考虑黏度空间衰减的宾汉姆流体柱形渗透注浆机制研究

低渗透性多孔介质渗透注浆过程中存在渗滤效应,造成浆液颗粒浓度和黏度空间分布不均,严重影响注浆效果。通过一维可视化注浆试验,研究渗滤效应的发生条件及影响因素,得到考虑水灰比影响的黏度衰减率空间分布表达式,并推导出考虑黏度空间衰减的宾汉姆流体柱形渗透注浆理论公式,基于计算机编程技术,依托Comsol Multiphysics平台,二次开发得到该理论公式的二维数值模拟程序,在此基础上开展不同注浆压力和水灰比条件下的仿真分析和模型试验,对比验证该理论机制的正确性。研究结果表明,渗滤效应发生时,浆液颗粒浓度和黏度沿渗流路径明显下降,采用考虑黏度空间衰减效应的宾汉姆流体柱形渗透注浆扩散公式得到的扩散半径、渗透压力等更接近实测值。因而更好地说明渗滤效应导致的黏度空间衰减不可忽略,采用新的理论公式更能反映宾汉姆流体在低渗透性地层中发生渗滤效应时的扩散规律。该研究成果可为低渗透性地层注浆设计及施工提供一定的理论及技术支持。     

考虑区间分布的幂律流体脉动渗透注浆扩散机制研究

脉动注浆技术虽已得到了一定应用,但脉动压力下浆液的扩散机制研究则远滞后于工程实践。为了进一步推广和完善脉动注浆技术,基于注浆过程中脉动压力持续段流量恒定、压力间隔段流量为零的特点,考虑地层参数的不确定性,建立了脉动压力下幂律流体的渗透扩散模型,得到了脉动压力下幂律流体扩散半径的区间分布方程;设计了一套脉动渗透注浆模拟试验装置,得到了不同施工参数下幂律流体在地层内的分布形态;通过在数值模拟中构造脉动压力周期变化模型与孔隙率随机分布模型,实现了脉动压力下幂律流体渗透注浆浆液扩散过程的模拟。研究结果表明:脉动压力作用下幂律流体在地层内扩散范围并非是一个确定的量值,但基本集中在一定范围内,存在明显的扩散半径上下限;浆液扩散半径上下限受脉动注浆压力、脉动频率等影响明显,且上限差值随脉动注浆压力的增大而增大,浆液离散程度表现的更显著;理论计算、数值模拟与模型试验所得的浆液扩散半径随注浆压力的变化趋势一致,理论与数值计算得到的浆液扩散半径上下限数值误差均在可接受范围内,推导的理论公式和建立的数值模型均能较好的描述幂律流体在脉动压力下的扩散过程及区间分布。研究成果可为脉动渗透注浆理论、数值模拟以及实践工程提供一定的指导意义。     

考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆机理研究

多孔介质注浆的扩散方式以渗透注浆为主,传统的多孔介质渗透注浆往往忽略了浆液渗透过程中的扩散路径,导致理论结果与实际偏差较大。基于对多孔介质浆液渗透过程中扩散路径分析,根据浆液扩散运动方程,建立了考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型,设计了一套多孔介质渗透注浆扩散模拟实验装置,并采用常规注浆材料-水泥浆液,获得不同被注介质渗透率及不同注浆速率下的注浆压力的时空变化规律。研究结果表明:考虑浆液扩散路径的多孔介质浆液渗透注浆模型计算值为试验值的1.1~1.3倍,计算值与试验值误差在允许的范围之内,所建模型可较好的描述了浆液渗透扩散过程;不考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆模型计算值为试验值的1.8~3.2倍,显著高估了注浆扩散过程的浆液压力。研究成果成功用于青岛地铁砂层治理工程,因此,在多孔介质渗透注浆扩散设计中应充分考虑浆液扩散路径。     

