化學(xué)注漿擴(kuò)散機(jī)理的透明土試驗(yàn)研究結(jié)題摘要

“化學(xué)注漿擴(kuò)散機(jī)理的透明土試驗(yàn)研究”項(xiàng)目針對(duì)注漿工程的隱蔽性以及常規(guī)模擬實(shí)驗(yàn)不能實(shí)時(shí)觀測(cè)漿液擴(kuò)散的缺陷，實(shí)現(xiàn)了注漿過(guò)程的可視化研究。 本研究采用的透明土技術(shù)是利用具有相應(yīng)折射系數(shù)的石英和孔隙流體制成的一種透明模型材料，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試，本項(xiàng)目選取熔融石英做為透明砂、溴化鈣溶液做為孔隙流體。研究表明該透明材料可以較好地模擬天然砂的巖土工程特性，特別是其滲透特性。 本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)建立了一套透明土注漿光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)和注漿實(shí)驗(yàn)設(shè)備，基于透明土實(shí)驗(yàn)技術(shù)和立體顆粒圖像追蹤技術(shù)（SPTV）實(shí)現(xiàn)了顆粒狀材料注漿過(guò)程中化學(xué)漿液擴(kuò)散的可視化研究。并建立了透明裂隙模擬裝置，對(duì)單裂隙動(dòng)水化學(xué)漿液注漿擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了可視化研究。 孔隙介質(zhì)透明土化學(xué)注漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注入靜水孔隙介質(zhì)中的漿液邊界隨時(shí)間呈明顯的是球面擴(kuò)散，擴(kuò)散半徑擴(kuò)展符合馬格（Maag）公式。 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)砂與透明砂土的顆粒流數(shù)值模擬和室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果分析可知，這兩種砂土的微觀組構(gòu)特征和宏觀力學(xué)響應(yīng)基本一致，認(rèn)為采用顆粒流原理模擬透明砂土實(shí)驗(yàn)是可行的，透明砂土可以代替標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M研究。 透明單裂隙注漿裝置，研究了單裂隙動(dòng)水化學(xué)注漿的擴(kuò)散規(guī)律和影響因素。注漿堵水效果受水流流速影響最大，受漿液凝膠時(shí)間的影響次之，受注漿量和裂隙開(kāi)度的影響相對(duì)較小。水流流速大或漿液凝膠時(shí)間短時(shí)適合用大泵量注漿而漿液凝膠時(shí)間長(zhǎng)時(shí)適合用小泵量注漿；凝膠時(shí)間短時(shí)用小泵量注漿，會(huì)導(dǎo)致漿液的擴(kuò)散面積不足而使堵水效果無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 本項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外首次利用透明土結(jié)合光學(xué)測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)注漿過(guò)程中水力劈裂裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展和漿液擴(kuò)散、凝固的可視化，進(jìn)一步闡明了土體注漿過(guò)程中化學(xué)漿液擴(kuò)散機(jī)理，以及動(dòng)水條件下單裂隙化學(xué)注漿堵水效果的影響因素，對(duì)實(shí)際工程有指導(dǎo)意義。 2100433B

注漿工程的隱蔽性以及常規(guī)模擬實(shí)驗(yàn)不能實(shí)時(shí)觀測(cè)漿液擴(kuò)散的缺陷，給注漿理論的進(jìn)一步發(fā)展造成了很大的障礙。因此，注漿過(guò)程的可視化研究顯得尤為迫切和必要。.本項(xiàng)目將開(kāi)發(fā)建立一套透明土注漿光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)和注漿實(shí)驗(yàn)設(shè)備，基于透明土實(shí)驗(yàn)技術(shù)和立體顆粒圖像追蹤技術(shù)（SPTV）來(lái)實(shí)現(xiàn)注漿過(guò)程中化學(xué)漿液擴(kuò)散的可視化研究。透明土是利用具有相應(yīng)折射系數(shù)的硅粉和孔隙流體制成的一種透明模型材料；立體顆粒圖像追蹤技術(shù)是一種先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，用來(lái)處理空間中同步相機(jī)獲取的圖像，以跟蹤顆粒的空間位置變化，獲得土體內(nèi)部三維變形和裂縫的發(fā)展。.本項(xiàng)目將在國(guó)內(nèi)外首次利用透明土結(jié)合光學(xué)測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)注漿過(guò)程中水力劈裂裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展和漿液擴(kuò)散、凝固的可視化，并利用工程實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬與模型實(shí)驗(yàn)相互印證，闡明土體注漿過(guò)程中化學(xué)漿液擴(kuò)散機(jī)理，指導(dǎo)工程實(shí)際。

