【摘要】：劈裂注漿是一種通過施加壓力將漿液注入土體中以改善其工程性質(zhì)的施工技術(shù)。劈裂注漿在提高承載力、降低滲透性、補(bǔ)償隧道施工引起的地表沉降等方面都已應(yīng)用并取得好的效果。在軟粘土地基中,注漿形成有分支的漿脈骨架并且壓縮其周圍的粘土,導(dǎo)致復(fù)合體壓縮模量的顯著增加和滲透性的降低。目前為止,劈裂注漿施工主要是依賴于經(jīng)驗(yàn)�，F(xiàn)有的研究大多集中在水力劈裂的啟裂機(jī)理和啟裂壓力的確定,而對(duì)于啟裂后的裂縫擴(kuò)展過程、裂縫擴(kuò)展方向和裂縫形狀、加固效果及影響規(guī)律的研究很少,尤其是對(duì)于土體中水力劈裂的研究,目前還沒有一種計(jì)算方法來描述土中裂縫的形狀和擴(kuò)展。究其原因主要是針對(duì)水力劈裂的研究手段不足。因?yàn)樗ε咽窃趲r土體內(nèi)部產(chǎn)生,又涉及到流固耦合的作用,不容易被觀察和測量。然而由于缺乏系統(tǒng)的試驗(yàn)和研究,在注漿基本理論、注漿材料的選擇及配比、施工工藝以及質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)等方面大都以經(jīng)驗(yàn)為主,沒有形成一套完善的方法體系,給設(shè)計(jì)和施工帶來困難。本文針對(duì)現(xiàn)有成果的不足,以漿脈形狀對(duì)注漿加固和防滲效果影響以及控制為重點(diǎn)開展研究,主要的研究內(nèi)容和成果如下:(1)采用足尺劈裂注漿試驗(yàn),觀察了漿脈的啟裂和擴(kuò)展過程,測量了不同水灰比下漿脈周圍粘土的強(qiáng)度、滲透系數(shù)、壓縮模量和干密度,并與未注漿粘土進(jìn)行了對(duì)比,同時(shí)測量了由粘土和注漿體構(gòu)成的復(fù)合體的壓縮模量和滲透系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在劈裂注漿中,注漿效果不僅受注漿材料配比的影響,漿脈的形狀對(duì)劈裂注漿效果有很大的影響。(2)現(xiàn)有的研究多集中在啟裂壓力、擴(kuò)散半徑的確定,而在加固效果及影響規(guī)律方面的研究十分缺乏。通過建立注漿加固復(fù)合體壓縮模量和滲透系數(shù)的理論計(jì)算公式,定量研究漿脈形狀對(duì)注漿加固效果的影響規(guī)律,分析了漿脈形狀對(duì)加固和防滲效果的影響規(guī)律,具體計(jì)算了漿脈角度、長度、長寬比、土體壓縮的影響,結(jié)果表明漿脈的形狀對(duì)注漿加固和防滲效果有著重要的影響,且在不同土體中具有不同的影響規(guī)律。(3)通過現(xiàn)場注漿后的開挖和室內(nèi)模型試驗(yàn),國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)劈裂注漿的水力壓裂階段的進(jìn)行了一些研究。然而,水力壓裂階段的發(fā)展過程很難直接觀察到,位于土體內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展通常由間接測量推斷出來的。近年來,隨著計(jì)算機(jī)仿真模擬的發(fā)展,有限元方法為劈裂注漿的研究提供了新的思路。提出采用有限元法(FEM)和流體體積函數(shù)(VOF)來模擬土體中的劈裂注漿過程。數(shù)值模型采用了流體、應(yīng)力和損傷耦合的分析方法來模擬裂縫的擴(kuò)展過程,漿液的水化過程通過漿液彈性模量和粘度隨著時(shí)間變化來描述。數(shù)值模擬呈現(xiàn)了均勻土體和非均質(zhì)土體中的裂縫啟裂、二次劈裂和漿脈的擴(kuò)展過程。所提出的數(shù)值方法不僅能模擬劈裂注漿,但也可以呈現(xiàn)壓密注漿和滲透注漿的全過程。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場和試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性,進(jìn)一步證明了該方法的適用性和準(zhǔn)確性。(4)現(xiàn)階段的注漿技術(shù)主要是建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)的,僅有的一些理論也多來自于石油鉆井壓力的一些研究成果。這些成果多集中在在巖石地層中啟裂壓力的研究,而對(duì)于影響注漿加固和防滲效果的因素研究較少,特別是關(guān)于啟裂后漿脈的擴(kuò)展以及所形成漿脈的形狀的研究,以及如何控制漿脈的形狀,以達(dá)到最優(yōu)的加固和防滲效果的研究幾乎是空白。本文針對(duì)劈裂形成漿脈的形狀,采用提出的模擬方法對(duì)劈裂注漿參數(shù)和工藝的影響進(jìn)行分析,研究相關(guān)的規(guī)律以及控制漿脈形狀的參數(shù)和工藝。(5)將研究成果應(yīng)用于具體工程實(shí)例。針對(duì)實(shí)際工程注漿效果不理想的情況,通過模擬分析,提出新的注漿方案,優(yōu)化了注漿工藝,提升了注漿效果,保證了工程的安全施工,也驗(yàn)證本文研究結(jié)論的正確性。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U455
【圖文】：

