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原文传递裂隙岩体渗流规律与高温富水破碎岩体注浆及充填体力学特性研究

论文题名：	裂隙岩体渗流规律与高温富水破碎岩体注浆及充填体力学特性研究
关键词：	隧道施工;裂隙岩体;渗流规律;破碎岩体;注浆材料;力学性能
摘要：	近年来，我国隧道等地下工程得到快速发展，在隧道的修建规模和数量方面一跃成为隧道大国。受地形条件的限制，隧道施工遇到的工程地质和施工环境复杂多变，高地温、高地应力、高渗透压及强烈开挖扰动已成为一种常态。高地应力使构造应力更加复杂，裂隙产状更加随机，隧道围岩受重复荷载扰动、沟槽流作用会引起内部裂隙宽度、充填情况和贯通率的多样性。而高地温环境不仅对隧道的设计施工产生影响，也对注浆材料物理力学性能的温度耐受性提出了更新、更高的要求，同时使浆液的扩散规律和注浆后浆岩混合体的物理力学性能更加复杂。因此，进行裂隙岩体渗流规律与高温富水破碎岩体注浆及充填体力学特性研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。　　本文以在建高黎贡山隧道为工程背景，设计了循环荷载下不同产状充填裂隙岩体渗流和高温富水破碎岩体注浆试验；采用COMSOLMultiphysics数值模拟与THM耦合的岩体注浆理论分析相结合方法，从不同产状充填裂隙岩体渗流规律、注浆材料选用、设备研制和充填体物理力学性能等方面，对裂隙岩体渗流规律与高温富水破碎岩体注浆及充填体力学特性进行了研究，主要研究内容和结论如下：　　(1)总结了地下岩层裂隙的类型和充填贯通情况，进一步配制了完全充填不同贯通率裂隙试样，设计了多级围压循环加卸载围压-渗流耦合试验，揭示了完全充填不同贯通率裂隙试样的渗透性和应力敏感系数随围压的变化特征，量化了贯通率不同对完全充填裂隙试样渗透率和应力敏感系数的影响。发现完全贯通试样在第一次围压卸载后应力敏感系数恢复较差，而非完全贯通试样呈现出卸载阶段应力敏感系数大于加载阶段的特征。　　(2)配制了含不同等宽比完全贯通充填裂隙试样，推导了含非等宽充填物裂隙岩体的渗透系数表达式，是集出、入口宽度和充填物颗粒直径等多种参数与一体的函数，非耦合状态下与入口宽度和出口宽度的平方和呈正比。进行了多级高-低围压循环加卸载的围压-渗流耦合试验，揭示了循环加卸载作用下含不同等宽比完全贯通充填裂隙试样渗透性和应力敏感系数随围压的变化规律。　　(3)开展了高地温富水环境下注浆材料的合理性选取试验，分析了以含硅藻土、玻璃微珠的水泥基浆液作为高地温环境下注浆材料的弊端，优选出适用于高地温环境下的改性水泥基注浆材料为偏高岭土(水泥用量的8%)、NaOH(偏高岭土用量的1%)，该配比下浆液结石体的强度大于纯水泥浆液及导热系数和渗透率小于纯水泥浆液。　　(4)研制了高地温富水环境下破碎岩层室内注浆试验设备，从试验和理论角度证明了装置的可行性。揭示了高温富水环境下浆液在破碎岩体中的扩散规律，明确了地层温度对浆液扩散规律的影响；以动态渗透率为耦合因子，利用COMSOLMultiphysics软件对考虑温度场作用下岩体注浆效果进行了有益探讨。　　(5)开展了高温富水环境下破碎岩体的注浆试验，以地层温度和养护时间为主导变量，揭示了充填体的强度、渗透性、导热性能与声学特性的变化规律，得到了温度、注浆压力和水灰比多因素作用下充填体的物理力学性能关系式，从宏细观角度揭示了地层温度和养护时间长期作用下充填体物理力学性能的劣化机制。
作者：	张纪云
专业：	矿山岩土工程
导师：	王树仁;余永强
授予学位：	博士
授予学位单位：	河南理工大学
学位年度：	2022