岩体灌浆水泥浆液扩散模型与分析方法研究

The most important task of grouting theory is accurately determinating the diffusion radius of cement grout and the hole spacing. At present, the diffusion distance of cement grout in fractured rock mass is determined mostly by theoretical derivation and numerical simulation methods, ignoring the influence of cement grout state evolution, variation along the fracture and variation under the grouting pressure in process of grouting, its achievement has limitation. According to movement equation of cement grout in a single fracture, this project is planned to detailly research the law of evolution of grout state and change of fracture boundary in the process of grouting by grout performance test, simulation diffusion experiment in laboratory ,theoretical analysis and other methods. And then simulating the fracture network near drill-hole by using the Monte-Carlo numerical simulation methods, analysing the diffusion process and the diffusion distance of cement grout in the simulated fracture network is researched. The method and model for comupting the hole spacing is researched and the influence of cement grout state evolution and change of fracture boundary is studied and then the method and measure is proposed to optimize the hole spacing. The results of this project is base on quantitatively evaluating for grouting effect, which can make grouting design and construction more standardized.The achievements has significant academic and economic benefits.

准确确定浆液扩散距离和孔排距是灌浆理论研究中的最重要课题，目前水泥浆液在岩体裂隙中扩散距离大多采用理论推导结合数值模拟方法进行研究，忽略了灌浆过程中水泥浆液物态演变、裂隙沿程变化以及裂隙在灌浆压力作用下产生的变化等对浆液扩散距离的影响，其成果存在较大局限性。本项目拟根据水泥浆液在单条裂隙中的扩散运动方程，采用室内浆材性能试验、室内模拟扩散试验、理论分析等方法，对水泥浆液在裂隙扩散过程中的物态演变规律和扩散边界变化规律进行详细研究。然后采用Monte-Carlo数值模拟法，对钻孔灌浆段附近的裂隙网络系统进行模拟，计算分析浆液在岩体裂隙网络中的扩散过程和扩散距离，并研究孔排距计算的方法和模型，对水泥浆液物态演变与裂隙边界变化对灌浆孔排距的组合影响进行研究，提出优化孔排距的方法和措施。本项目研究成果是灌浆效果定量评价研究的基础，可使灌浆设计和施工更加规范、精细，具有显著的学术意义和经济效益。

本项目根据水泥浆液在裂隙中的扩散过程和岩体在灌浆压力作用下的变形相互耦合作用，结合水泥浆液流变参数的时变性、水泥颗粒的沉淀规律和水泥浆液的固结结石机理，模拟计算水泥浆液在岩体裂隙中扩散、充填和结石过程，并以此为基础模拟评价岩体的灌浆效果（包括灌后渗透性能、变形性能和抗剪强度指标）和其可靠性。 . （1）采用Monte-Carlo法模拟计算了沿钻孔灌浆段分布的裂隙网络系统，利用最值限制、灌前声波测试和压水试验资料以及已有的灌浆施工资料，分别从开度最大值、开度之和以及开度分布等方面对裂隙网络系统进行修正，保证裂隙网络系统尽可能地与现场一致。. （2）在前人研究成果的基础上，推导了水泥浆液（宾汉体）在单条光滑顺直裂隙中的扩散方程，并根据现场灌浆实际情况对裂隙扩散方程中的三个主要参数的变化规律进行了分析、计算。压力梯度除与灌浆压力、扩散半径有关外，局部水头损失和沿程水头损失影响较大。浆液的流变参数具有时变性，与灌浆时间、水灰比、水温等密切相关。裂隙开度是扩散方程中一个主要的变化量，除受裂隙粗糙度影响外，在灌浆过程中还将产生变化：①在灌浆压力的作用下，岩体产生变形而引起的裂隙开度的变化；②由于浆液中水泥颗粒的沉淀而导致裂隙开度发生变化；③灌浆过程中产生水力劈裂，使裂隙的尖端产生开裂、扩展而产生的开度变化。.（3）建立了水泥浆液在灌浆压力作用下的固结模型。水泥浆液中的水分主要包括自由水、孔隙吸附水和不可蒸发水。自由水可以在自重和灌浆压力作用下快速从浆液中析出，一般不会影响浆液的结石率和结石强度。孔隙结构中的吸附水在灌浆压力作用下，会被最大限度的排出，其水分的排出满足毛细管达西定律，水泥颗粒骨架将产生变形，也意味着水泥结石体最终的孔隙率会发生变化。孔隙率是影响水泥结石强度最主要的因素。.（4）针对灌后岩体的设计指标，建立了相应的岩体灌浆效果的评价方法。灌后透水率可以通过模拟压水试验获得。灌后变形模量通过将每条已灌裂隙的变形参数逐条进行等效获得，而泊松比近似认为无变化。灌后岩体的抗剪强度指标通过岩体结构面和岩桥的连通率搜索获取抗剪强度指标最小的剪切面，按面积连通率计算所得的剪切强度可认为代表该部位的抗剪强度指标。.（5）根据Monte-Carlo法模拟计算的特点，建立了基于数值模拟评价灌浆效果的可靠性的分析方法。