研究了不同的裂隙面粗糙度、开度、注浆压力、裂隙倾角及浆液黏度影响的浆液扩散机理。结果表明,裂隙面粗糙度影响浆液的扩散面轮廓,粗糙度越大,浆液扩散阻力越大,浆液扩散各向异性越强;注浆速率与开度为二次多项式关系,裂隙开度越大,注浆速率的损失越小;注浆压力对浆液扩散轮廓的影响较弱,但改变了浆液的扩散半径,且注浆压力与扩散半径为正相关、与注浆速率呈二次多项式关系,注浆压力越大,注浆速率的损耗越低;浆液黏度并不影响其扩散的各向异性,仅改变浆液扩散的范围。研究成果表明了采空区粗糙裂隙中的浆液扩散机理,为采空区注浆范围的预测及加固决策提供了理论支持。

机械开挖岩体裂隙注浆扩散模型分析

针对传统注浆扩散模型的扩散机制未考虑裂隙开度、注浆压力等因素的问题,研究分析机械开挖岩体裂隙注浆扩散模型。基于流体力学理论计算岩体裂隙的等效水力开度,在定义裂隙注浆扩散模型基本假设条件的同时,构建由流核高度、岩体裂隙界面平均流速、裂隙注浆扩散运动方程组成的机械开挖岩体裂隙注浆扩散模型,并依据该模型推导裂隙注浆扩散区内的压力时空分布方程,利用该方程分析注浆压力、时间以及扩散距离等岩体裂隙注浆扩散特征。实验结果表明:岩体裂隙注浆时,扩散半径与裂隙开度、注浆压力以及水流速度呈正相关关系,与静水压力、裂隙注浆粘度呈负相关关系;该模型基本满足实际注浆压力与时空变化规律,可估算出灌注工程设计的合理参数,提升其工作效率。

全风化花岗岩富水地层注浆治理研究与应用

研究不同水压条件下疏水降压对全风化花岗岩富水地层注浆模拟加固效果的影响,分析1 MPa水压条件下土体中浆脉分布及被注试样抗压、抗崩解特性规律,并将研究结果应用于广西岑水高速均昌隧道地下工程建设中,建立基于地层密度、含水率、颗粒级配、富水区水压等信息特征的理想疏水降压判据。研究结果表明:在不同水压条件下,随着疏水降压的增大,注浆量增多,浆脉呈现由局部细小构型过渡到复杂分支-网络构型再到单一粗大或平行构型的分布特点;土体压密区试样的抗压强度及水稳特性均随着疏水降压的增大而增高,与疏水降压呈正相关关系;当疏水降压为30%时,分支-网络型浆脉对土体起到压密和骨架支撑双重挤密作用,大幅度提高压密区试样抗压强度及水稳特性的增长速率。

隧道砂卵石围岩超前小导管注浆参数优化研究

隧道砂卵石围岩具有结构松散、级配分布不均匀,透水性强的特点,在进行注浆加固地层时,应合理确定注浆参数。以甘肃省渭武高速白鹤桥隧道为工程依托,结合砂卵石地层的特点,针对单水泥浆浆液易析水、水泥颗粒易沉降、凝结时间难控制、结石体易收缩、注浆压力及小导管间距难确定等问题,通过室内注浆材料试验、改性普通硅酸盐水泥性能试验及注浆模型试验对注浆加固参数进行优化设计,并提出相应的注浆控制标准。研究结果表明,最优注浆参数为:水灰比为1∶1;水玻璃波美度为38Be′,用量为3%;悬浮剂用量为1.4%;注浆压力取0.2 MPa;注浆小导管间距取30 cm。

千米立井动水注浆特性研究

壁后注浆是治理煤矿立井突水最行之有效的手段,而注浆的最主要对象就是壁后岩层中的裂隙,为研究岩层裂隙中浆液的扩散规律,根据牛顿摩擦阻力定律及力的平衡定律推导出裂隙动水注浆模型。分析研究了水流对浆液扩散的影响,分别得出了顺水流方向与逆水方向浆液的扩散模型,通过模型得知顺水水流有利于提高注浆效果,逆水水流对浆液扩散半径的影响程度比顺水水流大,得出不同水流方向条件下浆液的扩散半径与注浆压力之间的关系及扩散半径与注浆时间的关系。

