浆脉形状对注浆效果的影响与控制研究

发布时间：2020-07-10 10:24

【摘要】：劈裂注浆是一种通过施加压力将浆液注入土体中以改善其工程性质的施工技术。劈裂注浆在提高承载力、降低渗透性、补偿隧道施工引起的地表沉降等方面都已应用并取得好的效果。在软粘土地基中,注浆形成有分支的浆脉骨架并且压缩其周围的粘土,导致复合体压缩模量的显著增加和渗透性的降低。目前为止,劈裂注浆施工主要是依赖于经验。现有的研究大多集中在水力劈裂的启裂机理和启裂压力的确定,而对于启裂后的裂缝扩展过程、裂缝扩展方向和裂缝形状、加固效果及影响规律的研究很少,尤其是对于土体中水力劈裂的研究,目前还没有一种计算方法来描述土中裂缝的形状和扩展。究其原因主要是针对水力劈裂的研究手段不足。因为水力劈裂是在岩土体内部产生,又涉及到流固耦合的作用,不容易被观察和测量。然而由于缺乏系统的试验和研究,在注浆基本理论、注浆材料的选择及配比、施工工艺以及质量检测标准等方面大都以经验为主,没有形成一套完善的方法体系,给设计和施工带来困难。本文针对现有成果的不足,以浆脉形状对注浆加固和防渗效果影响以及控制为重点开展研究,主要的研究内容和成果如下:(1)采用足尺劈裂注浆试验,观察了浆脉的启裂和扩展过程,测量了不同水灰比下浆脉周围粘土的强度、渗透系数、压缩模量和干密度,并与未注浆粘土进行了对比,同时测量了由粘土和注浆体构成的复合体的压缩模量和渗透系数。试验结果表明,在劈裂注浆中,注浆效果不仅受注浆材料配比的影响,浆脉的形状对劈裂注浆效果有很大的影响。(2)现有的研究多集中在启裂压力、扩散半径的确定,而在加固效果及影响规律方面的研究十分缺乏。通过建立注浆加固复合体压缩模量和渗透系数的理论计算公式,定量研究浆脉形状对注浆加固效果的影响规律,分析了浆脉形状对加固和防渗效果的影响规律,具体计算了浆脉角度、长度、长宽比、土体压缩的影响,结果表明浆脉的形状对注浆加固和防渗效果有着重要的影响,且在不同土体中具有不同的影响规律。(3)通过现场注浆后的开挖和室内模型试验,国内外已经对劈裂注浆的水力压裂阶段的进行了一些研究。然而,水力压裂阶段的发展过程很难直接观察到,位于土体内部的裂缝扩展通常由间接测量推断出来的。近年来,随着计算机仿真模拟的发展,有限元方法为劈裂注浆的研究提供了新的思路。提出采用有限元法(FEM)和流体体积函数(VOF)来模拟土体中的劈裂注浆过程。数值模型采用了流体、应力和损伤耦合的分析方法来模拟裂缝的扩展过程,浆液的水化过程通过浆液弹性模量和粘度随着时间变化来描述。数值模拟呈现了均匀土体和非均质土体中的裂缝启裂、二次劈裂和浆脉的扩展过程。所提出的数值方法不仅能模拟劈裂注浆,但也可以呈现压密注浆和渗透注浆的全过程。数值模拟结果与现场和试验结果具有很好的一致性,进一步证明了该方法的适用性和准确性。(4)现阶段的注浆技术主要是建立在经验的基础的,仅有的一些理论也多来自于石油钻井压力的一些研究成果。这些成果多集中在在岩石地层中启裂压力的研究,而对于影响注浆加固和防渗效果的因素研究较少,特别是关于启裂后浆脉的扩展以及所形成浆脉的形状的研究,以及如何控制浆脉的形状,以达到最优的加固和防渗效果的研究几乎是空白。本文针对劈裂形成浆脉的形状,采用提出的模拟方法对劈裂注浆参数和工艺的影响进行分析,研究相关的规律以及控制浆脉形状的参数和工艺。(5)将研究成果应用于具体工程实例。针对实际工程注浆效果不理想的情况,通过模拟分析,提出新的注浆方案,优化了注浆工艺,提升了注浆效果,保证了工程的安全施工,也验证本文研究结论的正确性。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U455
【图文】：

