富水砂层注浆扩散与加固机理研究

Disaster control in water-rich sand strata is a key factor restricting the construction of underground engineering. Theoretical analysis, laboratory tests,model tests, numerical simulation and field tests are used to carry out research.Physical model of sand strata and constitutive equation of the slurry areestablished based on the mechanic properties and the structural behaviors of thegrout. Functions for analysis of filtration phenomenon could be drawn to describethe mechanism and the diffusion law for filtration of grouting in sand strata. For a splitting-compaction model, a criteria for initiation in splitting is putforward to describe the development of splitting path and the relation betweengrouting and stresses in strata. Based upon coupling between flowing grouts and deformation due to compaction effect, governing equation for the splitting-compaction model is established. Algorithm program using ALE moving meshmethod is developed to simulate the entire process during grouting in sand strata.The mechanism of cementation effect during grouting is revealed on both microscopic and macroscopic scale. Equivalent calculation method for mechanical parameters after grouting reinforcement is established. Effective reinforced area and its defining method are proposed in grouting in sand strata. Considering all the achievements listed above, controlling and design methodology of grouting in typical water-rich sand strata is proposed.

富水砂层灾害控制是制约地下工程安全建设的关键难题，拟采用理论分析、室内试验、模型试验、数值仿真与现场试验相结合的方法开展研究。基于富水砂层与注浆材料力学与结构特征，构建典型砂层物理模型及浆液本构方程；针对渗滤-渗透扩散模式，分析渗滤效应显现影响因素并建立滤过函数，揭示渗滤效应的发生条件、作用机制及其导致的浆液质量空间分布非均匀性特征，获得考虑渗滤效应的砂层注浆渗透扩散规律；针对劈裂-压密扩散模式，提出启劈判据，分析多序次劈裂路径动态发展特征；基于浆液流动与被注介质压密变形间的界面应力耦合作用，建立劈裂-压密注浆扩散控制方程；开发基于瞬态移动网格ALE算法的程序，实现砂层注浆扩散全过程的动态数值仿真；揭示注浆胶结强化的微、宏观力学作用机制，建立工程岩体加固后力学参数的等效计算方法，提出注浆有效加固范围的概念及确定方法。基于以上研究成果提出典型富水砂层浆液扩散控制方法及注浆设计方法。

富水砂层灾害控制是制约地下工程安全建设的关键难题，本项目针对富水砂层注浆治理中浆液扩散与加固机理等关键科学问题，通过理论分析、室内试验、模型试验和数值模拟等手段，系统研究了富水砂层注浆扩散与加固机理。根据砂层可注性及注浆压力大小，将砂层注浆模式划分为渗透注浆以及压密-劈裂注浆两种模式。综合考虑砂层颗粒粒径、密实度、黏性土含量及浆液水灰比对砂层可注性的影响，提出了砂层可注性指标N，在此基础上阐述了渗透注浆模式与劈裂-压密注浆模式各自的发生条件。分析不同注浆方式对浆液粘度空间分布的影响，建立了考虑粘度空间分布不均匀性的砂层渗透注浆扩散理论模型，并开展一维可视化渗透注浆扩散模拟试验，通过理论与试验结果的对比验证，获得了砂层渗透注浆扩散范围与注浆参数、浆液流变参数之间的定量关系。开展了砂层渗透注浆加固效果室内试验，研究浆液性质、砂层特征及注浆压力对注浆效果的影响，研究发现浆液水灰比是影响注浆效果的主控因素，不同水灰比浆液对应的砂层渗透注浆加固体表现出截然不同的破坏模式，通过拟合试验数据获得了砂层渗透注浆加固效果与浆液水灰比及养护时间的定量关系。建立了可描述砂层非线性压密过程的数学模型，在此基础上建立了考虑浆液流场与砂层应力场耦合效应的劈裂-压密注浆扩散过程理论模型，并提出了可描述砂层注浆加固体整体性能的简化物理模型，并提出了砂层劈裂-压密注浆加固效果定量估算方法。通过可视化砂层注浆模拟试验系统，实现了砂层劈裂-压密注浆过程的可视化模拟与理论验证。提出了针对富水砂层的注浆处治设计方法，研究成果在青岛地铁2号线啤~苗区间富水砂层注浆加固工程中进行了成功应用，取得了良好的效果，可为类似工程提供一定借鉴。