（岩土工程专业论文）注浆浆液在裂隙岩体网络中的流动规律研究.pdf

论文题目：注浆浆液在裂隙岩体网络中的流动规律研究 专业：岩土工程 硕士生：苏培莉( 签名) 蒸：盘鱼 指导教师：谷拴成 ( 签名) 丕盗当 摘要 注浆技术作为一种比较成熟的施工技术，在隧道工程、煤矿巷道工程、边坡工程以 及水利水电工程等领域应用非常广泛，并且实用、效果显著，利用注浆技术处理工程上 出现的各种问题，已经成为当今世界发展的一个必然趋势。但是由于注浆工程是一项隐 蔽工程，带有很多不确定因素，所以其注浆理论的发展远远跟不上注浆实践的步伐，尤 其对于裂隙岩体灌浆，由于现场裂隙的随机性，其理论发展更为缓慢，大多数研究只是 针对单一裂隙进行理论公式推导或进行现场试验来预测浆液的扩散范围，对于浆液在多 条裂隙中的流动规律研究的很少 随着计算机技术的发展，利用计算机模拟浆液在多条裂隙中的流动规律已经成为一 个必然趋势。针对于此，作者在前人研究的基础上，运用c h 编程模拟了浆液在岩体裂 隙网络中的流动规律，对浆液在裂隙网络中的流动规律研究具有一定的参考价值。本文 的研究内容主要包括：对注浆理论，包括注浆材料、注浆方法、浆液在单一岩体裂隙中 的流动规律进行了系统总结，为浆液在裂隙岩体网络中的流动规律研究奠定了理论基 础；进行了裂隙岩体网络模拟，先进行现场数据实测，然后利用数理统计的方法，判定 各个裂隙参数服从的规律分布，最后应用蒙特卡洛方法，生成裂隙岩体网络图，为浆液 在裂隙岩体网络中的流动提供了基体；通过c + + 语言编程，模拟了浆液在裂隙岩体网络 中的流动规律，使浆液在裂隙岩体网络中的流动更加直观；通过大型有限元软件 a n s y s ，对单条岩体裂隙中浆液对裂隙尖端的劈裂影响进行了数值模拟，从而可以更真 实地反映现场浆液的流动规律；并运用该程序对陕西省红石岩煤矿部分注浆孔周围浆液 的流动规律进行了模拟，为预测浆液的扩散范围提供了一种有效手段，从而可以更好的 指导现场施工 关键词：注浆；蒙特卡洛法；裂隙岩体；裂隙网络；流动规律；有限元；劈裂 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t u d y 0 1 1f l o wb e h a v i o ro fg r o u t si nf r a c t u r e dn e t w o r k s p 佻i a l t y ：g e o t e c h n i q t i e n a m e：s u p e m i n s t r u c t o r ：g us h u a n c h e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u 旧盘臣垒 ( s i g n a t u 崛盛丝辱 a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a n yi i 迁h 峙灯u d h 嘴c o n s t m c t i o n so fo u l c o u n t r y , s u c h 嬲h y d r a u l i ca n dw a t e r - p o w e re n g i n e e 血g , m i n i l 唱e n g - r i n g , t u n n e l i n g ，u n d e r g r o u n d e n g i n 豳b r i d g ea n dr o a d g i 瑚：e r i n g s u b w a y 饥g i 饿，e r i n ga n ds oo n , t h er e s e a r c ho n p r o b l e m so f g e o t e c h n i c a le n o n e e n n g i sp a i dg r a d u a l l ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sb ya l ll e v e l s o fd e p a r t m e n t s b a da 培i n 髓d n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s 瓣o f t e ni n e v i t a b l ym e ti nt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s w h i c h w en e e dt a k ee f f e c t i v e 埘旧越m 船t os o l v et oe n s t f f et h a tt h e p r o j e c t sp r o c dn o r m a l l y a sar e l a t i v e l ym a t u r ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t h eg r o u t i n g m e t h o di s a p p l i e dm o 糟e x t e n s i v e