流变参数时变性幂律型水泥浆液的柱形渗透注浆机制研究

 幂律型水泥浆液的流变参数时变性特征对注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析与实验研究等方法,研究了时变性幂律型水泥浆液的流变方程与渗流运动方程,推导了流变参数时变性幂律型水泥浆液的柱形渗透注浆扩散机制,分析了其适用范围及参数的确定方法,探讨了注浆管侧面注浆孔的设计依据。通过设计注浆试验对其进行了验证,结果表明：实际测量计算的幂律型水泥浆液在被注砾(砂)石体中的等效横向扩散半径值与由流变参数时变性幂律型水泥浆液的柱形渗透注浆扩散机制公式计算出的扩散半径理论值间虽有20%-30%范围内的差异,然它们都处于可接受的范围内;因此,能较好地说明幂律型水泥浆液在被注材料中随时间变化的柱形渗透注浆特征与规律。由于目前国际国内对流变参数时变性幂律型流体的柱形渗透注浆机制的研究还鲜有相关的文献报道,因此,本文研究成果可为实际注浆施工提供理论支撑与指导作用。     

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。     

膏浆平面裂隙动水注浆扩散模型研究

为探究膏浆平面大密度裂隙动水注浆扩散模型,首先以宾汉姆流体为研究对象,基于广义达西定律并运用相关力学理论,推导得出考虑膏浆自重的浆液扩散半径计算公式;其次,采用室内模型试验对浆液扩散半径计算公式进行验证,得出扩散半径试验值同理论公式计算值的误差小于10%。以地铁车站基坑堵漏工程为背景,根据浆液扩散半径计算公式,对不同参数进行单因素影响分析,结果表明,灌浆压力差、浆液屈服应力、裂隙半径对浆液扩散影响显著,扩散半径变化率大于60%;同时进行原位试验,对比得出扩散半径试验值同理论公式计算值误差小于10%。因此,在一定误差范围内,建立的扩散模型对平面大密度裂隙动水注浆工程具有指导意义。     

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。     

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。     

基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制

 速凝类浆液的双液混合注浆方式及其黏度时变特性导致浆液扩散区内黏度空间分布不均匀。基于此,认为速凝类浆液流型为具有黏度时变性的宾汉流体,研究其在静水条件下水平裂隙中的注浆扩散过程,建立了恒定注浆速率条件下考虑浆液黏度时空变化的水平裂隙注浆扩散理论模型,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,进而得到注浆压力与注浆时间及浆液扩散半径的关系。通过与不考虑黏度空间不均匀性所得结果进行比较,说明考虑黏度空间不均匀的必要性。通过在数值计算模型中预定义黏度空间分布函数,实现了考虑黏度空间分布不均匀性的裂隙注浆数值模拟。通过理论分析、数值模拟与试验结果三者的对比,验证了理论分析及数值模拟的合理性,希望为实际注浆工程中注浆参数的确定提供一定借鉴。     

覆盖层地基注浆扩散数值模拟方法及应用

注浆处理是覆盖层地基提高承载力和抗渗能力的有效手段之一。由于岩土介质的不透明特性,浆液在岩土介质中的扩散过程通常难以直观把握,有必要开展数值模拟分析。基于浆液的层流运动和渗透扩散理论,建立了注浆扩散数值分析控制方程,结合前人的研究成果开展了算例分析,验证了注浆扩散数值模拟分析方法的可行性和有效应。结合具体工程针对设计灌浆方案进行注浆扩散的数值模拟的工程应用分析,结果表明依据设计方案注浆所形成的灌浆帷幕密实性好、厚度均匀,注浆扩散数值模拟分析方法具有较好的工程适用性,分析结果能为实际工程提供有益参考。     

基于流体时变性的隧道劈裂注浆机理研究

水泥复合浆液流变参数的时变性对注浆扩散范围计算值影响很大。基于宾汉体流变方程和平板裂缝理想平面流模型,推导了考虑流体时变性的土体劈裂注浆扩散半径计算公式。由公式可知,土体劈裂压力、裂隙宽度、浆液流速、流变参数的时变性是影响扩散半径的重要因素。计算分析了劈裂注浆过程中劈裂压力随缝隙宽度的变化以及流变参数对扩散半径的影响规律。结果表明,忽略流体时变性注浆扩散半径计算值明显偏大,会给注浆工程设计带来隐患。结合厦门机场路隧道全风化花岗岩地层注浆试验,发现水泥复合浆液劈裂注浆加固效果良好,扩散半径理论计算值基本符合工程实际;研究成果对风化花岗岩地层劈裂注浆的设计和施工具有一定的指导意义。     

