桩-浆联合模式下土遗址裂隙注浆加固机制

桩-浆联合修复土遗址裂隙加固效果显著,加固机制复杂尚待明晰。基于固体传热、非饱和渗透理论,结合生石灰非等温水化进程和桩-浆-土的动态变化关系,建立了该过程中水-热-力耦合的三维扩散模型并进行求解,通过现场注浆试验过程的实时监测结果与有限元模拟结果的比对以揭示其加固机制。结果一致表明:石灰桩和浆液中生石灰都在极短时间内达到较高的反应程度,60 min时反应程度分别达到87%和76%;裂隙周边夯土中各物理场均呈现出以浆液和石灰桩为中心,距离裂隙越远数值越低的分布规律;浆液和石灰桩中80%的水分和69%的水化热被有效用于加固过程;归一化处理后得到该过程中温度、水分、膨胀压力作用的有效影响范围分别为裂隙宽度的2.4倍、0.7倍和1.4倍。该研究为桩-浆联合修复土遗址裂隙新方法提供了理论支持。

砂土介质注浆渗透扩散试验与加固机制研究

设计了一套可视化砂土介质恒压注浆渗透扩散与加固模拟试验装置。选用普通硅酸盐42.5水泥(OPC)、超细硅酸盐水泥(MC)、超细硫铝水泥(MSAC)及自主研发材料(EMCG),对砂土多孔介质进行了注浆渗透扩散与加固试验。研究了细砂土体不同浆液、注浆压力工况下扩散距离、注浆量随时间变化规律,以及不同浆液、砂样级配及注浆压力对加固效果影响。采用极差分析法确定了加固效果主控因素,获得了加固体宏观破坏模式,通过SEM分析了岩-浆界面微观加固模型,揭示了不同材料加固效果差异的本质原因。研究结果表明:注浆材料与颗粒质量分数主导着细砂土体可注性,注浆压力对可注性提高程度不大,EMCG可注性最强,MC、MSAC次之,OPC最差;在完全可注情况下,砂样级配越细,加固体强度改善效果越明显;EMCG材料加固体7、28 d强度明显高于MSAC、MC、OPC加固体;EMCG的7 d加固体强度达到28 d参数70%以上;注浆材料主导着注浆加固效果,EMCG对不同级配砂土体注浆加固效果显著优于其他水泥类材料,OPC最差;注浆后EMCG浆-岩界面生成的致密C-S-H凝胶体能够有效提高胶结强度。最后从注浆材料选型、注浆过程控制、钻孔布置方面对砂土层渗透注浆设计方法提出了工程治理改进建议。

碳酸钙晶须改善固井水泥浆性能研究

随着油气勘探向深部地层和低渗透油气藏的延伸,对固井水泥浆性能尤其是水泥环的力学性能提出了更高的要求。针对目前固井用纤维所存在的问题,研究了碳酸钙晶须这一无机矿物纤维对固井水泥浆性能的改善作用。实验包括:1晶须水泥浆的流变性和失水量等常规工程性能;2晶须水泥石的1 d、3 d、7 d、14 d和28 d抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度,使用6265型机械性能测试仪,在不破坏水泥试样的情况下测试了水泥石的抗压强度和杨氏模量发展;3使用5265型静胶凝强度测试仪,测试了水泥浆的静胶凝强度发展,以评价其防气窜性能;4晶须水泥石的孔径和渗透率测试;5用扫描电镜对水泥石微观形貌进行观察,探讨了增强机理。结果表明:1晶须水泥浆工程性能良好;2碳酸钙晶须显著改善水泥石的力学性能,晶须加量为10%时,水泥石28 d抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度提高33.34%、45%和39.28%;3碳酸钙晶须水泥杨氏模量发展稳定,静胶凝强度发展迅速,防气窜性能良好;4晶须加量为10%时,孔隙度较空白试样降低23.4%,渗透率下降14.3%;5增强机理在于碳酸钙晶须的桥联、控制微裂纹产生和扩展及纤维拔出耗能作用,减缓裂纹的产生和延展。

基于气体运移规律的增压式真空预压法加固机制分析

针对天津地区高含水率的吹填淤泥,进行不同增压深度的室内增压式真空预压模型试验,结合土中气体运移规律,进行增压机制及加固效果影响因素分析。研究结果表明,采用注气增压方法可以有效加固高含水率吹填淤泥,其中排水板中下部注气增压对土体排水量、沉降量、超静孔隙水压力累积消散量以及十字板强度提升有明显促进作用。加固初期,流塑状态的土体中,注入气体易形成气泡并在浮力作用下快速上升运移,带动深部土颗粒向上运动,形成类似搅拌的扰动,使土体均匀加固;随着土体含水率逐渐降低,气体在土体内部赋存形式以具有一定气压的封闭空间为主,使得注气管与排水板之间的压力差增大;加固后期,注入气体发生断裂形式扩张,导致土体形成微劈裂裂缝,加速土中水的排出,提高了加固效果。