l y , p r a c t i c a l l ya n de f f e c t i v e l yc o m p a r i n gw i t ho t h e r m e t h o d s g e n e r a l l y , t h eg r o u t s s p r e a d i n gr a n g e ( t h es p r e a d i n gr a d i u s ) i s t h em o s ti m p o r t a n t1 h i n g w e a b o u tr e g a r d i n gt h eg r o u t i n gt e c h n o l o g y , s ow e na c h i e v et h ea n t i c i p a t e de f f e c t w i t h o u tw a s 吐n gt h es l u r r y t h ep r e d e c e s s o r sh a v ed o n el o t so ft h e o w t i c a lr e s e a r c h e si nt h i s a s p e c t , b u tm o s to ft h e me m b a r kf r o mt h e o r e t i c a lf o r m u l ar e a s o n i n g0 1 e x p e r i m e n t a lw o r k , a n df e wo ft h e md oa b o u tc o m p u t e rs i m u l a t i o n o nt h eb a s i so f 珥烈i c s s o 俗r e s m _ c h , c + + p r o g r a m m i n gi su s e dt os i m u l a t et h eg r o u t s f l o wb e h a v i o rb ya u t h o ri nt h i sa r t i c l e 1 1 把m a i n r e s e a r c hi sa sf o l l o w ：g - r o u t i n gt h e o r ya n dg r o u t i n gp r o c e s si ss u m m e du pi nt h es e c o n d c h a p t e ri n c l u d i n gg r o u t i n gs l u r r y , g r o u t i n gm e t h o d sa n dg r o u t s f l o wb e h a v i o ri nt h es i n g l e 丘孤t i l 鹅w h i c he s t a b l i s h e st h e o r e t i c a lb a s e sf o rg r o u t s f l o w i n gi nf i a c t u r a dn e t w o r k , f i - a c t u r e dn e t w o r ko f r o o km a 豁i sm a i n l ys i m u l a t e di nt h et h i r dd i a l 砷e lf i r s t l y , f i e l dd a t e s 躺 m e a s u i _ e d ，t h e nt h ed i s t r i b u t i o n so ff r a c t u r e s p a r a m e t e r s a r cd e t e r m i n e db yu s i n g m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i cm e t h o d , a n df i n a l l yt h ef r a c t u r e dn e t w o r ki se s t a b l i s h e db yu s i n gt h e m e t h o d s o f m o n t e c a r l o m e t h o d , w h i c h p r o v i d e s a b a s e f o r t h eg r o u t s f l o w b e h a v i o r , g r o 懈 f l o wb e h a v i o ri nt h ef r a c t u r e dn e i w o r ki ss i m u l a t e db yc 抖p r o g r a m m i n gi nt h ef o u r t h c h a p t e r , w h i c hm a k e sg r o u t s f l o w i n gm o r ev i s u a l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sd o n et ot h eg r o u t