考虑渗滤效应的全风化花岗岩体脉动注浆扩散规律

脉动注浆作为深厚覆盖层防渗加固处理的新工艺,尽管已得到一定应用,但脉动压力作用下相应浆液的扩散规律尚不明确。基于脉动注浆理论模型,推导了脉动注浆浆液扩散运移解析方程;采用数值模拟构造脉动周期压力变化模型,依托COMSOL多物理场耦合平台结合MATLAB,开发了考虑渗滤效应的脉动注浆扩散数值模拟程序,模拟脉动注浆的“浆-土”耦合作用过程;并通过自设计的脉动和稳压注浆模拟试验装置,对比脉动注浆与稳压注浆的浆液扩散差异;通过以上方法的相互验证,揭示了颗粒悬浮液流体在脉动压力作用下于全风化花岗岩体的扩散基本规律。研究结果表明:在全风化花岗岩体中,稳压注浆容易劈裂形成浆脉,扩散渗滤范围小,浆液扩散不可控;脉动压力控制下浆液的扩散可以形成有效的加固圈和浆泡,渗滤范围广;理论计算、室内试验、数值模拟所得浆液扩散运移距离一致,上下限误差均在合理范围之内,建立的数值模型和推导的理论公式较好地描述了脉动压力控制下浆液扩散过程和分布。研究成果可为脉动注浆防渗加固、数值模拟及工程实践提供较强的指导意义。

水泥浆液在砂层注浆中的渗滤效应分析

本文针对地下工程中的砂层灾害注浆问题,通过试验方法阐述了水泥类浆液在砂层注浆过程中的渗滤效应,证明了在部分颗粒级配砂层内渗滤效应显著,提出了基于渗滤效应的加固有效可注半径和渗透有效可注半径的概念,分析了表层渗滤和深层渗滤的作用机理,推测了四种渗滤模式,为类似工程灾害问题治理提供思路和参考。

考虑渗滤效应的砂土介质注浆扩散规律研究

在对砂土介质渗透注浆过程中,砂土骨架颗粒对水泥颗粒产生滤过作用,导致水泥颗粒发生不均匀扩散,称之为渗滤效应。采用Kozeny-Carman模型,分析了渗滤效应对砂土介质孔隙率、渗透系数及水泥浆渗流速度的影响;应用自主研发的恒压注浆装置,研究了不同颗粒级配砂样在不同注浆参数下注浆量的变化规律,然后通过多元回归获得了水泥浆扩散距离的函数关系式。试验结果表明,渗滤效应对水泥颗粒滞留封堵的影响较大,水泥颗粒质量分数是影响浆液扩散距离的主控因素。依据达西渗流定律和回归关系式分别得到了考虑渗滤效应和忽略渗滤效应时水泥浆扩散距离的理论值,并与试验值进行比对分析,结果表明,忽略渗滤效应的理论值存在较大误差。所得结论可指导注浆设计,对类似工程具有借鉴意义。

微裂隙中水泥浆液渗滤效应的可视化试验研究

在微裂隙岩体注浆过程中,水泥浆液的渗滤效应对注浆效果的影响显著。自主研制了一套微裂隙注浆可视化试验系统,该系统由注浆系统、微裂隙模型以及监测系统3个部分组成,监测系统又分为显微监测系统和压力流量监测系统。当水泥浆液进入微裂隙模型后,利用显微监测系统对裂隙入口处的渗滤效应进行实时观测。利用压力流量监测系统对注浆试验过程中的注浆压力以及累计流量进行自动记录。运用自主设计的微裂隙注浆可视化试验系统,对微裂隙中的水泥浆液渗滤过程进行试验研究。采用3种水泥浆材(超细水泥Ⅰ、超细水泥Ⅱ和普通水泥),研究在注浆压力2.0 MPa、水灰比1.0的条件下,不同水泥颗粒粒径大小在不同裂隙开度下的浆液渗滤效应。通过试验发现,当裂隙开度较小时,在裂隙入口处形成了完整的半圆拱形滤饼;随着裂隙开度的增加,在裂隙入口处形成断续分布状滤饼;当裂隙开度增加到无渗滤发生时,裂隙入口处仅残留少量水泥颗粒附着物。通过试验获得了3种水泥的最小可注入裂隙开度大小b min和最小无渗滤裂隙开度大小b crit:超细水泥Ⅰ的b min和b crit分别为80和280μm;超细水泥Ⅱ的b min和b crit分别为100和300μm;普通水泥的b min和b crit分别为140和310μm。研究结果发现水泥粒径的减小对最小可注入裂隙开度大小的影响较大,但对最小无渗滤裂隙开度大小的影响较小。结合渗滤趋势k值,发现随着水泥粒径的减小,相应的k min和k crit值会随之增加,水泥浆液更容易在裂隙入口处发生渗滤,这是因为超细水泥比表面积更大,水泥颗粒间易发生团聚。

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应均有显著影响.水灰比减小导致浆液浓度增加,水泥颗粒被滤出阻塞孔隙通道,浆液扩散终止;孔隙比减小砂土孔隙尺寸缩小,渗滤效应导致浆液扩散距离减小.而渗滤效应导致的浆液分布不均衡性,在一定程度上降低了注浆加固的效果.

