非水反应类高聚物注浆材料对岩体作用机理研究

膨胀性高聚物注浆材料已广泛应用于地下工程围岩加固和防渗处理，但对其注浆机理仍缺乏深入的理论和试验研究。本项目针对这一状况，通过开展高聚物材料在岩体裂隙中的注浆模拟试验，研究注浆压力、裂隙张开度和粗糙度等因素对高聚物浆液扩散形态、扩散范围的影响，建立高聚物在裂隙中的扩散模型；基于聚合反应原理和微观气泡生成理论，结合高聚物注浆材料膨胀特性试验，研究浆液密度随围压和反应时间的变化规律，揭示高聚物材料的膨胀机理；基于粘性流体力学理论，建立高聚物在裂隙中流动并伴随膨胀和固化过程的流体力学模型和相应的仿真分析方法；通过对高聚物在裂隙中扩散过程的模拟再现，研究高聚物对岩体的渗透、挤密和填充机理。本项目旨在通过试验和理论分析揭示非水反应类高聚物注浆材料对岩体的作用机理，为深入研究高聚物注浆技术在地下工程围岩加固与防渗处理中的应用提供理论依据。

非水反应类高聚物注浆材料已广泛应用于地下工程围岩加固和防渗处理，但对其注浆机理却不明确。本项目通过模型试验、理论分析和数值模拟等手段，系统研究了非水反应类高聚物材料对岩体的作用机理。取得的研究成果如下：. 1、研制了高聚物材料膨胀力测试装置和岩体裂隙高聚物注浆模拟试验装置，为开展高聚物材料在岩体裂隙中的注浆试验提供了试验平台。. 2、基于上述装置，开展了高聚物材料在裂隙岩体中注浆模拟试验。①对高聚物材料膨胀压力随时间变化的研究发现，高聚物材料的膨胀过程可分为四个阶段：膨胀力作用不明显阶段、膨胀力快速增长阶段、膨胀力缓慢增长阶段、膨胀力下降阶段；②对高聚物材料膨胀压力与密度的关系研究发现，高聚物材料的膨胀力和密度之间的关系规律随着反应时间的增长而逐渐增强。高聚物材料密度越大，最大膨胀力越大；③首次得到了不同注浆量、裂隙开度下高聚物材料在裂隙中的扩散距离，以及高聚物预聚体反应固化时间与温度的变化规律，据此可通过调节预聚体温度控制高聚物材料的反应时间和扩散距离。这些研究成果为高聚物注浆技术的实际工程应用提供了重要依据。. 3、基于线弹性断裂力学、断裂动力学理论及高聚物膨胀力的时变特性，对高聚物对岩体的劈裂过程进行了研究，建立了高聚物材料在岩体单裂隙中的扩散模型，得到了高聚物注浆过程中裂隙尖端应力强度因子随时间的变化规律。分析了裂隙开度与浆液扩展速率对裂隙尖端应力强度因子的影响，发现在同等条件下随着浆液扩展速率的增加，裂隙尖端应力强度因子有增大的趋势。. 4、基于高聚物膨胀特性试验结果和粘性流体力学理论，利用Seam单元法分段施加荷载实现了高聚物在裂隙中扩展填充过程的仿真分析。研究发现：在高聚物注浆过程中，裂隙开度对裂隙尖端应力强度因子的影响较小，高聚物浆液扩展速率对裂隙尖端应力强度因子的影响较大，随着扩展速率的增加，裂隙尖端应力强度因子有增大的趋势。 . 项目组经过三年攻关，圆满完成了各项预期目标。发表论文8篇（其中6篇被EI收录），获授权中国发明专利和美国发明专利各1项，培养硕士研究生3名（其中2人已顺利毕业，1人在读）。项目研究成果获河南省科技进步一等奖1项，并在多项隧道渗漏水防治工程中得到应用。