s s p l i 缸ge f f e c t so nt h es i n g l ec r a c k 卸t h r o u g hl a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f i w a l e a n s y si nt h ef i f t hc h a p t e r , s ot h ef i e l dg r o u t s f l o wb e h a v i o ri sr e f l e c t e dm o r ea c t u a l l y , f i n a l l y , t h ep r o g r a mi sp r o v e dt h r o u g hap r a c t i c a lp r o j e c t k e yw o r d s ：g r o u t i n g f r a c t u r e dn e t w o r kf l o wb e h a v i o rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s p l i t t i n g 要拜技夫孥 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：苏偿靳日期：扣7 o 牛2 5 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：苏惴李?指导教师签名：名 年垆月日 1 绪论 1 1 问题的提出 1 绪论 随着我国采矿工程、隧道工程、地下工程、桥梁与道路工程、地铁工程、冶金、水 利水电工程及其它基础设施建设等许多方面的飞速发展，岩土工程问题的研究日渐引起 各级部门的重视，而这些工程在实施过程中不可避免地会遇到恶劣的工程地质条件，如 陕西省红石岩煤矿在主副井筒上部有大面积的破坏区，距采空区垂距2 0 5 0 m 左右范围 内岩体破碎较为严重，易造成潜水和疏水通道，造成井筒严重渗漏等；新安煤矿从投产 至今，由于小煤窑的沟通，位于井田浅部的小煤窑相继被淹没后与水库水连成一体，共 发生突水1 2 次；徽杭高速公路竹岭隧道洞口山坡由于地质构造复杂，裂隙发育，造成 山体滑坡，其它行业也有类似的现象。为改善这些恶劣的工程地质条件，必须采用一定 的手段来进行处理，所采用的方法很多：包括土钉支护、锚杆支护、注浆等【“ 2 1 。 土钉支护一般适用于地下水低于土坡开挖段或经过降水措施后使地下水低于开挖 层的情况。为此，土钉适用于有一定粘结性的杂填土、粘性土、粉性土、黄土类土及含 有3 0 以上粘土颗粒的砂土边坡，不能用于淤泥和淤泥质土。此外，当采用喷射混凝土 面层或坡面浅层注浆等稳定措施，能够保证每一切坡台阶的自立稳定时，也可采用土钉 支挡体系作为稳定砂土边坡的方法。 锚杆支护的适用范围比土钉的适用范围要广它不仅适用于土体，如基坑维护结构 的支护、地下结构抗浮、防止桥台和输电塔的倾覆等，还适用于岩体结构，如矿山巷道 的加固、岩石边坡的加固、隧道衬砌加固等【2 j 。 以上两种加固方式，已在工程中得到了广泛的应用，理论、工艺都比较成熟。但与 注浆法相比，其适用范围明显次之，注浆法主要有以下突出的优点 3 1 1 4 1 ： ( 1 ) 不仅水电建设中几乎每个坝址要进行大规模的注浆，在其它土木工程建设中如 铁道、矿井、市政和地下工程等，注浆法也占有十分重要的地位，它不仅在新建工程， 而且在改建和扩建工程中都有其广泛的应用领域； ( 2 ) 化学浆材的应用使得一些特殊工程问题得以解决； ( 3 ) 劈裂灌浆技术不仅用于防渗帷幕的建立，而且已越来越多的用作提高地基承载 力和消除沉降的手段； ( 4 ) 一些较发达国家，已较普遍的在注浆施工中布设电子计算机监测系统，使得注 浆技术正从一门“艺术”向一门科学转变。 注浆技术是岩土工程学的一个分支，是一种比较成熟的施工技术。注浆是指利用液 压、气压或电化学处理的方法，通过注浆管把浆液均匀的注入地层中，浆液以充填、渗 西安科技大学硕士学位论文 透或挤密等方式，赶走土颗粒或岩石裂隙中的水和空气所占据的位置，浆液将原来松散 的土粒或裂隙胶结成一个整体，达到加固地层、防渗堵漏或者提高建筑物的稳定性和安 全性的目的。注浆技术涉及化学、流体力学、工程地质学、水文地质学、土力学、岩石 力学、材料力学、工程机械学等学科，而且还和液压技术、泵技术、射流技术、电子技 术息息相关【3 l 【4 l 。注浆技术自1 9 世纪初叶出现依始，即用于加固地基、矿井和隧道的围 岩，后来又推广应用于堵水防漏等用途嘲： ( 1 ) 大坝灌浆加固及防水 大坝灌浆始于二十世纪二十年代，主要有坝基加固和帷幕灌浆，兼有加固的双重作 用。国外典型实例主要有瑞士的m a t t m a w 大坝，塞浦路斯的y e m a s o y i a 大坝，美国的 r o c k y b e a c h 大坝，德国的f r a l l e n a u 大坝，英国的w h n b l e b a l l 大坝。在国内有葛州坝， 龙羊峡大坝，二滩电站及举世瞩目的三峡工程。 ( 2 ) 建筑物基础托换 各类房屋、塔基等，常因各种原因发生沉降并导致上部建筑物的不均匀下沉和开裂， 危及建筑物的安全和使用。用注浆法加固基础下面的孔隙和软弱土层，可以制止基础继 续下沉，而且能将建筑物回升，使不均匀沉降减小 ( 3 ) 隧道及地铁工程 隧道，尤其是水下隧道及城市地铁开挖过程中常常会遇到软弱破碎带及涌砂涌水现 象，致使工程无法正常施工。解决这些难题的首选方法之一就是灌浆法。 ( d 盾构隧道、基坑工程，管线保护等的跟踪注浆加固 当盾构向前推进时，由于盾构外径比衬砌外径大，随即出现盾尾的空隙，需采用注 浆的方式及时充填处理，减小土体挠动，防止土体坍塌，在基坑工程中，对支护结构变 形，可在壁后跟踪注浆充填法进行加固。 ( 5 ) 竖井注浆 在竖井开挖过程中，常遇到流沙和不稳定地层，用加固方法进行加固处理后再施工。 ( 6 ) 建井穿过含水层注浆 在建井工程中，会遇到井巷穿过含水层，用注浆堵水的方法，加固井巷周围的含水 层，阻止地下水向井巷施工面渗透，保证井巷顺利通过。 ( 7 ) 加固桥索支座岩体 用水泥或高强度化学浆，提高桥梁岩石支座的力学强度和完整性。 ( 8 ) 其它特殊工程的应用 例如，地下核电站工程、混凝土裂纹修补工程和混凝土壁后注浆工程等。 实践证明，注浆加固岩土体是一种便捷、经济，有效的技术方法，具有广阔的发展 前景。被灌介质主要包括土体和岩体两大类。目前，对于土体注浆技术相对较成熟嘲川， 早在1 9 3 8 年m a a g 推导出牛顿浆体在砂层的球形渗透公式，后来又出现了 2 1 绪论 砌皿e g r e e n w o o d 球形渗透公式、柱状渗透理论、宾汉姆浆体的渗透公式以及粘时交流 体在地层中的渗透公式等理论，这些理论极大的促进了注浆技术的发展。就注浆研究现 状来看，由于土体颗粒分布的相对均匀性，使其模型建立相对容易，在理论及实践中已 得到了较好的模拟。而自然界的岩体中存在着各种地质成因的裂隙，它是由裂隙切割的 岩石块体构成的实体。岩石块体的渗透性很弱，因此裂隙系统是液体赖以流动的主要骨 架。裂隙的几何分布特征、交切形式及其物理力学性质造成了裂隙岩体渗流有明显的各 向异性，注浆正是利用岩体裂隙存在的特征将所注液体有目的地压入地层，通过浆液在 裂隙中流动、凝胶，实现对岩体裂隙的封堵，达到控水、增强的目的，因此对于浆液在 裂隙中扩散情况的研究是至关重要的。研究浆液，特别是以水泥浆液为代表的宾汉姆浆 液在岩体裂隙网络中的流动规律，对提高灌浆工程的可操作性、经济性等具有重大实际 应用意义，它可以帮助我们更加准确的判断浆液的渗透范围、灌浆量的大小和完成灌浆 大致需要的时问。岩体注浆较由颗粒组成而相对均质的土体注浆要复杂的多，对于各种 岩体工程影响巨大。岩体注浆方面主要不足之处可归纳如下： ( 1 ) 岩体本身是一种复杂的介质，向岩体中注浆，其渗流机理也是千变万化。随岩 体结构、浆材性质及状态、注浆工艺、岩体含水情况等不同，浆液在岩体中渗流的方式 和形态也不同。注浆在岩体中产生一个正在形成的流场，在有利的条件下，这个流场是 受控的。但是，由于目前对岩体注浆的渗流机理研究得很不充分，在大多数情况下，只 得借助某些基于假定的理论进行估计，这就给注浆的施工控制带来了困难。 ( 2 ) 由于各地区的地质条件不同，注浆前一般要通过现场注浆实验，再结合已取得 的地质、勘探、压水和其他各项试验等有关资料作为进行基础注浆设计和编写施工技术 要求的主要参考资料，而现场注浆试验是一项比较繁杂而又细致的工作，常常需要使用 多种方法，反复的进行试验。注浆试验工程量虽然不大，但由于严格要求依照次序施工， 其工艺又多是探索和试验性的，同时因施工场地小，使用的钻机数目受限，因此注浆试 验施工时问可能比较长嗍。 ( 3 ) 岩体裂隙注浆只能对单一裂隙或均匀分布的裂隙进行模拟实验，难以反映现场 复杂的裂隙分布情况。目前，有关裂隙注浆扩散的理论分析多是根据工程类比并基于土 体注浆理论基础之上，结论很粗糙，难以反映浆液的真实扩散情况。 “) 浆液在裂隙岩体中的渗流不仅取决于浆液和注浆压力，也取决于裂隙的宽度、 密度、迹长等。而自然界岩体中的裂隙分布是随机的，不可能准确的测出每一条裂隙的 分布和总的裂隙条数。 随着计算机技术的飞速发展，其在各个领域的应用范围也越来越广就土木工程领 域来说，前人已经开发出了很多软件，典型的有大型有限元软件a n s y s 、f “幅2 d 、f l a c 一 3 d ，离散元软件u d e c 2 d 、u d e c d d ，还有其它软件如p k p m 、s a p 、m a r c 等。 鉴于上述的不足和计算机的广泛应用，开发一套程序来模拟浆液在裂隙网络中的流 3 西安科技大学硕士学位论文 动具有重要的现实意义，这样可以： ( 1 ) 可以反映现场复杂的裂隙分布状况； ( 2 ) 可以减少现场注浆试验的规模，节约投资； ( 3 ) 可以更真实、直观地反映浆液的流动状态； “) 通过模拟可以进行注浆参数设计并预测实际注浆效果，从而可以更好的指导实 际工程施工 对于本课题的研究是对计算机应用于注浆领域的一个有益尝试，也为裂隙注浆研究 提供了一个崭新的方法和思路 1 2 注浆理论在国内外的研究动态及发展趋势 1 2 1 注浆技术的发展概况 注浆技术的发展趋势包括三个方面：注浆材料的发展，注浆理论的发展及其注浆工 法的发展h 。 ( 1 ) 注浆材料的发展 我们知道，从1 8 0 2 年到1 8 5 7 年期间，注浆材料以粘土，火山灰以及生石灰为原料 等简单材料为主，随着注浆法的日益发展，新的注浆材料不断出现，按时间可以分为初 级阶段，水泥基注浆阶段以及化学注浆三个发展阶段： 初级阶段：主要采用石灰和粘土，法国人查理斯贝里格尼在修理第厄普冲刷闸时， 用一种冲击简装置，人工捶击方法向地层挤压粘土浆液，被称为注浆的开始。 水泥基注浆阶段：浆液主要是粒状悬浊液。1 8 2 6 年，英国的阿普斯丁研制成功硅酸 盐水泥。1 8 6 4 年，巴洛利用水泥浆液在隧洞衬砌背后注浆1 9 2 4 年，为了处理旧丹那 隧道的涌水事故，也使用了水泥浆液。 化学注浆阶段：1 9 2 0 年，荷兰采矿工程石尤登斯首次采用水玻璃氯化钙双液系统 二次压注法，被认为是化学注浆技术的开始。5 0 年代，美国研制了粘度接近水，凝胶时 间可任意调节的丙烯酰胺类浆液，接着研制出了木质素类、脲醛树脂类、丙烯酸盐类以 及环氧树脂类等性能各异的注浆材料。 ( 2 ) 注浆理论的发展 随着化学注浆的出现和发展，注浆理论和工艺相继产生。目前的注浆理论主要有渗 透型注浆理论和劈裂型注浆理论。渗透注浆是指在压力作用下，浆液充填土的孔隙和岩 石的裂隙，捧挤出孔隙中的自由水和气体，而基本上不改变原来的岩体或土体的结构和 体积，所用注浆压力较小。代表性的渗透型注浆理论主要有球形扩散理论、柱型扩散理 论和袖套管理论。1 9 3 8 年马格发表了在颗粒材料中注浆的简化理论。该理论假设浆液在 均匀、各向同性介质中流动时，按球形扩散流动，从而使注浆压力流量扩散半径， 4 1 绪论 浆液的粘度，地层空隙性及渗透性等因素联系起来，随后出现了柱状渗透理论和袖套管 理论劈裂注浆是指在压力的作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石 和土体的破坏和扰动，使其沿垂直主应力面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙、 浆液的可灌性和扩散性增大，所需的注浆压力较高。 ( 3 ) 注浆工法的发展 注浆理论的发展带动着注浆工法的发展。除简便的钻杆和过滤管注浆法外，由于化 学注浆凝胶时间短，大多是同时注入两种浆液，根据两种浆液的混合方式研制出不同的 注浆方法及孔内设置。随着注浆技术的广泛应用和深入研究，逐步形成渗透注浆、压密 注浆、复合注浆等理论和工法。 “) 注浆旌工属于隐蔽工程，因此，质量控制主要靠施工过程的监控。传统的控制 方式主要有流量控制、压力控制。实际上，流量和压力都是随时间而变动的，单纯靠一 个指标，即总注浆量或注浆终压控制注浆过程都是不科学的。目前，国内外已发展了注 浆过程监控手段，可动态跟踪监测注浆过程流量和压力的变化，并且已积累了大量的实 测资料，但如何用这些成果解释和指导施工，目前还缺乏又说服力的论证嘲。 注浆效果检测是评价注浆工程的主要手段。目前，国内外关于注浆效果的检测大体 上通过取样试验和现场检测进行，如下表1 1 所示 表i i 注浆效果检验项目及方法 1 2 2 国内外地下注浆领域的研究现状 目前，根据地质条件、注浆压力、浆液对土体的作用机理、浆液的运动形式和替代 方式，可将几种注浆理论大致分为充填注浆、渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆。 充填注浆是指被灌注介质中含有大量的裂隙、空洞、溶洞等结构物。注浆的目的是 为了充填这些结构物。 渗透注浆是指在不改变地层结构和颗粒捧列方式的情况下，浆液沿着岩土地层孔隙 和裂隙渗透，并胶结地层颗粒。 5 西安科技大学硕士学位论文 挤密注浆是指用较高的压力注入浓度较大的浆液，从而使浆液在注浆孔周围挤压土 层，使土层致密加固。 劈裂注浆是指在低渗透介质中，浆液在较高的压力作用下克服地层的阻力，使介质 在高压作用下发生劈裂，浆液沿着劈裂裂隙运动并充填。 以上几种注浆理论，渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆都是针对单一的灌注介质而言， 其浆液的扩散模式也较为单一，并不完全适用于裂隙岩体注浆的实际。浆液的扩散模式 随裂隙系统的不同而差异较大 按被注介质的特征，岩体注浆理论可归类为多孔介质注浆理论、拟连续介质注浆理 论、裂隙介质注浆理论、孔隙和裂隙双重注浆理论1 6 1 1 7 。多孔介质注浆理论主要代表有： m a a g 球形扩散公式，r a f f l e - c n e e n w o o d 和k a r o l 球形扩散公式，柱形扩散公式，袖阀管 理论，粘时交流体渗透规律柱面扩散公式；拟连续介质注浆理论主要是通过等效原理 把裂隙中的浆液流动等效平均到整个岩体中，然后运用连续介质理论进行分析；裂隙介 质注浆理论对于牛顿浆液典型的代表有刘嘉材公式、贝克( b a k e r ) 公式等，对于宾汉 姆浆液典型的代表有维特科( w i t t k e r ) 和沃尔尼( w a n n e r ) 公式、h b 公式、& l o m b a d i 公式、苏联学者b a 哈妙宁公式等。 