基于物理模拟试验的断层带分层介质注浆扩散及加固机理研究

发布时间：2017-08-22 04:39

  本文关键词：基于物理模拟试验的断层带分层介质注浆扩散及加固机理研究

  更多相关文章： 断层破碎带 分层介质 浆液扩散 骨架结构 动水环境

【摘要】：随着我国经济与社会建设飞速发展,基础设施建设尤其是交通运输领域的建设脚步急剧加快。而大量隧道的修建以及地质条件的复杂多变,致使隧道修建经常穿越砂层、断层、岩溶等不良地质条件,施工过程极易诱发突水突泥灾害。根据资料分析,突水突泥灾害频发且危害巨大,导致施工设备冲毁、大量人员伤亡、经济严重损失甚至工期延误、隧址改线或废弃,严重制约着经济发展和社会稳定。富水断层破碎带是诱发隧道突水突泥灾害的主要地质灾害源之一,治理此类灾害通常采用注浆法。然而由于地质环境复杂、被注介质不可见性、注浆扩散不确定性以及注浆材料注浆设备落后,注浆技术远远不能满足注浆治理的需求,所以,本文采用理论分析推导,室内物理模拟试验以及COMSOL数值软件模拟等研究方法综合探究动水条件下多层被注介质的注浆加固机制,以及不同介质分层界面处的加固机理。具体研究成果如下：(1)通过研究分析永莲隧道F2断层破碎带水文地质条件和构造机理,初步得出突水突泥灾害发生原因,并以F2断层带为地质背景,建立超前帷幕注浆、临灾帷幕注浆、灾后帷幕注浆三种工程治理地质模型。(2)建立土—石分层介质注浆模型,开展分层注浆扩散理论研究,将注浆过程简化为土石交界面开裂、交界面劈裂通道扩展、土体介质压密劈裂、砾石介质渗透充填四种浆液扩散形式展开理论分析和公式推导,修正了传统压力理论,提出了适用于该问题的注浆压力控制公式,分析了各阶段的启动机制,研究了土石交界软弱地层的浆液扩散机制,为土石交界软弱地层的注浆理论研究及工程应用提供了一定借鉴意义。(3)以永莲隧道F2断层破碎带帷幕注浆治理为背景,研发了断层带模拟分层注浆系统,被注介质条件与注浆材料均与永莲隧道地质条件与施工方法相似。通过试验,注浆对被注介质的加固作用主要有充填、挤密、劈裂形式,在此三种形式作用下,被注介质渗透率不断降低,被注能力不断减弱,强度不断增高。不同介质层交接面之间的加固主要通过宽浆脉连接、微细浆脉连接和界面联接层三种形式。(4)通过试验反馈的抗剪能力、土压力及渗透压力数据分析研究注浆过程对加固体各部分的强度、孔隙率、渗透性及被注能力的影响,进而从局部到整体宏观分析分层注浆过程浆液扩散规律。(5)建立分层介质填埋复合浆液扩散数值模型,引入达西两项渗流方程,通过COMSOL数值模拟,模拟了不同工况下的浆液扩散全过程。对浆液在横向分层填埋,纵向分层填埋两种工况中浆液的扩散全过程进行模拟,总结了浆液扩散过程中的压力场,体积分数,固定界面的压力等参数的变化规律,提出了优势渗透现象；模拟过程中引入动水环境,通过浆液扩散体积分数规律总结了不同工况下的动水条件对浆液扩散的影响。(6)提出“连续钻进,深孔双液高压分段”综合注浆加固技术治理永莲隧道F2断层带突水突泥灾害,并通过注浆P-Q-T曲线分析、检查孔分析方法检验注浆效果,注浆质量控制总体达到设计要求,对围岩起到了较大的改善作用,加固效果良好。
【关键词】：断层破碎带 分层介质 浆液扩散 骨架结构 动水环境
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U457.3
【目录】：