劈裂,砂土,土体特性,注浆浆液

量为５％膨润土，ＷＣＲ为０．６），围压为１４０ｋＰａ。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｏｆ邋Ａｕ邋ｅｔ邋ａｌ．［４？１．邋Ｔｈｅ邋ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ｃｅｍｅｎｔ－ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｇｒｏｕｔ邋（５％邋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｗｉｔｈ邋ｒｅｓｐｅｃｔ逡逑ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｗｅｉｇｈｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗａｔｅｒ邋ａｎｄ邋ａ邋ＷＣＲ邋ｏｆ邋０．６）邋ｉｎ邋ｋａｏｌｉｎ邋ｃｌａｙ邋ｆｏｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ＯＣＲ邋ｖａｌｕｅｓ．邋Ｔｈｅ邋ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ逡逑ｓｔｒｅｓｓ邋ｗａｓ邋１４０邋ｋＰａ．逡逑八１１等［４７］在固结至１４０邋ｋＰａ的高岭土中注入环氧树脂，发现了相对较薄的裂缝逡逑（图１－２）。八１１等［４７］和＆0！＾丫３等［４８］的试验表明，使用水泥－膨润土灌浆，裂缝的形状逡逑取决于灌浆的水灰比（ＷＣＲ）和粘土的超固结（ＯＣＲ）。Ｃｈａｎｇ［４４］Ｗ究了注浆参数逡逑和土体特性的影响。该试验采用直径０．２８ｍ，高０．４６ｍ的注浆罐，注浆浆液为石膏逡逑浆。图１－３显示了土体对浆脉形状的影响。逡逑３逡逑

膨润土浆,中注,高岭土,入水

ｃ）邋Ｙｏｕｎｅｓ［４５］逦ｄ）邋Ｋｌｅｉｎｌｕｇｔｅｎｂｅｌ＃６］逡逑图１－１粘土中的劈裂和砂土中的团形浆脉逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｖａｒｉｏｕｓ邋ａｔｔｅｍｐｔｓ邋ｔｏ邋ｃｒｅａｔｅ邋ｆｒａｃｔｕｒｅｓ邋ｉｎ邋ｓａｎｄ邋ｏｒ邋ｓａｎｄ邋ｕｓｉｎｇ邋ｇｒｏｕｔ邋ｗｉｔｈ邋ａ邋ｗａｔｅｒ－ｃｅｍｅｎｔ邋ｒａｔｉｏ邋ｏｆ逡逑０．５邋ｔｏ邋１．逡逑ｍ逡逑Ｉ邋Ｉ—邋ｌｏＣＲ，逦（＞ＣＲ，逡逑图１－２邋Ａｕ等人的研宄结果［４？１，在不同ＯＣＲ值的高岭土中注入水泥－膨润土浆液（相对于水的重逡逑量为５％膨润土，ＷＣＲ为０．６），围压为１４０ｋＰａ。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｏｆ邋Ａｕ邋ｅｔ邋ａｌ．［４？１．邋Ｔｈｅ邋ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ｃｅｍｅｎｔ－ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｇｒｏｕｔ邋（５％邋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｗｉｔｈ邋ｒｅｓｐｅｃｔ逡逑ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｗｅｉｇｈｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗａｔｅｒ邋ａｎｄ邋ａ邋ＷＣＲ邋ｏｆ邋０．６）邋ｉｎ邋ｋａｏｌｉｎ邋ｃｌａｙ邋ｆｏｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ＯＣＲ邋ｖａｌｕｅｓ．邋Ｔｈｅ邋ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ逡逑ｓｔｒｅｓｓ邋ｗａｓ邋１４０邋ｋＰａ．逡逑八１１等［４７］在固结至１４０邋ｋＰａ的高岭土中注入环氧树脂，发现了相对较薄的裂缝逡逑（图１－２）。八１１等［４７］和＆0！＾丫３等［４８］的试验表明，使用水泥－膨润土灌浆，裂缝的形状逡逑取决于灌浆的水灰比（ＷＣＲ）和粘土的超固结（ＯＣＲ）。Ｃｈａｎｇ［４４］Ｗ究了注浆参数逡逑和土体特性的影响。该试验采用直径０．２８ｍ，高０．４６ｍ的注浆罐，注浆浆液为石膏逡逑浆。图１－３显示了土体对浆脉形状的影响。

中注,石膏,注入速度,相对密度

注浆体的形状更像“裂缝”，而在混合砂／桂粉中则没有薄裂缝产生。逡逑Ｃｈｏ［４９ｌ进行了类似的实验，采用气压控制注浆压力，注入了一种环氧树脂，＇而逡逑不是水泥膨润土浆液。他把浆脉形状分成三类：团状、过渡状、片状（图１＞４）。逡逑他发现粗砂（６００ｕｍ）和高粘度（２０００邋ｃｐ）浆液会导致团状，而细砂（７５邋ｕｍ）和逡逑低粘度（５００邋ｃｐ）浆液会导致片状灌浆体。较低的注入速度（０．１５邋ｍｌ／ｓ）和较低的逡逑相对密度导致厚板状灌浆体，而较高的注入速度（１．２５邋ｍｌ／ｓ）和高相对密度导致薄逡逑浆体。注入量越大，形成团状的可能性越大。在Ｃｈｏ［４９］的实验中，较高的围压似乎逡逑４逡逑

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