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原文传递泥质断层劈裂注浆全过程力学机理与控制方法研究

论文题名：	泥质断层劈裂注浆全过程力学机理与控制方法研究
关键词：	隧道加固;泥质断层;劈裂注浆工法;力学机理
摘要：	目前我国交通基础设施建设正大规模开展，隧道与地下工程建设频繁受到断层、岩溶等恶劣地质条件的掣肘，极易诱发塌方、突水突泥等重大地质灾害，造成的人员伤亡和经济损失惨重。劈裂注浆方法可以有效提高软弱围岩的强度和抗渗性能，已广泛应用于预防和处治相关地质灾害，但相比于蓬勃发展的工程实践，劈裂注浆产生和发展的力学机理及加固理论研究进展缓慢，已经成为制约劈裂注浆工程向科学化和可控化发展的关键因素。　　本文依托实际工程，致力于推动劈裂注浆工程向科学化和可控化发展，重点针对泥质断层劈裂注浆加固问题，综合采用理论推导、数值模拟、模型试验和现场试验等研究手段，厘清了劈裂产生、发展和终止的全过程力学机理，建立了基于注浆参数与加固后被注介质物理力学参数提升定量关系的定量加固理论，在此基础上提出了以“注浆压力控制、劈裂路径尺寸控制、注浆加固体参数控制和注浆加固进度控制”为核心的泥质断层劈裂注浆控制方法，为注浆工程设计提供了明确依据，并最终成功应用于实际工程，所取得的主要创新成果如下。　　(1)劈裂产生机理。基于散体介质理论的颗粒流方法和PFC数值软件，考虑流固耦合影响，建立了泥质断层介质劈裂注浆颗粒流模型，从细观角度捕捉了劈裂路径的瞬态启动过程，厘清了泥质断层介质的劈裂破坏型式为拉应力增大而导致的拉张破坏，获得了启劈压力的近似求解公式，并探讨了劈裂路径的数量和规模受被注介质条件和注浆参数的影响规律。　　(2)劈裂发展机理。优选经典双曲线模型表征土体在受到浆液压力作用后的变形规律，分别了建立了土体初始压缩双曲线模型和再压缩双曲线模型。首次考虑了多序注浆之间的相互影响和动态特性，提出了浆液动态劈裂概化模型，在此基础上建立了先序注浆劈裂扩散模型和考虑先序注浆影响的后序注浆劈裂扩散模型，分析了浆液扩展压力和劈裂路径宽度受被注土体初始压缩性能、注浆参数和浆液参数的影响规律，以及后序注浆浆液动态劈裂扩散规律受先序注浆的影响。引入了浆液凝结体尺寸特征表征参数∞，建立了浆液凝结体生成尺寸特征判定模型，并提出了“窄短型”和“宽长型”凝结体判定标准。　　(3)劈裂定量加固理论。在已有简化加固模型的基础上，以浆液劈裂路径生成宽度特征为媒介，引入了注浆压力、浆液注入速率和浆液粘度等关键注浆设计参数，建立了土体劈裂注浆加固数学模型，初步实现了“注浆压力多大、浆液注入速率多大、浆液粘度多大即可获得多大的注浆加固体力学参数”的计算目标，并通过设计相关劈裂注浆加固试验印证了该模型的合理性。　　(4)为验证本文对于劈裂发展机理研究的正确性，考虑动水环境、地应力加载和多序注浆等因素的影响，设计了泥质断层劈裂注浆扩散物理模拟试验。将浆液劈裂扩散全过程划分为浆液扩散形式转换、主、次生劈裂路径饱和、新劈裂路径形成以及后续次劈裂区域饱和4个代表性阶段。获得了充填为主、充填-劈裂联合作用、劈裂-充填-挤密-劈裂联合作用三种典型注浆作用型式下对应的压力变化特征曲线，提出了主、次生压力值的概念及其界定方法。建立了基于土压力和渗透压力场的地层加固区域辨识方法，提出了基于空隙充填-低压力阶段、空隙完全充填和区域起始劈裂-压力突增阶段、薄弱区内强化劈裂-压力高位波动阶段、区域迁移劈裂-压力波动递增阶段的地层加固进度辨识方法。　　(5)为印证帷幕注浆工法对于加固泥质断层的可行性，以江西永莲隧道为原型，按照1∶20的比例，开展了目前资料可查的国内外最大规模（8m4.5m5m）三维隧道突水突泥灾后帷幕注浆处治试验，还原了隧道原始注浆环境，模拟了突泥体清淤、掌子面回填反压、止浆墙构筑和注浆实施等关键环节。加固后开挖显示，洞周0.4～0.45m范围内形成了注浆加固圈，大幅提高了围岩的承载能力和稳定性，隧道最终顺利贯通。获得了保证隧道开挖安全的帷幕注浆加固圈厚度经验公式以及注浆影响范围经验公式。　　(6)泥质断层劈裂注浆控制方法。基于劈裂产生和发展的力学机理及加固理论的研究成果，系统提出了以“注浆压力控制、劈裂路径尺寸控制、注浆加固体参数控制和注浆加固进度控制”为核心的泥质断层劈裂注浆控制方法，以该方法为指导思想，采用帷幕注浆工法，选定了相关帷幕参数、注浆参数和浆液参数，并成功应用于永莲隧道ZK91+330～+355区段软弱围岩系统加固，隧道最终顺利贯通。
作者：	李鹏
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	张庆松;张霄
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文