考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制

多孔介质的迂回曲折效应对浆液在其中的渗透扩散与注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,研究考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体渗流运动方程,推导考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制;基于计算机编程技术,依托COMSOL Multiphysics平台与达西定律,二次开发得到考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制的三维数值模拟程序,并以此开展不同水灰比幂律型水泥浆液在砾石土体中渗透注浆过程的数值模拟;通过对比分析,研究理论分析、模型试验与数值模拟结果验证该理论机制。研究结果表明:采用考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值更接近注浆模型试验值,因此可较好地说明考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式更能反映幂律流体在多孔介质中的渗透注浆扩散规律。该研究成果可为多孔介质地层的实践注浆工程设计及施工提供一定的理论指导与技术参考。     

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。     

考虑滤过效应的卵砾石层浆液扩散研究

 渗透注浆过程中水泥颗粒对土体孔隙的堵塞会产生滤过效应,滤过效应在浆液扩散过程中起着非常重要的作用。基于此,研究滤过效应对卵砾石层中注浆浆液扩散的影响。在总结浆液可注入性标准的基础上,考虑浆液滤过过程中水、水泥和土体的质量平衡,引入线性滤过定律,给出一种球孔扩散条件下考虑滤过效应的水泥浆浆液扩散模型,并通过模型理论结果和现场实测数据的对比,说明该方法的合理性和考虑滤过效应的必要性。不同注浆时间和水灰比条件下滤过效应对渗透注浆的影响分析表明,滤过效应导致土体的渗透阻力逐渐增大,土体中注浆压力随时间逐渐增加。浆液水灰比越小,注浆压力越大,滤过效应也越显著。     

盾构隧道管片注浆幂律流型浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以幂律流型浆液为研究对象,运用流体力学理论及毛细管组理论,推导了盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的理论计算式,分析了其公式的适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆压力、浆液性质(水灰比)、地层条件(地下水压力和地层渗透系数)等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:注浆压力与浆液扩散半径成线性关系;注浆压力、水灰比及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大;地下水压力增大,浆液扩散半径减小;注浆压力、水灰比、地层渗透系数增大,浆液对管片的总压力增加;地下水压力的变化不会影响管片所受的总压力。     

基于宾汉姆流体的微裂隙岩体注浆扩散影响机制分析

基于巴顿公式中的标准节理面轮廓线建立微裂隙几何模型,采用纳维–斯托克斯方程,并将浆液视为宾汉姆流体,建立微裂隙注浆扩散有限元模型,对微裂隙注浆过程中浆液扩散过程展开计算分析,获得裂隙粗糙度、隙宽以及浆液黏度等因素对浆液扩散的影响规律。计算结果表明,当浆液黏度较高时,浆液流动损失主要受黏滞力控制,裂隙等效隙宽随浆液黏度呈非线性增长。对于具有相同粗糙程度的裂隙,等效隙宽随黏度的增长曲线均存在一个明显的拐点,随着裂隙粗糙程度增加,拐点逐渐向前推移,并且突变更加明显。通过多元函数拟合建立等效隙宽与浆液黏度以及裂隙粗糙度的拟合公式。当浆液黏度以及裂隙的粗糙度较低时该公式存在一定误差,而在考虑实际注浆需要所对应的参数变化范围内,该公式均具有较好的拟合效果。研究结果对微裂隙岩体注浆扩散理论具有一定借鉴意义。     

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。     

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。     

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。     

考虑水泥浆液析水作用的水平裂隙注浆扩散机制研究

水泥浆液是一种悬浊液且具有明显析水特性,浆液发生析水后,其自身黏度、密度明显变化,由此导致浆液在扩散区内黏度、密度等参数时空分布不均。为准确描述浆液发生析水后的裂隙注浆过程。简化浆液发生析水后在裂隙内的扩散运移形态,建立恒定注浆速率条件下,考虑浆液析水作用的裂隙注浆扩散理论模型,推导浆液扩散半径表达式与浆液微元体压力梯度方程。提出考虑析水作用的裂隙注浆计算方法,基于Matlab编程实现了浆液析水率与浆液压力的时空分布计算。利用自主研发的裂隙注浆模拟试验平台,对理论模型的合理性进行验证。研究结果表明,浆液析水率随浆液扩散距离的增加呈非线性变化;随着水灰比的增加,浆液析水率在空间上的分布差距明显增大;考虑浆液析水作用计算得到的注浆压力明显大于不考虑时的计算结果,并且随着浆液水灰比的增加,考虑析水与不考虑析水作用相比,二者计算得到的注浆压力差距越大;通过对比试验测试结果与理论计算值,理论计算得到的注浆压力是试验测试值的1.2～1.5倍,所建立的理论模型能够描述考虑析水作用下水泥浆液在裂隙中的扩散过程。     

