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原文传递注浆加固土的力学模型及隧道工程应用研究

论文题名：	注浆加固土的力学模型及隧道工程应用研究
关键词：	注浆加固土;力学模型;隧道工程;质量检测;数字图像处理
摘要：	目前，劈裂注浆工程的注浆参数设计仍处于半理论、半经验状态，合理性差，且没有与注浆目的或注浆效果有机结合起来。另一方面，目前的注浆质量检验手段所取得的效果还远远不够，对注浆量的验收也缺乏经济合理的方法，这不但易造成浪费，还会造成许多工程隐患。本文通过宏-微观室内试验、现场试验、理论推导以及数值分析等手段研究了劈裂注浆主要注浆参数取值方法和注浆效果检验方法，其具体的研究工作及取得的主要成果如下: 　　(1)取得了磷酸-水玻璃和水泥-水玻璃的配合比与凝结时间的关系，浆液凝结体的力学性能、渗透性能以及微观结构随时间变化规律。研究表明:①对于磷酸-水玻璃浆液，凝结时间随着水与磷酸体积比的增加而先减小再增加，凝结时间随着水玻璃的浓度增加变化比较复杂;②对于水泥-水玻璃浆液，凝结时间随着水玻璃浓度的升高而增加，凝结时间随水灰比的增大先降后升。③两种浆液形成的凝结体均能满足不透水层的要求;④磷酸-水玻璃比较适合对水量较大的地层进行应急性止水注浆;⑤水泥-水玻璃适合同时需要止水和加固的地层。　　(2)建立了劈裂注浆后复合土体的二维简化等效单元体模型，基于均质化理论和变形协调原则推导了模型的等效弹性参数解析解。用有限元方法分别计算并分析了模型在简化前后的等效弹性参数;同时将二维简化等效单元体模型的有限元计算结果和解析计算结果也进行了对比分析。最后基于解析结果分析了土体和浆液凝结体各自的弹性参数以及浆液注入率对等效弹性参数的影响。结果表明:①按面积等效原则对模型进行简化处理的方法是可行的，可以按照简化模型进行弹性阶段的理论分析;②解析结果与有限元结果具有良好的一致性;③复合土体的等效弹性模量和等效泊松比主要受浆液注入率和浆液固结体本身模量的影响。　　(3)建立了劈裂注浆后复合土体的横向各向同性单元体几何模型，按体积等效原则给出了浆-土体积及受力分配关系模型图，基于横向各向同性本构关系推导了模型的等效弹性模量和等效泊松比的解析解。采用有限元方法取得了模型特定条件下的等效弹性模量和等效泊松比，并与解析结果进行了对比分析。最后把模型和相应的解析结果引入Flac3D中，结合一个热力隧道工程实例对隧道劈裂注浆后关键位置的沉降进行了预测分析，并与实测值进行了对比。研究表明:①解析计算结果与有限元方法计算结果吻合度较高;②基于本文提出的模型及其解析结果对隧道开挖后沉降的预测值与实测值具有良好的一致性。　　(4)取得了隧道超前预注浆加固经济合理的注浆圈厚度、复合土体弹性模量及注入率。基于劈裂注浆复合土体弹性模型，借助于数值分析方法研究了注浆圈厚度和复合土体弹性模量变化对隧道开挖后土体位移场和衬砌受力场的影响规律，研究表明:①两种模型的计算结果差别不大，横向各向同性模型的计算结果相对略偏小;②注浆能显著抑制土体开挖后的沉降，减少衬砌受力，效果随注浆圈厚度的增加成非线性增加，注浆圈厚度增加到一定程度后，对沉降的控制效果已经不明显;在减小土体开挖后的土体变形和衬砌受力方面，注浆圈弹性模量与注浆圈厚度作用规律相似。③在本文工况下，经济合理的注浆圈厚度可取2.5m，经济合理的注浆圈弹性模量可取30MPa～35MPa，相应的经济合理的注入率可取0.132～0.164之间。　　(5)提出了两种劈裂注浆后注入率的获取方法，并在此基础上提出了一种基于注入率分析的注浆质量检验方法。其中，注入率获取方法包括理论计算方法和数字图像处理方法，通过现场试验间接验证了两种方法的可靠性，同时分析了两种方法处理注入率的差异性。①理论计算方法只需要知道注浆前后土体的基本物理力学性能，即可算出实际注入率。现场注浆试验表明，计算公式的可靠性较好。试验条件下，实际注浆量约为公式计算值的1.2倍。②数字图像处理方法把注浆后开挖的土体形成数字图像，通过对图像信息进行处理来取得注入率。试验表明:以数字图像处理技术来选取浆脉所占像素比，结果变异性小，可重复性好;以图像处理技术为基础测算的注浆量与实际跟踪记录的注浆量具有很好的一致性，在本现场试验条件下的实际注浆量约为测算量的1.1～1.2倍。③理论计算所得结果与图像处理结果具有较好的相关性，但理论计算结果偏小。　　(6)结合热力隧道工程实例论述了劈裂注浆关键注浆参数的设计方法体系。工程应用研究表明:文中给出的注浆参数能取得良好的注浆效果，说明文章提出的注浆参数设计方法体系较为可靠。工程应用间接证明了文中提出的劈裂注浆复合土体弹性模型具有一定合理性和工程应用价值。
作者：	郭炎伟
专业：	地下工程
导师：	贺少辉
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文