基于渗滤效应的砂土注浆加固机理研究

含水砂层采用水泥注浆时不可避免产生渗滤效应,渗滤效应对浆液有效扩散范围、加固效果具有显著影响。基于渗流力学的一般原理和质量守恒,对浆液扩散速度、压力及水泥颗粒运移、滤出机制进行了分析,并采用矿渣硅酸盐水泥、聚合物超细水泥对含水砂层进行了注浆试验。理论推导和模型试验表明,浆液水灰比、注浆压力及介质孔隙率均在一定程度上决定着注浆加固效果。随水灰比和孔隙比减小,浆液浓度增加,有效扩散范围减小;注浆压力减小,浆液扩散分布不均衡,在一定程度上也降低了注浆加固的效果。研究结果对于含水砂层注浆治理具有一定的参考价值和学术意义。

基于渗滤效应的宾汉流体渗透注浆扩散机理研究

研究考虑渗滤效应的宾汉流体浆液扩散机制为渗透注浆提供理论依据。基于渗滤效应中质量平衡方程及宾汉流体浆液扩散方程,推导出基于渗滤效应的宾汉流体浆液压力梯度的物理方程。结论表明影响浆液压力梯度分布的注浆参数有:屈服应力,注浆管半径,浆液初始速度,被注介质的孔隙率及渗透系数,浆液粘度和水的粘度等;通过对比分析只考虑渗滤效用或浆液流型及同时考虑两者的压力梯度计算结果可知,当浆液压力梯度分布具有时空效应时,压力梯度的正负值可作为浆液最大扩散半径的判据,而浆液压力梯度分布只具有空间分布特点是,其不可作为浆液最大扩散半径的判据;在注浆孔附近,浆液压力梯度受渗滤效应的影响较大,而在远端几乎不受其影响。

考虑渗滤效应的渗透注浆结石体强度试验分析

在卵石层、砂层等大孔隙地层的水泥浆液注浆加固工程中,注浆结石体强度是影响注浆加固工程质量的重要因素。首先开展砂土层中水泥浆液扩散模型试验,而后对注浆结石体后进行抗压强度试验,分析水泥浆液颗粒渗滤效应对注浆加固效果的影响。结果显示,浆液水灰比W/C=0.8时的强度衰减率明显大于水灰比W/C=1.0及W/C=1.2,表明水灰比越小,注浆结石体抗压强度的衰减率越大。以上研究有助于实际注浆加固工程确定浆液水灰比及注浆速度,对保证注浆加固效果具有一定的指导意义。

基于渗滤效应的多孔介质渗透注浆扩散规律分析

渗滤效应广泛存在于多孔介质悬浊液渗流过程中,其直接影响悬浊液颗粒扩散迁移全过程。基于渗滤效应理论模型,研究水泥浆液在多孔介质中的运动规律,建立考虑渗滤效应的浆液运动方程。与已有研究对比,浆液运动方程不仅适用于恒速率注浆,也适用于恒压注浆。建立浆液一维渗滤扩散数值模型,与达西定律对比,结果表明渗滤效应对浆液扩散影响显著。分析渗滤效应对多孔介质孔隙率、浆液浓度和浆液压力的分布的影响规律,揭示渗滤效应对浆液扩散及有效加固范围的影响机制,对多孔介质的悬浊液注浆理论与实践具有借鉴意义。

考虑深层渗滤效应的水泥浆动界面特征研究

基于渗流连续性方程、Darcy定律及线性滤过定律,建立水泥浆动界面理论模型,分析深层渗滤效应下水泥浆界面的运移机制和封堵机制;应用自主研发的模型试验系统,研究浆液设计扩散距离及沉积层渗透系数的动态变化规律,并与理论值进行对比分析。结果表明,设计扩散距离取决于渗透系数设计上限和注浆参数;受深层渗滤效应的影响,沉积层渗透系数随水泥浆界面运移而动态变化。研究结论可指导注浆设计,对实际工程具有一定的应用价值。