量為５％膨潤土，ＷＣＲ為０．６），圍壓為１４０ｋＰａ。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｏｆ邋Ａｕ邋ｅｔ邋ａｌ．［４？１．邋Ｔｈｅ邋ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ｃｅｍｅｎｔ－ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｇｒｏｕｔ邋（５％邋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｗｉｔｈ邋ｒｅｓｐｅｃｔ逡逑ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｗｅｉｇｈｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗａｔｅｒ邋ａｎｄ邋ａ邋ＷＣＲ邋ｏｆ邋０．６）邋ｉｎ邋ｋａｏｌｉｎ邋ｃｌａｙ邋ｆｏｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ＯＣＲ邋ｖａｌｕｅｓ．邋Ｔｈｅ邋ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ逡逑ｓｔｒｅｓｓ邋ｗａｓ邋１４０邋ｋＰａ．逡逑八１１等［４７］在固結(jié)至１４０邋ｋＰａ的高嶺土中注入環(huán)氧樹脂，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)較薄的裂縫逡逑（圖１－２）。八１１等［４７］和＆0�。扪荆车龋郏矗福莸脑囼�(yàn)表明，使用水泥－膨潤土灌漿，裂縫的形狀逡逑取決于灌漿的水灰比（ＷＣＲ）和粘土的超固結(jié)（ＯＣＲ）。Ｃｈａｎｇ［４４］Ｗ究了注漿參數(shù)逡逑和土體特性的影響。該試驗(yàn)采用直徑０．２８ｍ，高０．４６ｍ的注漿罐，注漿漿液為石膏逡逑漿。圖１－３顯示了土體對(duì)漿脈形狀的影響。逡逑３逡逑

ｃ）邋Ｙｏｕｎｅｓ［４５］邐ｄ）邋Ｋｌｅｉｎｌｕｇｔｅｎｂｅｌ＃６］逡逑圖１－１粘土中的劈裂和砂土中的團(tuán)形漿脈逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｖａｒｉｏｕｓ邋ａｔｔｅｍｐｔｓ邋ｔｏ邋ｃｒｅａｔｅ邋ｆｒａｃｔｕｒｅｓ邋ｉｎ邋ｓａｎｄ邋ｏｒ邋ｓａｎｄ邋ｕｓｉｎｇ邋ｇｒｏｕｔ邋ｗｉｔｈ邋ａ邋ｗａｔｅｒ－ｃｅｍｅｎｔ邋ｒａｔｉｏ邋ｏｆ逡逑０．５邋ｔｏ邋１．逡逑ｍ逡逑Ｉ邋Ｉ—邋ｌｏＣＲ，邐（＞ＣＲ，逡逑圖１－２邋Ａｕ等人的研宄結(jié)果［４？１，在不同ＯＣＲ值的高嶺土中注入水泥－膨潤土漿液（相對(duì)于水的重逡逑量為５％膨潤土，ＷＣＲ為０．６），圍壓為１４０ｋＰａ。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｏｆ邋Ａｕ邋ｅｔ邋ａｌ．［４？１．邋Ｔｈｅ邋ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ｃｅｍｅｎｔ－ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｇｒｏｕｔ邋（５％邋ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ邋ｗｉｔｈ邋ｒｅｓｐｅｃｔ逡逑ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｗｅｉｇｈｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗａｔｅｒ邋ａｎｄ邋ａ邋ＷＣＲ邋ｏｆ邋０．６）邋ｉｎ邋ｋａｏｌｉｎ邋ｃｌａｙ邋ｆｏｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ＯＣＲ邋ｖａｌｕｅｓ．邋Ｔｈｅ邋ｃｏｎｆｉｎｉｎｇ逡逑ｓｔｒｅｓｓ邋ｗａｓ邋１４０邋ｋＰａ．逡逑八１１等［４７］在固結(jié)至１４０邋ｋＰａ的高嶺土中注入環(huán)氧樹脂，發(fā)現(xiàn)了相對(duì)較薄的裂縫逡逑（圖１－２）。八１１等［４７］和＆0�。扪荆车龋郏矗福莸脑囼�(yàn)表明，使用水泥－膨潤土灌漿，裂縫的形狀逡逑取決于灌漿的水灰比（ＷＣＲ）和粘土的超固結(jié)（ＯＣＲ）。Ｃｈａｎｇ［４４］Ｗ究了注漿參數(shù)逡逑和土體特性的影響。該試驗(yàn)采用直徑０．２８ｍ，高０．４６ｍ的注漿罐，注漿漿液為石膏逡逑漿。圖１－３顯示了土體對(duì)漿脈形狀的影響。

注漿體的形狀更像“裂縫”，而在混合砂／桂粉中則沒有薄裂縫產(chǎn)生。逡逑Ｃｈｏ［４９ｌ進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，采用氣壓控制注漿壓力，注入了一種環(huán)氧樹脂，＇而逡逑不是水泥膨潤土漿液。他把漿脈形狀分成三類：團(tuán)狀、過渡狀、片狀（圖１＞４）。逡逑他發(fā)現(xiàn)粗砂（６００ｕｍ）和高粘度（２０００邋ｃｐ）漿液會(huì)導(dǎo)致團(tuán)狀，而細(xì)砂（７５邋ｕｍ）和逡逑低粘度（５００邋ｃｐ）漿液會(huì)導(dǎo)致片狀灌漿體。較低的注入速度（０．１５邋ｍｌ／ｓ）和較低的逡逑相對(duì)密度導(dǎo)致厚板狀灌漿體，而較高的注入速度（１．２５邋ｍｌ／ｓ）和高相對(duì)密度導(dǎo)致薄逡逑漿體。注入量越大，形成團(tuán)狀的可能性越大。在Ｃｈｏ［４９］的實(shí)驗(yàn)中，較高的圍壓似乎逡逑４逡逑

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