深部裂隙岩体硅质自应力注浆加固机制与试验

针对深部裂隙岩体水泥基注浆加固后由于材料自收缩性造成浆岩界面松弛及充填不满问题,提出了裂隙岩体自应力注浆加固概念。通过外加剂促使浆液结石体在约束空间内体积膨胀,当膨胀剂掺量超过补偿水泥自收缩的临界掺量时,结石体体积膨胀除补偿水泥基材料自收缩外,在裂隙岩体的约束空间内能够对裂隙壁产生一定的膨胀应力,膨胀应力能够增大浆岩界面的挤压作用,改善岩体的约束受力状态。通过超细硅质浆液膨胀率测试、约束浆液结石体强度试验、约束浆液结石体微观结构分析等研究自应力浆液加固机理,通过裂隙岩体注浆加固试验验证自应力浆液的加固效果。结果表明:随着膨胀剂掺量逐渐增大,浆液纵向自由膨胀率和约束浆液结石体强度均呈先增大后减小的趋势,10%膨胀剂掺量浆液膨胀效果明显优于其它膨胀剂掺量。硅质自应力浆液结石体的脆性增强,弹性变形延长。10%膨胀剂掺量硅质自应力浆液结石体呈大颗粒状,颗粒相互搭接,形成网状结构,有利于结石体强度发挥,其密实性明显优于普通浆液结石体。25%膨胀剂掺量浆液结石体晶体大小不均,颗粒空隙较大,其密实性明显弱于10%膨胀剂掺量自应力浆液结石体。自应力注浆砂岩的峰值强度和弹性模量分别为普通注浆砂岩的1.110倍和1.043倍,自应力注浆加固砂岩的峰值应变略小于普通浆液加固砂岩。自应力注浆加固裂隙砂岩的效果明显优于普通注浆,结石体形变模量增大,结石体与砂岩裂隙壁之间的摩擦力提高。

考虑砂土压密特性的劈裂注浆机理分析

砂土自身压密特性对浆液扩散形态具有显著的调控作用,“浆-土”耦合效应下的劈裂注浆机理分析需妥善考虑砂土的压密特性。通过调整黏性土含量与初始含水率,对砂土压密特性进行了试验研究。试验表明黏性土是影响砂土压缩变形的重要因素,黏性土含量低时砂土内部形成砂骨架,砂层整体抗压缩性较强;黏性土含量超过临界值后,砂土内部难以形成有效抵抗外荷载的骨架体,砂土可压缩性发生质变。基于二次函数模型对砂土非线性压密过程进行描述,模型采用砂土初始压缩模量Es0和终级荷载下的极限应变εu进行表征,可准确应用于“浆-土”耦合效应下的注浆设计计算。注浆条件相同的情形下,劈裂通道宽度随黏性土含量增加而增加,浆液扩散半径及压力随黏性土含量增加而减小。在相同注浆终压条件下,浆液劈裂扩散极限距离与黏性土含量呈正相关特性。该研究结果可为堤防、桩基等砂土场地工程建设提供科学指导。

冻融循环作用下注浆裂隙岩体微观孔隙演化规律及剪切力学行为研究

为研究冻融循环作用下注浆裂隙岩体的微观孔隙演化规律及其剪切力学响应,选用普通水泥(P型)、超细水泥(C型)及环氧树脂(H型)3种注浆固结体试样,进行冻融循环、核磁共振(NMR)及剪切试验,分析冻融循环过程中浆-岩界面层表观、微观孔隙结构变化特征及其剪切力学特性,研究宏微观多尺度注浆固结体破坏机制。结果表明:(1)随冻融循环次数增加3类试样均出现不同程度颗粒剥落、脱落及开裂现象,P型浆-岩界面层冻融劣化程度最为严重,其次为C型,H型表现最好;(2)3类试样浆-岩界面层核磁共振T;谱曲线演化趋势相近,且随冻融循环次数增加呈右移趋势,初始孔隙大小表现为P型>C型>H型,在冻融循环过程中,孔隙孔径表现出由微孔向介孔、介孔向大孔演化的特征。(3)浆-岩界面层的冻融劣化主要由内部水分在循环温度作用下的固液相变及迁移引起的,且注浆材料的不同对浆-岩界面层冻融劣化程度有较大影响。(4)3类试样整体剪切应力-应变曲线趋势接近,但剪切强度(τ;)和剪切刚度(K;)大小分别为H型试样最大,其次为C型,最小为P型,且3类试样τ;和K;均随冻融循环次数增加而降低。(5)注浆固结体的T;谱谱面积和剪切强度具有函数关系,以此为基础,得到不同冻融循环次数下基于微观孔隙演化规律的浆-岩界面层剪切破坏机制,即剪应力作用下,浆-岩界面层内部孔隙在尖端起裂并与相邻孔隙连接成微裂隙面,微裂隙面沿浆-岩界面层扩展形成宏观裂纹,最终导致注浆固结体沿浆-岩界面层的剪切破坏。研究结果为评价季冻区裂隙岩体注浆效果、提高岩体工程稳定性提供理论依据。

渗浆法钢纤维增强磷酸镁水泥基复合材料的力学性能

采用磷酸镁水泥(MPC)制备渗浆钢纤维增强材料(SIFCC),并与普通硅酸盐水泥(OPC)基体进行比较,研究钢纤维掺量对SIFCC抗压强度、抗弯强度、弯曲应力应变曲线和断裂韧性的影响,根据单根钢纤维拔出试验和断裂面微观形貌,分析MPC-SIFCC的增强机制。结果显示:MPC制备的SIFCC抗弯强度和断裂韧性提高显著,抗压强度在纤维掺量6%以上时提高明显;与同强度等级的OPC-SIFCC(28d)相比,MPC-SIFCC抗弯强度及断裂韧性提高幅度更大,钢纤维掺量10%的7 d抗弯强度可达77.4MPa。单根纤维拔出试验与微观形貌观察结果显示,与OPC相比,MPC与钢纤维有更高的黏结力。考虑MPC浆体在低水胶比下的良好流动性,可以认为MPC用于制备SIFCC具有较为明显的优势。

碳纤维增强型灌浆材料实验研究

灌浆材料中加入碳纤维,可显著改善材料固结体的力学性能。通过正交试验,求得普通水泥浆液中碳纤维的最优掺量。在此基础上,添加助剂,配制出的浆液,流动性能较好,结石体抗压强度略高,抗折强度增强。并测试浆液的基本性能,总结碳纤维对结石体的增强机理。