摘要：【目的】富水砂层灾害防控是困扰隧道、深大基坑等安全施工的重大难题,常通过袖阀管向地层内渗透注浆来提高强富水弱胶结砂质地层抗渗性和承载力,其注浆结石体近似为圆柱形。【方法】为探究砂层渗透注浆柱形扩散机理,首先构建考虑迂曲效应的宾汉浆液在砂层内渗透注浆的辐射管道流柱形扩散模型,然后研制一套砂层渗透注浆柱形扩散模型试验装置,开展不同颗粒级配被注砂土、不同注浆压力和不同水灰比水泥基浆液条件下的砂层渗透注浆试验,探究浆液扩散规律,最后结合试验结果验证理论合理性。【结果和结论】结果表明:当被注砂土粒径较小且黏性土含量较高时,注浆压力对扩散半径影响较小,浆液水灰比是影响注浆扩散形态的主控因素:此时若浆液水灰比较大,则渗滤效应不显著,注浆扩散半径较大且不容易发生串浆,但砂土颗粒之间的黏结强度沿径向逐渐降低;此时若浆液水灰比较小,则渗滤效应显著,浆液扩散较短距离后孔隙空间即被完全淤堵,土层交界面会成为浆液优势扩散面,出现串浆现象。当被注砂土粒径较大且黏性土含量较低时,低压稀浆与高压浓浆条件均可使浆液在砂土内充分扩散,但砂土孔隙分布的随机性、空间差异性和颗粒型浆液扩散的迂曲效应、渗滤效应会导致注浆结石体形状不是规则的圆柱体。浆液压力在扩散方向上衰减速度先快后慢,注浆扩散半径理论计算值比试验值大6.10%~10.97%,起始注浆压力理论计算值与试验值的相对误差为–0.48%~18.62%。研究成果可为砂层渗透注浆参数设计提供理论支撑与指导。

摘要：多孔介质的迂回曲折效应对浆液在其中的渗透扩散与注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,研究考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体渗流运动方程,推导考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制;基于计算机编程技术,依托COMSOL Multiphysics平台与达西定律,二次开发得到考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制的三维数值模拟程序,并以此开展不同水灰比幂律型水泥浆液在砾石土体中渗透注浆过程的数值模拟;通过对比分析,研究理论分析、模型试验与数值模拟结果验证该理论机制。研究结果表明:采用考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值更接近注浆模型试验值,因此可较好地说明考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制较不考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机制公式更能反映幂律流体在多孔介质中的渗透注浆扩散规律。该研究成果可为多孔介质地层的实践注浆工程设计及施工提供一定的理论指导与技术参考。

摘要：为进一步完善与丰富幂律型流体的渗透注浆理论,探讨了幂律型流体的柱形渗透注浆机制.采用理论分析与实验研究等方法,以幂律型流体流变方程及渗流运动方程为基础,推导了幂律型流体柱形渗透注浆扩散机制;分析它的适用范围及参数确定方法,并设计室内注浆试验对其进行验证.结果表明:实际测量计算的幂律型流体在被注砾(砂)石体中的等效扩散半径值与由幂律型流体柱形渗透注浆扩散机理公式计算出的扩散半径理论值间虽有30%35%的差异,但都处于可接受误差范围内.幂律型流体柱形渗透注浆扩散机理在整体上能较好地反映幂律型流体在被注介质中的柱形注浆渗透扩散规律,可为实际注浆施工提供理论支撑与指导作用.

摘要：低渗透性多孔介质渗透注浆过程中存在渗滤效应,造成浆液颗粒浓度和黏度空间分布不均,严重影响注浆效果。通过一维可视化注浆试验,研究渗滤效应的发生条件及影响因素,得到考虑水灰比影响的黏度衰减率空间分布表达式,并推导出考虑黏度空间衰减的宾汉姆流体柱形渗透注浆理论公式,基于计算机编程技术,依托Comsol Multiphysics平台,二次开发得到该理论公式的二维数值模拟程序,在此基础上开展不同注浆压力和水灰比条件下的仿真分析和模型试验,对比验证该理论机制的正确性。研究结果表明,渗滤效应发生时,浆液颗粒浓度和黏度沿渗流路径明显下降,采用考虑黏度空间衰减效应的宾汉姆流体柱形渗透注浆扩散公式得到的扩散半径、渗透压力等更接近实测值。因而更好地说明渗滤效应导致的黏度空间衰减不可忽略,采用新的理论公式更能反映宾汉姆流体在低渗透性地层中发生渗滤效应时的扩散规律。该研究成果可为低渗透性地层注浆设计及施工提供一定的理论及技术支持。