上述研究只限于单一裂隙，且均假定裂隙面光滑；裂隙宽度一定，且不随注浆压力 改变；浆液在裂隙内的流动为层流。 为了能更真实地反映裂隙岩体中浆液的流动，i - i a s s l e r 、郝哲、杨米加、罗平平等对 裂隙岩体网络灌浆都进行过有益的尝试，他们都是根据裂隙网络交叉特征，把裂隙交叉 点作为节点，节点与节点之间的裂隙作为线单元，每个线单元流向共同节点的流量之和 等于零( 稳定流) 或等于存储量的变化量( 非稳定流) ，依次建立灌浆渗流连续条件的 控制方程，结合初始条件和边界条件建立了裂隙岩体灌浆数值模型。h a s t i e r 和郝哲研究 的是牛顿浆液，没有考虑裂隙变形对灌浆的影响。杨米加建立了裂隙岩体注浆模型，研 究了宾汉姆浆液的渗透规律，所建立的是等宽裂隙网格，模型中的流速为宾汉姆浆液在 水平裂隙中的平均流速。罗平平建立的裂隙网络模型，考虑了注浆压力导致裂隙的扩张 和岩体的变形，裂隙的张开引起注浆量的增加 s - q g l 6 4 1 。 1 2 3 今后的发展方向 虽然注浆技术在土木工程领域里有了广泛的应用，但其理论还远远跟不上实践的步 伐，所以对其理论研究应进行加强。今后可能向以下几个方向发展【6 】啊： ( 1 ) 应加强非牛顿流体特性研究。 ( 2 ) 研究浆液在多组宽度不等的裂隙网络中的流动规律； ( 3 ) 分析浆液的固液耦合； “) 研究双重介质注浆理论，不是假设浆液在裂隙中流动，就是在孔隙中流动； 6 l 绪论 ( 5 ) 研究浆液在各向异性岩土中的渗透流动规律； ( 6 ) 研究非溶性和粘时变浆液的注浆扩散理论； 应完善岩体结构理论。 1 3 主要研究内容 本文在前人研究的基础上，进一步对浆液在裂隙网络中的流动规律进行了分析研 究，主要内容包括； ( 1 ) 总结了前人的研究成果，包括注浆技术的发展概况、目前国内外研究现状以及 发展方向； ( 2 ) 对注浆理论包括注浆材料、浆液在单一裂隙中的流动规律以及注浆工艺进行了 系统分析总结，为浆液在裂隙岩体网络中的流动奠定了理论基础； ( 3 ) 进行了岩体裂隙网络模拟，先进行现场数据实测，然后利用数理统计的方法， 判定各个裂隙参数服从的规律分布，最后应用蒙特卡洛方法，生成岩体裂隙网络图，为 浆液在岩体裂隙网络中的流动提供了基体； “) 通过c + + 语言编程，模拟了浆液在裂隙岩体网络中的流动； ( 5 ) 通过大型有限元软件a n s y s ，对单条岩体裂隙中浆液对裂隙尖端的劈裂影响进 行了数值模拟，从而可以更真实地反映现场浆液的流动规律； ( 6 ) 运用该程序对陕西省红石岩煤矿部分注浆孔周围浆液的流动规律进行了模拟， 为预测浆液的扩散范围提供了一种有效手段，从而可以更好的指导现场施工 7 西安科技大擘硕士学位论文 2 1 前言 2 岩土体注浆理论基础及工艺 2 1 1 注浆概述 注浆技术是岩土工程学的一个分支。注浆又称灌浆，是指利用液压、气压或电化学 处理的方法，通过注浆管把浆液均匀的注入地层中。浆液以充填，渗透或挤密等方式， 赶走土颗粒或岩石裂隙中的水和空气所占据的位置，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结 成一个整体，达到加固地层或防渗堵漏的目的1 4 它是岩土工程中- - n 专业性很强的学 术分支，用注浆处理各种岩土工程问题已成为一种普遍使用的方法。随着注浆技术的逐 渐成熟以及各项工程建设事业的更大发展，它的应用范围会越来越大，用途越来越广， 成为解决工程问题一种很有效的手段。因此，继续发展注浆技术，研究注浆理论和注浆 控制方法具有很重要的意义。 2 1 2 注浆分类 注浆的分类较多，根据注浆压力分为静压注浆和高压喷射注浆两大类1 4 】，分类方法 如下： ( 1 ) 静压注浆 一般压力较低，注浆压力随着浆流遇到的阻力增大而升高，浆液注入后为流动状态。 因此，将其称为静压注浆，通常所说的注浆泛指静压注浆。根据地质条件、注浆压力、 浆液对土体的作用机理、浆液的运动形式和替代方式可将静压注浆分为四种： 充填或裂隙注浆( f i l lo rf i s s u r eg r o u t i n g ) 大洞穴、构造断裂带、隧道衬砌壁后注浆。岩土层面、岩体裂隙、节理和断层的防 渗、固结注浆。 渗透注浆( p e r n e a t i o ng r o u t i n g ) 在不破坏地层颗粒摔列的条件下，浆液充填于颗粒裂隙间，将颗粒胶结成整体。渗 流注浆的必要条件浆液的粒径远小于土颗粒的粒径 压密注浆( c o m p a c t i o no r o u t t n g ) 压密注浆是注入极稠的浆液，形成球形或圆柱形浆泡，压密周围土体，使土体产生 塑性变形，但不使土体产生劈裂破坏 劈裂注浆( h y d r o f r a c t u r eg r o u t i n g ) 劈裂注浆是浆液在孔内随着注浆压力的增加，先压密周围土体，当压力达到一定程 8 2 岩土俸注浆理论基础及工艺 度时，浆液流动使地层产生劈裂，形成脉状或条带状胶结体。劈裂注浆主要用于土体加 固，但在6 0 - 7 0 年代，水电部门将劈裂注浆用于土坝坝体和软弱地基的防渗处理。