详情

原文传递考虑渗滤效应的富水砂层渗透注浆机理及试验研究

论文题名：	考虑渗滤效应的富水砂层渗透注浆机理及试验研究
关键词：	地铁隧道工程;渗滤效应;浆液扩散;富水砂层;渗透注浆
摘要：	随着国内外地铁隧道建设项目的不断增多以及地铁网络的逐渐完善，如何针对地下工程建设过程中遇到的不良地质问题进行科学控制成为了重要研究课题。目前许多地铁隧道的修建需要穿越富水砂层区，该地层的特点是富含地下水、砂粒间胶结强度较低、围岩自稳能力较差，隧道在受到施工扰动与地下水作用时容易发生隧道塌方、涌水溃砂等事故。为了保证隧道施工安全，工程上广泛采用注浆手段对富水砂层进行预处理。然而，富水砂层与常规地层注浆存在较大差异，若使用现有常规注浆技术很难获得理想的注浆效果。　　本文以城市富水砂性地层为研究对象，以富水砂层渗透注浆过程中的渗滤效应为核心，综合采用文献调研、理论分析、数值仿真及室内试验等多种研究手段，揭示了考虑渗滤效应的水泥浆液在砂性地层中的渗透机理与扩散机制；提出了一种适用于富水砂层渗透注浆的可注性新标准；揭示了考虑启动压力梯度的多孔介质渗流动边界移动规律；研制了富水砂层隧道可控注浆新材料。本文主要研究内容和结论如下：　　（1）基于多孔介质悬浊液流动模型，自主研发了富水砂层渗滤试验装置，开展了水泥浆液深层渗透注浆试验并探讨了砂柱孔隙率、水泥浆初始颗粒体积分数与注浆压力对渗滤效应的影响。试验结果表明：砂柱孔隙率越低，渗滤效应越显著；浆液初始颗粒浓度越高，渗滤效应越显著；渗滤效应的强弱与注浆压力变化之间没有明显规律。　　（2）对现有砂层可注性指标进行了总结归纳，并分析了这些指标预测低效的原因。自主研发了一套可视化室内注浆试验装置，基于一种新的砂样级配配制法开展了富水砂层渗透注浆可注性试验研究。试验结果表明，水泥浆液在富水砂层中的可注性不仅受到水泥颗粒与砂土粒径关系的影响，同时与浆液水灰比以及砂层细颗粒含量有关。根据可注性试验结果提出了基于“修正不均匀系数”Cu5与“修正可注比”Nm的新型可注性指标，在此基础上提出了基于新型可注性指标的可注性预测模型。通过试验验证，可注性预测模型的准确率接近80%，比目前现有可注性标准至少高出10%。　　（3）基于渗流力学基本理论，建立了考虑启动压力梯度的宾汉流体多孔介质渗流的无量纲渗流数学模型，揭示了水泥浆液富水砂层渗透注浆扩散范围动边界的移动规律。通过相似变量变换法，求得了内边界恒定注浆压力下宾汉流体多孔介质渗流模型的精确解析解。基于空间坐标变换法，求得了内边界恒定注浆速率条件下宾汉流体多孔介质渗流模型的数值解。这部分研究为定量确定水泥浆液在砂性地层中的扩散范围提供了理论依据。　　（4）基于流体动力学基本方程，离散相方程，通过欧拉法建立水泥浆液的固-液两相流模型，采用CFD软件FLUENT实现了对富水砂层隧道小导管注浆扩散过程的模拟。结果表明，在注浆过程中，浆液以“纺锤形”向四周扩散，水泥浆液在富水砂层中的扩散形态受到注浆压力、浆液水灰比、注浆时间、渗滤系数等参数的影响，最终趋于稳定。另外基于富水砂层渗透注浆的特殊要求，确定了以超细水泥、超细粉煤灰、膨润土为注浆材料主材，辅以焦磷酸钠与柠檬酸钠作为添加剂的高流性高稳态（HFSG）新型浆液配方。对新型浆液的宏观流动性能、粘度流变性能、析水稳定性能、初凝终凝性能进行了正交试验研究，研究了不同原材料成分、不同外加剂加入量、不同水灰比等影响因素对浆液性能的影响，以此作为基础进行HFSG浆液性能的优化，确定材料的最优配比为粉煤灰与水泥质量比ma/mc0.15，浆液液固比1:1，焦磷酸钠含量2%，柠檬酸钠含量0.6%。开展了HFSG浆液与普通水泥浆液的渗透注浆试验，试验结果表明：HFSG浆液的流动性与稳定性较普通水泥浆均有显著提升，SEM电镜下HFSG浆液结石体的微观形貌也表现出更高的致密性。
作者：	熊磊晋
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	张顶立
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2020