考虑渗滤效应的水泥浆锋面扩散理论及试验研究

基于渗流连续性方程、Darcy渗流定律、质量守恒方程、线性滤过定律及压力降方程,建立了水泥浆锋面扩散理论模型,分析了渗滤效应下水泥颗粒的运移滤出机制和浆液锋面的扩散规律;应用自主研发的模型试验系统,研究了水泥浆锋面压力的动态变化规律,并与理论值进行了对比分析.结果表明,在渗滤效应作用下,沉积层渗透系数沿浆液扩散距离增大;锋面速度变化率与沉积层渗透系数呈负相关;特定扩散距离处,锋面压力降p'呈先增后减,而锋面压力p及平均单位压力降ΔP'呈先减后增趋势;锋面压力理论值与试验值偏差率仅为.10%~26%,两者吻合度较高.研究结论可指导注浆设计,对实际工程具有一定的应用价值.

考虑渗滤效应的压裂裸眼井破裂压力预测模型

准确预测破裂压力是压裂酸化顺利实施的关键,渗滤效应是影响破裂压力的重要因素,但目前压裂井的破裂压力预测模型很少考虑渗滤、注入排量以及液体黏度等影响因素。岩石作为一种渗透性的多孔介质,压裂液在注液过程中会向井筒周围岩石渗滤,产生附加应力导致井筒周围应力发生改变从而对破裂压力产生影响。基于岩石力学、弹性力学、渗流力学理论,应用最大拉应力准则,建立了考虑渗滤效应的破裂压力预测模型;并采用连续增量迭代法计算了这一动边界数学问题。通过与破裂压力实验以及经典的Hubbert等模型对比,验证了该模型的可靠性与合理性。应用该模型分析了渗滤效应对裸眼井破裂压力的影响规律。计算结果表明:随着岩石渗透率、注入排量和井眼尺寸增加,压裂液更容易向地层岩石渗滤,导致孔隙流体压力增加,破裂压力明显减小;而随着压裂液黏度和压裂液压缩性增加,压裂液不容易向岩石渗滤,此时压裂液的渗滤对破裂压力的影响不大。笔者建立的模型克服了Hubbert等模型不能考虑渗滤效应对储层破裂压力影响的缺陷,有效解释了渗滤效应降低储层破裂压力的机理。

基于渗滤效应的沙层劈裂注浆扩散规律分析及其ALE算法

渗滤效应广泛存在于沙层劈裂注浆扩散过程中,并对扩散规律有重要影响,目前尚未有合理的劈裂注浆理论对其充分考虑。针对沙层劈裂注浆中的渗滤效应,采用一维渗滤模型对其进行描述,并结合平板裂隙注浆扩散模型,推导得到劈裂注浆扩散控制方程。通过与不考虑渗滤效应的劈裂扩散模型对比,揭示渗滤效应对注浆扩散的影响机制。采用有限元瞬态移动网格ALE方法对沙层劈裂注浆扩散过程进行动态模拟,模拟结果与理论研究结果相符;开展沙层劈裂注浆扩散现场试验,试验结果表明实际劈裂浆脉长度与理论模型和数值模型计算结果相近,验证了理论模型和数值模型的合理性。

浅埋富水砂层隧道复合注浆治理技术研究

青岛地铁四号线张村站横通道为浅埋富水砂层,为了解决开挖过程中面临的涌水涌砂问题,采用多方法复合注浆加固技术进行治理。模袋桩布置于重点加固区外轮廓,模袋桩工法能起到桩体加固作用,同时可以控制注浆扩散,抑制地表抬升;分段钢管桩布置于重点加固区域内部,采用分段注入的方式,均匀扩散有利于加固效果,且能避免局部不均匀注浆造成的抬升问题;在中粗砂地层中,水泥浆液的渗滤效应是不可忽视的,注浆扩散半径按1.2m进行考虑,实践证明是合理的。浅埋富水砂层注浆结束后,配合真空降水,实现了隧道内的无水施工环境。钢管桩、模袋桩和注浆三种方法构成了复合加固技术,配合其他辅助工艺方法,有效解决了浅埋富水砂层的治理难题,对类似工程具有借鉴意义。

砂砾石地层渗透注浆扩散规律模型试验研究

为探究水泥浆液在砂砾石地层中的运移扩散规律,结合正交设计开展了9组室内渗透注浆模型试验,研究了不同注浆压力和水灰比影响下级配组成各异的砂砾石料试样中浆液的扩散特性,并在此基础上进行了多元线性回归分析,结果表明:受土骨架渗滤影响,水泥浆液在砂砾石孔隙中的扩散速度逐渐减缓,并扩散形成近似球形的结石体;注浆压力与渗透系数分别是影响渗透注浆量及浆液扩散半径的主要因素;结合试验结果拟合得到了注浆量、浆液扩散半径与渗透系数、水灰比、注浆压力之间的幂函数经验方程,分析发现浆液扩散半径随渗透系数的增大呈指数增大,增大注浆压力能有效克服水泥颗粒惯性力和吸附力的不利影响,使浆液的可注性显著提升。试验所得结论较为全面地记录了水泥浆液在砂砾石中的渗透扩散变化,可为砂砾石渗透注浆理论的进一步研究提供参考。

