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基于悬浊液流动特性的注浆扩散及加固规律研究

郑卓  
【摘要】:注浆是处理地下工程灾害的重要方法之一,可有效实现破碎地层加固、减小沉降、突水突泥防控等一系列治理目标。浆液本构形式以及浆液与被注介质间力学作用的复杂性是制约注浆理论发展的关键问题,而传统的水泥类浆液和新兴的膨胀颗粒类浆液同属于悬浊液,在流动规律方面存在许多共性。本文基于悬浊液的流变特性,以理论分析及数值模拟为主要研究手段,对浆液在地层中的扩散形式及流动规律展开研究。在地层劈裂注浆加固方面,分别以粘聚性介质(软岩、黏土)、颗粒介质(砂性土、砾石土)以及土石复合介质作为被注介质,研究了浆液在地层中的劈裂-渗滤联合扩散机制,分析了注浆压力、浆液性质、被注介质构成、地层条件等因素对浆液流动的影响规律。在动水注浆封堵方面,建立了适用于膨胀颗粒类浆液的流体本构及浆液流动方程,计算分析了浆液在岩溶管道以及裂隙中的动水扩散规律。主要工作及创新成果如下:(1)针对粘土、软岩等粘聚性介质,建立了单一路径注浆劈裂扩散模型,并采用渐进解法对偏微分方程组进行计算推导。获得了不同浆液粘度、.注浆流量等影响因素下劈裂通道形态时空变化规律。(2)针对砂性土、砂层等颗粒型介质,分析水泥浆液颗粒与介质颗粒间的微观力学作用机制,建立了渗滤-劈裂联合扩散模型。获得了渗透主导、劈裂主导以及二者联合主导条件下的浆液扩散及地层位移变化规律。(3)针对粘性土、砂土、岩块等组成的多相土石复合介质,建立了浆液扩散及加固体强度数值模型。提出了“浆脉均匀度”以及“骨架转化率”两个重要力学性能指标。基于土石复合介质自身力学性质、浆脉空间分布形态,建立了土石复合介质注浆加固强度计算公式。(4)以高吸水性树脂颗粒浆液为典型研究对象,对膨胀颗粒类浆液的工作性能进行测试。基于悬浊液的基本流变性质,分析颗粒体积膨胀对浆液流变特性的影响。建立了适用于颗粒膨胀类浆液的本构模型。(5)考虑颗粒体积膨胀与流场变化之间的耦合作用,建立了岩溶管道动水注浆封堵数学模型。分别针对低膨胀速率及高膨胀速率条件,采用不同粘度增长函数对浆液扩散过程进行计算,获得了膨胀颗粒浆液岩溶管道动水注浆扩散规律。(6)采用计算流体力学-离散元方法,建立了膨胀颗粒浆液扩散数值模型。分别针对岩溶管道以及单一平板裂隙动水注浆问题开展数值模拟。分析颗粒与流体间的相互作用以及颗粒膨胀运移过程中的流场变化,揭示了膨胀颗粒类浆液动水封堵机制。


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