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。     

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。     

砂性地层注浆浆液扩散特性

对南京地区河砂采用筛孔分别为5,2,0.5,0.2 mm 的筛网筛分后,分为不同粒径的砂土,以渗透系数为控制指标,根据试验需要对所用河砂进行配比,模拟出4种砂砾土层。通过对自行研制的一种渗透注浆装置进行室内模拟注浆试验,研究了4种不同颗粒级配的砂样在不同注浆量、水灰比、注浆压力等影响因素下浆液的扩散特性,并在此基础上进行多元线性回归分析。结果表明:浆液扩散半径主要影响因素的主次顺序为注浆压力、渗透系数、水灰比; 注浆量主要影响因素的顺序为注浆压力、渗透系数、水灰比; 结核体强度主要影响因素的顺序为水灰比、渗透系数、注浆压力; 结合试验结果拟合得到了浆液扩散半径、注浆量、结核体强度与渗透系数、浆液水灰比、注浆压力之间的定量关系式; 砂性地层中的浆液扩散半径存在有效半径,为初始半径的75%～80%; 对于在砂性地层中的浆液扩散行为,具有多种浆液扩散模式并存的可能; 所得结论可供类似工程借鉴与参考。     

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。     

砂土介质后注浆原理室内模拟试验研究

根据现场高压注浆系统对现有注浆装置进行了改良,开发出一种能够方便、灵活、快速进行各种砂土注浆模拟试验的装置,研究了几种不同颗粒级配砂样在不同注浆压力、水灰比、注浆量等参数下浆液扩散性状,得出浆液扩散半径随水灰比的大而增大;当注浆压力较大时,浓稠状态下的水泥浆浆液在砂土中扩散方式存为压密注浆;浆液扩散距离受注浆量、注浆压力、水灰比和渗透系数的影响;同时利用计算机回归分析得到浆液扩散公式,以便指导工程实践。     

考虑地层渗透性的盾构隧道施工期管片上浮预测EI北大核心CSCD

地层渗透性影响盾尾同步注浆浆液的凝固,从而影响施工期管片上浮。针对目前施工期管片上浮分析缺乏考虑地层渗透性影响的不足,将同步注浆浆液视为牛顿流体、土层简化为多孔介质,利用渗透力学及流体力学原理,提出渗滤效应下同步注浆浆液固结时间的计算方法;进而将不同地层浆液固结时间、浆液性质及施工掘进速度等因素,表征为管片上浮分析的等效梁模型中的浆液未凝固区长度,对等效梁模型进行改进,建立考虑不同渗透性地层中同步注浆浆液固结特性的管片上浮分析模型,并编制有限元程序对其求解。利用此模型对南宁某含粉砂–圆砾、砂层及粉质黏土等地层的盾构区间施工期管片上浮特性进行分析,结果表明:考虑地层渗透性影响的等效梁模型进一步揭示了地层特性影响管片上浮的作用机制,其计算结果与现场实测数据具有更好的一致性,更适合于不同渗透性地层管片上浮分析。同时得到,地层渗透性越小,同步注浆浆液固结时间越长,盾尾浆液压力消散越慢,管片上浮量值越大。     

考虑地层渗透性的盾构隧道施工期管片上浮预测

地层渗透性影响盾尾同步注浆浆液的凝固,从而影响施工期管片上浮。针对目前施工期管片上浮分析缺乏考虑地层渗透性影响的不足,将同步注浆浆液视为牛顿流体、土层简化为多孔介质,利用渗透力学及流体力学原理,提出渗滤效应下同步注浆浆液固结时间的计算方法;进而将不同地层浆液固结时间、浆液性质及施工掘进速度等因素,表征为管片上浮分析的等效梁模型中的浆液未凝固区长度,对等效梁模型进行改进,建立考虑不同渗透性地层中同步注浆浆液固结特性的管片上浮分析模型,并编制有限元程序对其求解。利用此模型对南宁某含粉砂–圆砾、砂层及粉质黏土等地层的盾构区间施工期管片上浮特性进行分析,结果表明:考虑地层渗透性影响的等效梁模型进一步揭示了地层特性影响管片上浮的作用机制,其计算结果与现场实测数据具有更好的一致性,更适合于不同渗透性地层管片上浮分析。同时得到,地层渗透性越小,同步注浆浆液固结时间越长,盾尾浆液压力消散越慢,管片上浮量值越大。     

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。     

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。     

盾构同步注浆浆液固结及压力消散两相渗流理论模型研究

盾构隧道同步注浆过程中,由于浆液注入盾尾间隙后的压力高于地层静水压力,所以浆液会扩散到地层中发生渗流,并随着时间发生固结,浆液压力随之消散。在现有的分析模型中,浆液在地层中的渗流被看作单相流问题,忽略浆液与地下水在地层中渗流的差异性。在现有解析公式的基础上,将浆液在地层中的压力消散和渗流视为二维的两相流模型,分析浆液渗流以及驱替作用下地下水渗流引起的水头损失,并且考虑浆液黏度时变性的影响,推导盾构同步注浆浆液固结及压力消散的两相渗流理论模型。研究结果表明,浆液黏度时变性对浆液固结及消散的压力稳定值和体积损失率等计算结果有较大影响,浆液固结及压力消散理论模型中应根据固结时间和浆液扩散范围考虑浆-水两相渗流过程。     

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。