富水粉细砂层盾尾同步注浆浆液渗透-压密扩散机制研究

为探究富水粉细砂层中盾尾同步注浆浆液扩散规律,将浆液扩散过程中滤饼开始生成的时间作为浆液渗透扩散与压密扩散转折点,建立考虑渗滤效应的浆液渗透扩散理论公式及浆液压密扩散影响半径理论公式,并通过自主研发设计的盾尾同步注浆系统进行相似模型试验,验证理论公式合理性。结果表明:(1)在富水粉细砂层中,浆液扩散规律与常规单一扩散模式不同,呈渗透-压密两阶段;(2)滤饼的作用在于将以孔压形式存在的浆液压力转化为有效应力作用于土体骨架,滤饼开始生成后,浆液扩散模式由渗透扩散转变为压密扩散;(3)由浆液压力有效应力转化率曲线变化规律可知,注浆压力越大,滤饼开始生成时间越短,即浆液渗透扩散持续时间越短;(4)随着注浆压力增大,浆液压密扩散阶段影响半径也变大,通过试验及理论计算确定注浆压力为0.4 MPa时对地层扰动范围约为1倍隧道开挖轮廓。该研究成果可为富水粉细砂层中盾尾同步注浆施工提供理论支撑。

富水粉细砂层盾尾同步注浆滤饼生长速率研究

受富水粉细砂层渗滤效应影响,盾尾同步注浆过程中浆液会在盾尾处生成滤饼从而阻碍地下水对浆液的冲蚀。为探究富水粉细砂层盾尾同步注浆滤饼生长速率与水灰比及注浆压力之间的关系,基于圆管束理论、动量守恒定律、质量守恒定律,考虑地层渗滤效应及浆液黏度时效性影响,建立滤饼生长速率理论方程,并定义滤饼生长平均加速度ar衡量滤饼生长速率变化快慢,自主研发一维渗透柱试验装置,比较不同水灰比及注浆压力下滤饼生长速率试验值与理论值,以验证理论方程的合理性。结果表明:随着注浆时间持续进行,滤饼生长速率曲线呈先加速增长再缓慢增长趋势。水灰比一定时,注浆压力越大,滤饼生长速率及厚度越大,滤饼生长持续时间越短。注浆压力一定时,水灰比越小,滤饼生长速率及厚度越大,滤饼生长持续时间越短。工程实际中应适当增大注浆压力并减小浆液水灰比,以确保滤饼在迅速生成的同时并具有一定的厚度。通过比较滤饼生长平均加速度试验值及理论值可以推断出,以0.4 MPa的注浆压力在孔隙率为0.36的富水粉细砂层中进行盾尾同步注浆时,水灰比控制在0.8~0.85范围内可确保滤饼能够迅速生成,从而使浆液能够充分填充盾尾间隙,减小地表沉降。研究成果对富水粉细砂层盾尾注浆施工具有一定的工程意义。

多孔介质中水泥浆三维锋面特征研究

深层渗滤效应普遍存在于多孔介质的渗透注浆过程中,并起着非常重要的作用。基于质量守恒方程、线性滤过定律、渗流连续性方程及Darcy定律,建立了水泥浆三维锋面的理论模型;通过现场试验,研究了水泥浆三维锋面扩散运移及沉积层渗透系数的变化规律,并将试验值与模型理论值进行了对比分析。结果表明,沉积层渗透系数随水泥浆锋面的扩散运移动态变化;当注浆压力恒定时,水灰比越小,深层渗滤效应越显著,浆液扩散距离相应越短;相同扩散距离时,受重力效应的影响,注浆点源之上的沉积层渗透系数大于注浆点源之下的沉积层渗透系数;浆液扩散距离及固定位置处的沉积层渗透系数均与水灰比呈正相关。研究成果可指导工程设计,具有一定的实际应用价值。

炭黑填充聚丙烯导电复合材料的性能研究

研究了炭黑填充聚丙烯(PP)导电复合材料的性能以及增韧剂对其性能的影响。结果表明:PP导电复合材料具有明显的渗滤效应,当炭黑质量分数为8%时,复合材料有较好的导电性能。热塑性聚烯烃弹性体(POE)的加入,对复合材料的导电性能影响不大,其用量控制在一定范围内,可使PP导电复合材料综合性能得到较好的改善。

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。