采空区带状注浆加固机理及其数值分析

对采空区进行注浆加固处理目前已成为解决采空区上方建筑物地基稳定性问题的重要途径。文章结合注浆加固机理和条带开采理论对控制采空区残余沉降的带状注浆方法的注浆适用范围、模型、机理以及相关参数进行了较深入的研究,运用数值模拟的方法对带状注浆前后以及施加建筑荷载后的地基沉降变形、垂直应力进行了对比分析,结果表明:在合理布置注浆条带宽度、钻孔间距和注浆工艺的前提下,带状注浆可以有效地控制采空区的残余变形,从而保证上方建(构)筑物的安全使用。

注浆扩散与浆液若干基本性能研究

浆液流型、流变参数的时变性、可灌性、塑性强度和可重复注浆性是影响浆液扩散的基本性能。试验表明,各种浆液分别属于三种不同流型;水泥基浆液在注浆过程中流型不变;浆液粘度的时变性规律符合指数函数。研制了平板裂隙注浆装置进行试验,结果表明,普通水泥浆的最小可灌裂隙宽度并非 0.18 mm 或 0.2 mm。在重复注浆时,后注浆液克服先注浆液的粘聚力,在流道中间冲开新通道继续注入,而不是推动先注浆液向前整体移动。“塑性强度”概念可以推广到一般浆液,用这一指标可以预知浆液的可注期。基于以上试验研究成果,尤其是粘度时变性规律,建立了稳定性浆液注浆扩散模型。

裂隙介质注浆研究现状及展望

从注浆模型、模型试验和数值模拟三大方面介绍了裂隙介质注浆的国内外研究现状,分析了研究现状存在的不足,提出了裂隙介质注浆的研究方向。

非均质断层破碎带注浆扩散机理

断层破碎带是诱发塌方、突泥等地质灾害的重要构造因素,但针对断层治理的注浆理论与技术研究进展缓慢。依托永莲隧道F2断层突水突泥灾害注浆治理工程,分析断层破碎带介质特点并划分介质类型,进而建立注浆概念模型;分别建立3种介质注浆控制方程研究3种类型介质条件下注浆扩散规律;通过注浆试验模拟非均质断层破碎带注浆扩散过程,基于浆脉分布情况与注浆压力、介质应力变化规律,分析了注浆扩散过程规律。结果表明:由于成分与密实度的差异,断层破碎带介质可分为松散型、软弱型与密实型3种介质,3种介质中浆液分别以渗透、压密、劈裂等扩散形式为主。易压缩且结构面数量较多的介质更利于浆液的扩散;密实型介质中劈裂扩散范围与介质结构面数量呈正相关,与压缩模量、注浆速率呈负相关。非均质断层破碎带注浆扩散过程可分为优势充填与劈裂扩散两个阶段,注浆压力变化曲线由缓慢上升至陡降的突跳点,即两阶段分隔点;优势充填阶段主要发生在松散型与软弱型介质中,注浆压力上升慢,浆液集中扩散;劈裂扩散阶段注浆压力上升较快,主要发生在密实型介质中。针对松散型与软弱型介质形成的不良地质区,提出定域注浆控制技术,并在永莲隧道突水突泥灾害治理工程中应用,取得了良好的注浆治理效果。

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。

基于土体非线性压密效应的劈裂注浆机制分析

土体劈裂注浆过程伴随着劈裂通道两侧土体的压缩,而土体的压缩过程表现出明显的非线性特征。基于此,建立描述土体非线性压缩特征的应力–应变关系模型,该模型的参数可通过常规试验参数确定;将劈裂注浆扩散过程简化为平面辐射圆,考虑浆液流场与土体应力场耦合作用的影响,建立基于土体非线性压缩?-p模型的劈裂注浆扩散理论模型,推导劈裂通道宽度的空间分布方程,进而得到注浆压力、劈裂通道宽度、浆液扩散半径三者之间的关系。通过与常规土体线性压缩模型所得计算结果进行比较,说明考虑土体压缩非线性特征的必要性;开展了劈裂注浆模型试验,试验结果表明浆脉厚度由注浆孔沿扩散半径衰减,最大浆脉厚度计算值与试验测量值处于同一数量级,验证了理论的合理性。