劈裂 注浆也用于裂隙岩体的防渗与补强。 ( 2 ) 高压喷射注浆 高压喷射注浆一般压力( 2 0 7 0 m p a ) 较高，流体在喷嘴外呈射流状。根据喷射管 的类型将高压喷射注浆分类如图2 1 ，一i 单管法( c c p 法) f单管法i ij 单譬分喷法 i： i ： i 浆气双管法( j i x 法) i 双管法 j il ji 水浆双管法 高压喷射注浆弋f 水，气、浆一次切割法( c g p 法) f 三管法 l ii 水气、浆气两次切割法( k i p 法 l 、 lr 土壤超稳定管理旌工法( s s s - h a n 法 i 多管法 、- 【全方位大孔径旋喷法( m ，s 法) 图2 1 高压喷射注浆分类 2 2 注浆材料及选材要求 2 2 1 概述 注浆材料的发展有着悠久的历史，早期入们使用水泥为主要的注浆材料，1 9 世纪后 期，注浆材料从水泥浆材发展到以水玻璃类浆材为主的化学浆材。二次世界大战之后， 化学浆材得到飞速发展，尤其是近3 0 多年来，有机高分子注浆材料发展迅速。注浆材 料大体分为无机系和有机系两大类1 3 m 4 1 。 注浆加固离不开浆材，而浆材品种和性能的好坏。又直接关系着注浆工程的成败、 质量和造价，因而注浆工程界历来对注浆材辩的研究和发展极为重视。注浆工程中所用 的浆液是由主剂、溶剂及各种外加剂混合而成。 2 2 2 无机系注浆材料 ( 1 ) 水泥浆材 9 西安科技大学硕士学位论文 在地下水无侵蚀的情况下，一般采用普通硅酸盐水泥。这种浆液是一种悬浊液，能 形成强度较高和渗透性较小的结石体。它取材容易，配方简单，价格便宜，不污染环境， 既适用于岩土加固，也适用于地下防渗。缺点是可注性较差，浆液结石率低，稳定性较 差，浆液凝固时间较长，容易流失造成浆液的浪费。 水泥浆的水灰比，一般变化范围为0 5 - 2 0 ，常用的水灰比是l ：1 。为了调节水泥 的性能，有时可加入速凝剂或缓凝剂等附加剂。常用的速凝剂有水玻璃和氯化钙，其用 量约为水泥重量的( 1 - 2 ) ，常用的缓凝剂有木质素、磺酸钙和酒石酸，其用量约为 水泥重量的( 0 1 2 o 5 ) 。 ( z ) 粉煤灰水泥浆 粉煤灰掺入普通水泥中作为注浆材料使用，其主要作用在于节约水泥，降低成本和 消化三废材料，具有较大的经济效益和社会意义，近几年这类浆材已在国内些大型工 程中使用，获得成功。 对水工建筑物来说，粉煤灰水泥浆材的突出优点还在于粉煤灰能使浆液中的酸性物 含量增加，它们能与水泥水化析出的部分氢氧化钙发生二次反应而生成水化硅酸钙和水 化铝酸钙等较稳定的低钙水化物，从而使浆液结石的抗溶蚀能力和防渗帷幂的耐久性提 高。 在灌浆过程中使用粉煤灰应注意几点： 烧失量宜较低，一般不宜大于4 8 ： 粉煤灰的颗粒比水泥要租一些，但水泥粉煤灰浆材一般是在孔隙较大的地层中 为了节约水泥才使用，固粉煤灰不用磨细或分选，可直接掺入浆中。粉煤灰的用量可高 达1 0 0 ，但结石强度将大大降低。因此，灌浆前应根据具体条件进行仔细配方实验。 ( 3 ) 粘土水泥浆 粘土是含水的铝硅酸盐，其矿物成分为是高岭石、蒙脱石及伊利石三种基本成分。 以蒙脱石为主的土叫膨润土，它是一种水化能力极强、膨胀性大和分散性很高的粘性土， 在国内外工程中被广泛应用。粘土由于分散度高和亲水性好，因而沉淀析水性较小，在 水泥原液中加入粘土后，使浆液的稳定性大大提高。 在水泥浆液中掺入加入膨润土后，大大提高了浆液的稳定性，增加了浆液流动性， 但加入粘土( 掺量一般为5 1 5 ) 后影响了水泥的水化反应，延长了浆液的凝结时间， 降低了结石体的强度且耐久性较差。因此，粘土水泥浆一般不宜作为加固灌浆材料，而 作为充填材料。 “) 超细水泥 一般普通的水泥浆也很难注入宽度小于o 2 i n l n 的岩体裂缝中。随着超细水泥的出 现，解决了水泥浆可注性差的问题。它既有化学浆液良好的可注性，同时又有水泥浆 液结石体的力学性能，对地下水和环境无污染，而且价格较低。超细水泥是由极细的水 1 0 2 岩土体注浆理论基础及工艺 泥颗粒( 平均粒径为4 z m ) 组成的无机材料。 ( 5 ) 水泥水玻璃浆材 水泥水玻璃浆液亦称c s 浆液。c 代表水泥，s 代表水玻璃。是以水泥和水玻璃为 主剂，两者按照一定的比例以双液方式注入，必要时加入附加剂组成的注浆材料。对于 水泥水玻璃浆液，根据工程的需要，般可分为加固和堵水两方面。对于堵水，特别是 水压较大，水流速度较快或充填岩土的大孔隙，要求浆液的凝结时间短且具有一定的抗 压强度。 水泥浆中加入水玻璃有两个作用，一是作为速凝剂使用，掺量较少，一般约占水泥 重量的3 5 ；另一种是作为主材料使用，掺量较多。结合各地经验。永泥水玻璃浆 材的适宜配方大体为：水泥浆的水灰比为o 8 ：1 1 ：l ；水泥浆与水玻璃的体积比为1 ： 0 6 - - 1 ：0 8 。水玻璃的模数值为2 4 2 8 ，波美度3 0 - 4 5 2 2 3 有机注浆材料 ( 1 ) 聚氨酯类 此浆液灌入地层后，遇水即反应生成聚氨酯泡沫体，其加固地基和防渗堵漏的作用。 