A fully coupled thermo-hydro-mechanical model for simulating multiphase flow,deformation and heat transfer in buffer material and rock masses

This paper presents a numerical method for modeling coupled thermo-hydro-mechanical processes of geomaterials with multiphase fluid flow. A FEM code has been developed and validated for modeling the behavior of porous geological media, and is equally applicable for modeling coupled THM processes in rocks. The governing equations are based on the theory of mixtures applied to the multiphysics of porous media, considering solid phase deformation, multiphase fluid flow, and heat transport. New numerical techniques have been developed for more efficient FEM formulation and equation solution for modeling saturated or partially saturated water flow, gas flow and heat transfer in deformable porous media, as are commonly encountered in performance and safety assessment of underground radioactive repositories. The code has been validated against an experimental benchmark test, which involves bentonite under laboratory conditions, with good results. Several critical outstanding issues for modeling coupled processes of geomaterials are discussed in depth.     

自膨胀高聚物注浆材料在二维裂隙中流动扩散仿真方法研究

 为深入研究自膨胀高聚物注浆材料在岩体裂隙中的扩散机制,基于计算流体动力学理论,综合运用现代流场计算方法和移动界面追踪技术,初步建立了一种变密度浆液在二维裂隙中流动扩散的仿真分析方法。该方法采用FVM离散浆液–水两相流动系统控制方程,用Youngs方法追踪浆液–水两相流体移动界面,用SIMPLE算法迭代求解动量离散方程和压力、速度修正方程,实现了对浆液–水两相流动系统的数值求解。通过变密度流体在二维矩形狭槽中自由膨胀算例检验了该方法的正确性,在此基础上对自膨胀浆液在二维平板裂隙中的扩散过程进行了仿真模拟,结果表明采用该方法能够动态展现流场分布特征,实时反映浆液–水之间的驱替作用,为深入研究膨胀性高聚物注浆材料在裂隙岩体中的扩散机制奠定了基础。     

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。     

基于“浆-土”界面应力耦合效应的劈裂注浆理论研究

浆液与土体的界面应力耦合效应对土体劈裂注浆过程具有重要影响,劈裂通道宽度由注浆孔向浆液扩散锋面处衰减。基于此,将劈裂注浆扩散过程简化为平面辐射圆,推导了劈裂通道内牛顿流体浆液的扩散运动方程,引入了半无限空间体均匀受力模型并获得劈裂通道宽度控制方程,最终得到劈裂通道宽度及浆液压力的空间分布方程。分析了劈裂通道宽度与注浆压力的空间衰减规律及浆液黏度、土体弹性模量对注浆扩散过程的影响。研究结果表明：注浆压力与劈裂通道宽度的空间衰减趋势具有一致性且均呈现出明显的非线性特征,在注浆孔附近及靠近浆液扩散锋面区域衰减较快;浆液扩散半径与浆液黏度、土体弹性模量负相关。最后通过工程实例对浆脉厚度理论计算值进行了验证,浆脉厚度计算值比现场揭露浆脉厚度实测值大30%左右,计算误差处于可接受范围内,验证了理论的合理性。     

考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以宾汉姆浆液流体为研究对象,基于广义达西定律(毛管组理论),并运用相关流体力学理论,推导了考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的计算公式,并分析了其适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆参数(注浆压力、注浆时间)、地层特性(地层渗透系数)等主要因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:考虑浆液自重后,浆液的扩散范围呈椭球形;相同的注浆压力下,顶部注浆孔的浆液扩散范围小于底部注浆孔浆液扩散范围(顶部注浆孔出现最小扩散半径,底部注浆孔出现最大扩散半径);注浆压力、注浆时间及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大,但其增长速率均减小;注浆压力增大,管片所受的注浆压力增大,单位管片所受的浆液压力呈线性增长,考虑浆液自重后,上部单位管片所受的浆液压力大于下部单位管片所受的浆液压力;注浆压力越大,注浆时间越长,地层渗透系数越大,最大扩散半径与最小扩散半径的差值越大,即浆液自重对浆液扩散半径的影响越大。