浅埋薄基岩超前预注浆防水参数设计及工程验证

注浆法在处理各行各业工程不良地质时的应用非常广泛,注浆布孔参数设计主要依靠工程经验。为更加准确的研究注浆参数内在关系以进行优化设计,建立了包含注浆孔数量、倾角、扩散半径及注浆进尺等参数的模型,并进行了敏感性分析。最后确定斜井工作面布置注浆孔16个,孔间距1 m左右,荒断面底部宽5.4 m,布置注浆孔5个,钻孔方向相对井筒轴线外倾6°。实践结果表明,经物探、放水实验、检查孔实验及取芯等手段均发现注浆效果良好,且在巷道掘进过程中未发生过较大规模涌水,以上评价模型及参数设计能使浆液在岩石裂隙中形成完整的凝固层,大大降低岩体的渗透率并提高岩体强度,能为斜井过镇舟河段的防水提供可靠的保证。

桩侧注浆提升粉质黏土地层既有桩基承载力试验研究

针对处于粉质黏土地层的既有桩基础承载力不足问题,通过注浆模拟试验,对桩侧注浆提升既有桩基承载力的效果进行系统研究。其加固机理主要是通过注浆材料对桩周土体的挤密作用,增大桩侧-土界面的摩擦阻力,限制桩身沉降,提高桩基础的承载能力。试验结果表明:浆液水灰比、注浆压力、注浆孔布设位置与注浆量为桩基加固效果的4个主控因素。浆液水灰比和注浆压力两者综合作用,通过对浆脉形态的控制,直接影响浆液对粉质黏土地层的挤密效果。根据挤密效果的不同,将不同水灰比与注浆压力的组合分成强、中、弱3个加固设计区,其中,选用浆液水灰比0.8与注浆压力2 MPa的挤密土体在最大程度上提升了物理力学强度。桩基础承载力的提升幅度与注浆量呈正相关关系,与浆脉形成位置距桩身的距离呈反比例关系,根据浆脉形成位置距桩身的距离、注浆加固土体范围被分成了强作用区与弱作用区。桩侧注浆对侧摩阻力的提升主要产生于桩身的中下段,在实际工程中,着重对该段进行加固将大量减少对人力、物力的消耗。

FLAC^(3D)在采空区注浆加固中的应用

在采空区上方兴建建筑物前必须先进行地基稳定性评价,进而根据实际情况采取相应的处理措施。在众多不同的处理方案中,经实践证明,注浆加固处理是最直接、最有效的处理措施。结合采空区注浆加固机理及其涉及到的问题分析了FLAC3D在此领域应用的优越性,并应用FLAC3D软件对采空区注浆加固问题进行了模拟分析。

公路土质边坡注浆加固稳定性研究

为解决目前在设计中普遍采用的抗剪强度加固区域置换法计算结果偏保守的问题,总结了前人的研究成果,分析了抗剪强度加固区域置换法的计算原理,以内蒙古经乌高速K91+768-K91+798左侧风积沙路堑高边坡为研究对象,基于极限平衡法对置换法的计算准确性进行了研究。首先,根据既有边坡稳定系数计算结果确定预加固区域,由潜在滑动面得到注浆深度;其次,对不同区域加固后潜在滑动面位置进行了讨论,边坡局部预加固稳定系数偏低,需对边坡进行整体预加固,整体预加固后边坡稳定系数为1.185,未达到规范稳定安全系数不小于1.2的要求,需增大注浆设计深度;基于此分析了强度置换法出现此计算结果的原因,判断强度置换法具有一定的保守性;最后,提出了更贴合实际的注浆桩体模型法,基于Rhino和Flac3D建立实体加固土桩模型分析加固边坡的稳定性,明确了具体的分析步骤,并结合国内注浆施工技术对注浆顶面设计高程进行了讨论。计算结果显示:基于注浆桩体模型法对高边坡进行整体预加固后,边坡稳定系数较抗剪强度加固区域置换法增加了30.4%,验证了抗剪强度加固区域置换法在边坡稳定性计算上的偏保守问题,注浆桩体模型法可以更准确地模拟边坡预加固的情况,避免工程浪费;结合两种方法的计算结果进行了优缺点对比,并对2种方法的设计适用阶段提出了建议。