透明裂隙介质注浆扩散机理试验研究

发布时间：2017-10-05 08:41

  本文关键词：透明裂隙介质注浆扩散机理试验研究

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【摘要】：地下工程突水大都与岩体断层和裂隙有关。断层、裂隙都有一定的开度及延展性,由此所形成的地层空隙往往会成为导水优势通道。注浆技术作为一项实用性强、适用性广的工程技术,已成为突水灾害防治和预防的关键技术之一。本文采用室内模拟试验研究和理论分析相结合的方法,以野外裂隙发育特性为研究基础,以注浆技术的工程实践及理论研究认识为依据,对岩体裂隙介质突水灾害进行地质模型概化,利用透明土技术的实时、可视化、无损、无人工干扰等观测优点,组建了基于透明土技术的粗糙平板单裂隙试验模型系统与基于透明土技术的岩体裂隙网络试验模型系统。结合理论分析分别对两种流体的浆液与模拟裂隙作用机理、粗糙平板单裂隙注浆效果及扩散理论模型、岩体网络裂隙注浆效果及扩散理论模型等进行了研究。主要结论如下:(1)以重庆巫山地区三叠系巴东组泥岩、泥灰岩及嘉陵江组灰岩为例,进行了岩体裂隙测量和发育特征的分析研究。主要研究了裂隙的发育、充填与粗糙度等特点。应用分形维数的方法进行野外裂隙粗糙度的判别。根据谢和平的公式所得到的六张图像中分维数对应的JRC值取值在9~23之间,与Barton标准曲线有较好的对应关系。为了考虑到起伏度对裂隙JRC值的影响,提出分形维数D与起伏度综合控制JRC的理论公式,经计算裂隙的粗糙度JRC值基本在0~20之间变化,精确度满足要求。(2)利用透明土技术进行了牛顿流体在岩体裂隙网络中渗透扩散的特性研究。对试验数据分析可得到流体扩散半径与扩散时间的拟合公式。拟合公式与马格(Maag)球形扩散渗透理论公式有一定的相似性。可知,牛顿流体在裂隙岩体网络中渗透已表现出类似在砂土孔隙渗透扩散的特点,故而裂隙充填物对裂隙渗流特性的改造作用显著。(3)利用透明土技术完成了含充填物的粗糙平板单裂隙宾汉姆浆液注浆正交试验。由正交试验的极差分析结果可知,三种因素对试验结果影响的主次顺序为注浆压力动水流速浆液凝胶时间。通过各因素的直观分析图及方差分析表,可知注浆压力是影响浆液扩散效果的最主要因素,其在α=0.05,α=0.10水平下均显著,而动水流速和浆液凝胶时间对扩散距离的影响不显著。(4)含充填物的粗糙平板单裂隙宾汉姆浆液注浆正交试验中浆液的扩散形态根据其形态变化规律分为两大类型,近圆状扩散及顺水流舌形扩散。其中近圆状扩散根据扩散边界的平整度可以分为边缘锯齿状扩散和边缘平滑型扩散。近圆形锯齿状扩散型集中出现在注浆压力较低水平、浆液胶凝时间较高水平的注浆条件下,与动水流速水平相关性不大。近圆形平滑型扩散集中出现在动水流速较低水平、浆液胶凝时间较低水平的注浆条件下,与注浆压力水平相关性不大。顺水流舌形扩散形态集中出现在较高的注浆压力水平及较高的动水流速试验条件下,与浆液凝胶时间水平的相关性不大。(5)通过对含充填物的粗糙平板单裂隙宾汉姆浆液注浆正交试验中浆液的填充状态的总结,浆液扩散结果有分区型与不分区型之分。其中浆液扩散分区型中根据浆液的凝固特征可以进一步划分为浆液二分区型,浆液三分区型及浆液剪裂型。另外,根据测压孔曲线的形态特征,可将试验结果大致分为三类,“响应跟随型”孔压曲线,“欲扬先抑型”孔压曲线,“先扬后抑型”孔压曲线。其呈现出不同特征的主要原因为注浆压力的差异以及浆液最终凝固区域范围的不同导致模型内部渗流场的差异。(6)依据立方定律推导思路,基于注浆量守恒原则,分别对光滑无充填平板单裂隙牛顿流体注浆扩散、粗糙含充填物的平板单裂隙牛顿流体注浆扩散、光滑无充填平板单裂隙宾汉姆流体注浆扩散和粗糙含充填物的平板单裂隙宾汉姆流体注浆扩散四种试验条件下的扩散机理进行了分析,推导了数学模型,给出了注浆时间与注浆扩散半径的理论公式。(7)利用透明土技术结合石英立方块体完成了含充填物的岩体裂隙网络注浆试验。浆液在底面的扩散大部分时间是近似于圆形,与在无充填的裂隙网络中的扩散有明显的差异。由此可知石英砂的填充物对裂隙的渗流特性有明显影响。试验得到的浆液扩散半径为4.087 cm,根据速宝玉推导的扩散公式所得计算结果为4.586 cm,有一定的可比性。
【关键词】：透明介质 岩体裂隙 化学注浆 扩散机理
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU943
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-21
• 变量注释表21-24
• 1 绪论24-36
• 1.1 研究背景及意义24-25
• 1.2 注浆技术国内外研究现状25-31
• 1.3 透明土国内外研究现状31-33
• 1.4 研究内容、方法和技术路线33-36
• 2 岩体裂隙的工程地质特性研究36-53
• 2.1 裂隙的产状36-40
• 2.2 裂隙的发育规模40-42
• 2.3 裂隙的充填率42
• 2.4 裂隙的粗糙度42-52
• 2.5 本章小结52-53
• 3 试验材料及试验方案53-70
• 3.1 流体材料53-56
• 3.2 模拟裂隙介质材料56-58
• 3.3 透明土材料58-62
• 3.4 试验方案62-68
• 3.5 本章小结68-70
• 4 岩体裂隙介质可灌注性及牛顿流体渗流特性研究70-88
• 4.1 岩体裂隙介质可灌注性理论70-73
• 4.2 单一粗糙平板裂隙牛顿流体浆液渗流特性73-84
• 4.3 含充填物的岩体裂隙网络渗流特性84-87
• 4.4 本章小结87-88
• 5 含充填物的粗糙平板单裂隙注浆试验研究88-125
• 5.1 含充填物的粗糙平板单裂隙注浆试验88-106
• 5.2 浆液扩散分区及扩散路径特征106-111
• 5.3 注浆压力及孔压监测曲线111-117
• 5.4 含充填物的粗糙平板单裂隙注浆扩散机理分析117-123
• 5.5 本章小结123-125
• 6 含充填物的岩体裂隙网络注浆试验125-132
• 6.1 岩体裂隙网络注浆试验125-129
• 6.2 分析和讨论129-131
• 6.3 本章小结131-132
• 7 结论与展望132-135
• 7.1 主要结论132-133
• 7.2 展望133-135
• 参考文献135-143
• 作者简历143-145
• 学位论文数据集145

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：975852