項(xiàng)目的背景：本項(xiàng)目擬考慮土釘在凍融土中峰值摩阻力的計(jì)算為主要科學(xué)問(wèn)題，主要考慮數(shù)學(xué)解析建立注漿壓力和上覆土壓力改變條件下的土釘-土接觸面模型，并進(jìn)行室內(nèi)外大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，分析多個(gè)參數(shù)的變化對(duì)土釘峰值摩阻力與顯摩擦系數(shù)的影響。研究?jī)?nèi)容：本項(xiàng)目擬針對(duì)土中壓力注漿土釘?shù)姆逯的ψ枇橹饕芯繉?duì)象，根據(jù)土釘周?chē)膲毫ψ{大小分析土釘與土的界面接觸機(jī)理，結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究不同注漿壓力對(duì)土釘拉拔峰值摩阻力的影響，系統(tǒng)的分析不同飽和度與土釘峰值摩阻力的關(guān)聯(lián)性，分析壓力注漿和上覆土壓力的變化對(duì)峰值摩阻力及顯摩擦系數(shù)的影響性。重要結(jié)果：研究發(fā)現(xiàn)，基于小孔擴(kuò)張理論和土釘-土破壞面的概念可以進(jìn)行土釘峰值摩阻力計(jì)算的解析模型，結(jié)合歷史試驗(yàn)和本項(xiàng)目的室內(nèi)外模型試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了不同工況下土釘峰值摩阻力和顯摩擦系數(shù)隨注漿壓力、上覆土壓力的關(guān)聯(lián)規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)注漿壓力會(huì)和上覆土壓力相互作用影響土釘?shù)姆逯的ψ枇?。土釘?shù)哪Σ料禂?shù)對(duì)于飽和度的依賴(lài)性要明顯低于對(duì)灌漿壓力與上覆土壓力的依賴(lài)性。土釘表面粗糙度的增加利于調(diào)動(dòng)更多的土釘摩阻力，土釘?shù)姆逯的ψ枇﹄S著土釘?shù)拇植诙纫虻脑黾佣尸F(xiàn)線性增大。關(guān)鍵數(shù)據(jù)：在所有試驗(yàn)在松散和壓實(shí)的土體重摩擦系數(shù)值隨著飽和度的增加而顯著地減少，飽和度的增加會(huì)減少釘土之間的粘結(jié)力，導(dǎo)致土釘峰值摩阻力顯著降低。土釘表面粗糙度的增加利于調(diào)動(dòng)更多的土釘摩阻力，土釘?shù)姆逯的ψ枇﹄S著土釘?shù)拇植诙纫虻脑黾佣尸F(xiàn)線性增大。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了多種適合巖土工程監(jiān)測(cè)的不同種類(lèi)的傳感器研發(fā)，包括測(cè)量土壓力、小位移、溫度、傾角等的傳感器，其中傳感器的分辨率最高達(dá)到0.01kPa，位移傳感器的分辨率達(dá)到0.01mm，壓力傳感器的最高分辨率達(dá)到0.002kPa，科學(xué)意義：基于本項(xiàng)目的土釘-土的界面接觸模型，工程師可以根據(jù)基本的現(xiàn)場(chǎng)土體的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行不同壓力注漿條件下的土釘峰值摩阻力計(jì)算，該計(jì)算模型比較簡(jiǎn)單實(shí)用，同時(shí)可以考慮利用提高土釘釘孔的粗糙度、高壓力注漿來(lái)充分提高土釘?shù)姆逯的ψ枇Α?2100433B

春季我國(guó)北方地區(qū)土釘支護(hù)系統(tǒng)多因土體凍融作用可能發(fā)生破壞，凍土地區(qū)壓力注漿可以增強(qiáng)土的密實(shí)性和抗剪強(qiáng)度，而提高抗拔摩阻力對(duì)土釘是采用壓力注漿的核心目標(biāo)。本項(xiàng)目擬使用理論分析與模型試驗(yàn)方法探索凍融土中壓力注漿土釘?shù)目拱螜C(jī)理，根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果分析壓力注漿時(shí)長(zhǎng)對(duì)土釘釘孔內(nèi)水泥殘余壓力幅值的影響、土體顆粒級(jí)配與土體壓實(shí)度變化對(duì)凍土中土釘峰值摩阻力的影響、凍土融化前后土釘峰值摩阻力的變化特征；使用理論分析方法建立凍土中的土釘抗拔模型，輔助以小孔擴(kuò)張理論分析壓力注漿土釘周?chē)馏w的應(yīng)力，最終利用土釘拉拔試驗(yàn)結(jié)果與理論模型進(jìn)行相互驗(yàn)證。項(xiàng)目成果對(duì)于明確壓力注漿時(shí)土釘與凍土的接觸變化機(jī)理，理解土體凍融作用對(duì)壓力注漿土釘摩阻力的影響，對(duì)凍土地區(qū)的土釘系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用前景。

本項(xiàng)目定位于裂隙巖體水害防治這一地下工程安全防護(hù)領(lǐng)域較為突出的熱點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)高聚物注漿理論匱乏的現(xiàn)狀，擬采用模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究自膨脹高聚物注漿材料在充水裂隙中的擴(kuò)散機(jī)理。通過(guò)開(kāi)展注漿模型試驗(yàn)，研究水壓力、裂隙開(kāi)度、注漿量、時(shí)間等因素對(duì)漿液擴(kuò)散形態(tài)、范圍的影響；以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，基于聚合反應(yīng)機(jī)理和粘性流體力學(xué)理論，建立高聚物在充水裂隙中的擴(kuò)散模型；基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論，采用FVM離散高聚物-水兩相流動(dòng)系統(tǒng)的控制方程，用Levelset方法追蹤兩相流體移動(dòng)界面，用SIMPLER算法迭代求解動(dòng)量離散方程及壓力、速度修正方程，建立高聚物在充水裂隙中膨脹擴(kuò)散的仿真分析方法；以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，修正仿真模型參數(shù)和邊界條件；通過(guò)對(duì)高聚物流動(dòng)填充過(guò)程的模擬再現(xiàn)，研究流場(chǎng)分布特征，探討漿液與水的相互作用，剖析各因素對(duì)漿液擴(kuò)散行為的影響規(guī)律，揭示高聚物在充水裂隙中的運(yùn)移機(jī)制。