• 摘要12-14
• ABSTRACT14-17
• 第一章 绪论17-29
• 1.1 研究背景与意义17-18
• 1.2 注浆研究现状18-23
• 1.2.1 注浆理论研究现状18-21
• 1.2.2 注浆物理模拟试验研究现状21-23
• 1.2.3 注浆数值模拟研究现状23
• 1.3 注浆技术发展现状23-24
• 1.4 研究中存在的问题及发展趋势24-26
• 1.4.1 研究中存在的问题24-25
• 1.4.2 发展趋势25-26
• 1.5 本文研究内容及创新点26-29
• 1.5.1 研究内容26-27
• 1.5.2 技术路线图27
• 1.5.3 创新点27-29
• 第二章 工程地质背景29-39
• 2.1 永莲隧道F2断层带概况29
• 2.2 突水突泥灾害29-33
• 2.2.1 隧道突水突泥灾害发生29-31
• 2.2.2 灾害发生机制分析31-33
• 2.3 富水断层破碎带帷幕注浆治理33-34
• 2.4 断层注浆加固工程地质模型34-39
• 2.4.1 地下工程突泥灾害模式分析及地质力学模型建立34-35
• 2.4.2 永莲隧道断层注浆加固工程地质模型建立35-39
• 第三章 基于土—石分层介质模型的分层注浆机制研究39-46
• 3.1 引言39
• 3.2 土-石分层介质注浆模型39-40
• 3.3 分层注浆扩散理论研究40-45
• 3.3.1 土—石界面开裂40-42
• 3.3.2 交界面劈裂通道扩展42-43
• 3.3.3 土体介质压密劈裂43-44
• 3.3.4 砾石介质渗透充填44-45
• 3.3.5 小结45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 断层带分层介质注浆加固物理模拟试验研究46-67
• 4.1 试验系统设计46-49
• 4.1.1 注浆设备46-47
• 4.1.2 断层分层注浆模拟试验系统47-48
• 4.1.3 模拟动水条件供水系统48
• 4.1.4 实时数据监测系统48-49
• 4.2 断层破碎带分层介质注浆加固试验设计49-51
• 4.2.1 被注介质条件49
• 4.2.2 注浆材料49-50
• 4.2.3 注浆试验设计方法选择50
• 4.2.4 注浆试验设计方案50-51
• 4.3 试验过程及控制步骤51-53
• 4.3.1 注浆试验步骤51-52
• 4.3.2 注浆过程参数采集52-53
• 4.4 试验现象分析53-61
• 4.4.1 介质横向填埋注浆现象分析53-55
• 4.4.2 介质竖向填埋注浆现象分析55-59
• 4.4.3 浆液对岩层界面处连接加固作用分析59-60
• 4.4.4 动水因素对浆液扩散形态的影响60-61
• 4.5 介质加固体界面剪切强度特征研究61-66
• 4.5.1 未加固介质剪切强度特征61-62
• 4.5.2 注浆加固体分层界面剪切强度特征62-66
• 4.5.3 小结66
• 4.6 本章小结66-67
• 第五章 断层破碎带分层介质注浆数值模拟67-87
• 5.1 计算原理与方法67-68
• 5.1.1 软件介绍67
• 5.1.2 控制方程67-68
• 5.2 计算模型与参数68-71
• 5.2.1 计算模型与网格划分68-70
• 5.2.2 材料参数70-71
• 5.3 横向填埋注浆模拟71-78
• 5.3.1 横向填埋单孔注浆模拟71-77
• 5.3.2 横向填埋群孔注浆模拟77-78
• 5.4 纵向填埋注浆模拟78-86
• 5.4.1 纵向填埋单孔注浆模拟78-85
• 5.4.2 纵向填埋多孔注浆模拟85-86
• 5.5 本章小结86-87
• 第六章 研究结论对注浆设计的建议及工程应用87-94
• 6.1 对注浆设计的建议87
• 6.2 永莲隧道帷幕注浆治理应用87-89
• 6.3 注浆效果检查89-93
• 6.4 工程应用结论93-94
• 第七章 结论与展望94-97
• 7.1 结论94-95
• 7.2 展望95-97
• 参考文献97-107
• 致谢107-108
• 攻读学位期间发表的学术论文及参与的项目108-109
• 学位论文评阅及答辩情况表109

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