具有以下一些特点： 浆液黏度低，可灌性好，结石有较高的强度，可与水泥灌浆相结合，建立高标 准防渗帷幕； 浆液遇水反应，可用于动水条件下堵漏，封堵各种形式的地下地面及管道漏 水，封堵牢固，止水见效快； 安全可靠，不污染环境； 耐久性好； 操作简便，经济效益高。 ( 2 ) 丙烯酰胺类 有主剂丙烯酰胺，引发捌过硫酸胺等组成，其主要特点为： 浆液属于真溶液，可灌性远比目前所有的灌浆材料都好； 浆液从制备到凝结所需的时间可在几秒钟至几小时内精确的控制，而其凝结过 程不受水和空气的干扰或很少干扰； 浆液的黏度在凝结前维持不变，这就能使浆液在灌浆过程中维持同样的渗入性。 而且浆液的凝结是立即发生的，凝结后的几分钟内就能达到极限强度，这对加快施工进 度和提高灌浆质量都是有利的； 浆液凝结后，凝胶本身基本上不透水，耐久性和稳定性都好，用于永久性灌浆； 浆液能在很低的浓度下凝结。因此，丙凝灌浆的成本相对较低； 浆液能用一次注入法灌浆，因而施工操作比较简单 西安科技大学硕士学位论文 丙凝的主要缺点是浆材有一定的毒性，反复和丙凝酰胺粉接触会影响中枢神经系 统，对空气和水也有一定的影响 ( 3 ) 木质素类浆材 木质素类浆材是以纸浆废液为主剂，加入一定量的固化剂所组成的浆液。源广价廉， 是一种很有发展前途的灌浆材料。木质素浆材目前包括铬木素浆材和硫木素浆材，其中， 铬木素浆材可能对地下水造成污染，因此，国内有关部门进行了研究，逐步从有毒到低 毒，从低毒到无毒，最后出现了硫木素浆材 “) 丙烯酸盐类 丙烯酸盐类是一种性能指标与丙烯酰胺相似的注浆材料，但其毒性远比丙烯酰胺低 得多。水溶液型丙烯酸盐浆液粘度低、低毒、凝固点低、凝胶时间可调，凝胶体具有一 定的强度和弹性，可用于岩体、土层和混凝土等的细微裂隙注浆止水和防渗。 ( 5 ) 脲醛树脂类 脲醛树脂是有尿素和甲醛缩合而成的一种高分子聚合物。以它为主剂的注浆材料粘 度不大，强度较高，具有一定的抗渗能力，价格较低，特性如下： 由于脲醛树脂是水溶性的，浆液可用水稀释。在满足聚合体的强度和其它要求 的基础上，可合理的稀释浆液以达到降低粘度和成本的目的； 固结体强度与浆液浓度及催化剂的品种有关。当浆液浓度为4 0 5 0 时，用硫 酸作为催化剂的固结体强度为4 0 8 0 m p a ： 改变催化剂的用量，可以使浆液的凝结时间在几十秒到几十分钟内调整。 2 3 宾汉姆流体渗流力学机理研究 2 3 1 非牛顿液体的流变性和分类 根据流体流动的切应力与速度梯度之间的关系，可以将流体分为牛顿流体和非牛顿 流体两种。凡是流体流动时的切应力与速度梯度之间的关系符合牛顿内摩擦定律的，叫 做牛顿流体，牛顿内摩擦定律的一般形式如式： f ：拿( 2 1 ) n r 式中：f 切应力： p 动力粘滞系数； 拿速度梯度。 留 凡是流体的切应力与速度梯度之间的关系不符合牛顿内摩擦定律成为非牛顿流体。 对于流变性与时间无关的非牛顿流体基本上分为三类：宾汉姆流体假塑性流体和膨胀 1 2 2 岩土体注浆理论基础及工艺 性流体。图2 2 中给出了不同类型的非牛顿流体的流变曲线。 图2 2 非牛顿流体的流变曲线 2 3 2 浆液的流变特性 当水灰比接近或小于1 时，水泥浆由牛顿流体转变为宾汉姆流体。由于宾汉姆流体 具有复杂的力学性质，因而其通过多孔介质的渗流力学问题和在岩体裂缝中的流动、扩 散和充填机理，尚处于研究阶段。 ， 宾汉姆流体又称塑性流体，是非牛顿流体的一种，其流动特点是当流体开始受到外 力时不流动，其性质表现为固体的性质。当剪应力逐渐增大，达到某个临界值时，它才 开始流动，这个临界值叫做屈服应力。流动以后，随剪速增大，剪切应力逐渐增大，其 本构方程为： f = f o 石d u ( 2 2 ) 式中：一屈服应力； ，7 ，塑性粘度： 掣速度梯度。 对于宾汉姆流体，开始流动时存在一个初始压力梯度，也就是克服“所需的压力梯 度，显然，当岩体中的浆体所受压力梯度大于始动压力梯度时，流体开始流动。其渗流 的运动方程为： 甜一寺( 害+ 名)0 剖 无害 。) g 国 删 吲 产 j 夕 ， l ，f l y y j。 ， 荔 夕 一 l 纱 么 一 il i 一 h 爱翟度 _ 圈2 7 灌浆压力与灌浆深度关系曲线图 地面有附加压重时，可按下式计算： 兄 = + 七，h 式中： 最 有附加压重时的容许灌浆压力( k p a ) ； 2 1 她一千赍寓毫石 麓千最譬定置掌d i 千置上一下t t 喀 i ， o 锄 ( 2 2 7 ) 西安科技大学硕士学位论文 七一系数，一般取七= l 3 ； ，压重层的重度( k p a m - 3 ) ； | i i 压重层厚( m ) 。 对岩石地基进行灌浆时，考虑灌浆方法和地质条件的经验公式为： b = 只+ m d( 2 2 s ) 式中： r 容许灌浆压力，x l o p a ： 最地面段容许灌浆压力，1 0 5p a ； m 灌浆段每加深1 o m 容许增加的压力值，x 1 0 5p a ； d 一灌浆段深度，m p o 和m 值可查表2 2 。 表2 2 巴和m 值选定表 除地质条件和灌浆方法外，还考虑浆液浓度对灌浆压力影响的经验公式： k 】_ 九+ 一m 慨一日) 一瓴 一扎) ( 2 2 9 ) 式中： 只 容许灌浆压力( o 1 m p a ) ； 昂她下水静压力( 0 1 m p a ) ： ，压重