高动水压力作用下碳纤维复合浆液在岩体裂隙中的扩散机理

针对隧道围岩破碎岩体突（涌）水地质灾害，采用自行研制的模拟高动水压力环境的岩体裂隙注浆试验装置，用碳纤维复合浆液，对高动水压力作用下的岩体裂隙模型进行模拟注浆试验，运用多学科交叉分析方法对试验和测试结果进行研究。获取岩体裂隙界面表观特征及其与碳纤维复合浆液相互作用；探讨岩体裂隙变形及其与碳纤维复合浆液扩散过程的共同作用；基于高动水压力、岩体裂隙粗糙度、碳纤维复合浆液时变性、岩体裂隙变形对碳纤维复合浆液扩散的影响，分析高动水压力作用下碳纤维复合浆液在岩体裂隙中的扩散机理。结合模拟注浆过程中的监测数据和模拟注浆试验后碳纤维复合浆液在岩体裂隙中的分布情况，建立高动水压力作用下岩体裂隙中碳纤维复合浆液扩散距离与高动水压、裂隙参数、注浆参数、浆液参数之间的数学模型。本课题的研究成果可为高动水压力条件下岩体裂隙注浆工程设计提供理论依据，对防止隧道岩体裂隙突（涌）水地质灾害有重要的理论意义。

. 为了分析动水条件下裂隙岩体中碳纤维复合浆液扩散机理，本课题从碳纤维复合浆液性能、裂隙粗糙度系数的表征和碳纤维复合浆液固结体微观结构等方面开展了研究工作，并在室内进行了动水条件下的裂隙岩体注浆模拟试验，主要获得以下研究成果：. （1）裂隙表面粗糙度系数随着裂隙曲线坡度期望值的增加而增加，二者几乎呈线性增长关系；裂隙表面粗糙度系数随着伸长率R的对数值的增加而增加，二者近似呈线性增长关系；岩体裂隙表面粗糙度可以用改进的粗糙度系数计算表达式（1-4）来描述。. （2）碳纤维复合浆液性能测试表明，当碳纤维复合浆液水灰比大于0.6时，浆液为塑性流体，当水灰比小于0.6时，浆液为假塑性流体。随着水灰比的减小，碳纤维复合浆液从塑性流体向假塑性流体转变。碳纤维复合浆液剪切应力与剪切速率的关系，可以用式（2-1）和式（2-2）进行描述。多因素作用下碳纤维复合浆液表观粘度和塑性粘度可以用式（2-3）和（2-4）进行描述。碳纤维复合浆液粘度随时间的变化规律，可以用式（2-5）和式（2-6）进行描述。. （3）纤维素可以提高碳纤维在复合浆液中的分散性能，消除碳纤维的集束现象。随着碳纤维掺量的增加，碳纤维的集束现象开始逐渐显现，当碳纤维掺量达1.2%时，碳纤维之间已出现少量聚结分布。过量增加碳纤维掺量，由于碳纤维的聚结现象，无法发挥每一根碳纤维与水泥浆体的胶结作用，不能进一步改善固结体的性能。. （4）碳纤维与水泥水化产物连接成一体，共同抵抗外力的作用。当外力增加至复合浆液固结体开裂时，依靠碳纤维来抵抗外力的破坏，裂纹的扩展受碳纤维的约束，使得碳纤维复合浆液固结体抗压能力得到适量增强。复合浆液固结体与岩石表面出现裂缝时，碳纤维有一个脱黏而从基材中拔出的过程，从而减缓了复合浆液固结体与岩石之间裂缝的扩展。. （5）动水条件下碳纤维复合浆液扩散距离随着注浆压力、裂隙粗糙度、动水流速、注浆时间的增加而呈非线性增加。浆液扩散距离随着浆液粘度的增加而呈非线性减小。注浆时间对浆液扩散距离影响最大，其次是浆液粘度，裂隙粗糙度、注浆压力、动水流速对浆液扩散的影响大小相近。多因素作用下碳纤维复合浆液扩散机理可以用式（4-1）进行描述。. （6）裂隙变形随着浆液压力与裂隙接触处应力差的增加而增加，随着临界区长度的增加呈非线性增加。裂隙变形随着岩石模量和浆液扩散距离的增加而呈非线性减小。.