富水砂層高效注漿材料及其加固機(jī)理研究和應(yīng)用.pdf

1、在我國交通基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)及“一帶一路”等背景下,隧道及地下工程不良地質(zhì)災(zāi)害控制已成為重要研究課題。富水砂層具有膠結(jié)能力差、強(qiáng)度低、透水性強(qiáng)等特征,常常引發(fā)突水涌砂、流砂、隧道塌方、地表塌陷及地下水枯竭等嚴(yán)重工程與環(huán)境問題。富水砂層災(zāi)害控制已成為制約地下工程安全的瓶頸,注漿治理材料與注漿理論成為富水砂層災(zāi)害控制亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)制約。針對富水砂層水文地質(zhì)特征及對注漿材料性能需求,本文采用水泥熟料、脫硫石膏、粉煤灰、鋼渣、礦渣作為主要原

2、材料,研發(fā)了富水砂層新型高效超細(xì)注漿材料EMCG(Effective Micro-fine Cement-based Grout),通過粒徑優(yōu)化、物理活化、化學(xué)激發(fā)等系列方法,提高漿液水化活性、砂層可注性與加固有效性。通過礦物分析、理論推導(dǎo)、室內(nèi)試驗、注漿模擬試驗及現(xiàn)場試驗,研究了注漿材料性能、砂層可注性、漿液擴(kuò)散規(guī)律及加固效果。形成了EMCG材料工業(yè)技術(shù)與現(xiàn)場工藝,在青島地鐵砂層加固工程中成果應(yīng)用,取得了良好的效果。本文主要研究內(nèi)容與

3、創(chuàng)新性研究成果為:
　　(1)對漿液性能進(jìn)行了實驗研究,實現(xiàn)了EMCG漿液性能的有效動態(tài)調(diào)控。結(jié)合實際注漿工程對漿液性能高標(biāo)準(zhǔn)要求,研究了原材料組分、外加劑加入量、水灰比等因素對新型漿液流動性能、粘度流變性能、析水穩(wěn)定性能、初終凝時間及雙液抗水沖刷性能的影響規(guī)律,初步確定了EMCG漿液最優(yōu)配比范圍,確保了其具有流變性能好、泵送穩(wěn)定、凝膠時間可控等優(yōu)點。
　　(2)對漿液結(jié)石體性能進(jìn)行了室內(nèi)實驗研究,實現(xiàn)了EMCG結(jié)石體性能的

4、有效動態(tài)優(yōu)化。結(jié)合注漿工程對漿液結(jié)石體性能高標(biāo)準(zhǔn)要求,研究了原材料組分、水灰比、養(yǎng)護(hù)齡期、外加劑加入量、細(xì)度等因素對漿液結(jié)石體力學(xué)性能(抗折抗壓強(qiáng)度)、抗?jié)B性能、抗水溶蝕性能、體積穩(wěn)定性能、抗侵蝕性能等的影響規(guī)律,分析了EMCG注漿材料水化機(jī)理(水化礦物與結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)),并對比分析了不同注漿材料結(jié)石體性能差異,結(jié)合漿液性能,最終確定了EMCG最優(yōu)配比范圍,確保了最優(yōu)配比EMCG結(jié)石體具有水化膠凝活性高、抗?jié)B抗蝕微膨脹、高強(qiáng)高斷裂韌性、

5、耐久性高等優(yōu)點。
　　(3)確定了不同注漿材料、砂層顆粒細(xì)度、砂層密實度、黏土含量、水灰比及注漿壓力因素對砂層滲透擴(kuò)散效果的影響規(guī)律,獲得了注漿效果性能指標(biāo)的主控因素。分析了漿液砂層三種可注性狀態(tài),建立了EMCG砂層加固效果性能指標(biāo)(力學(xué)增強(qiáng)與抗?jié)B性)與漿液參數(shù)、養(yǎng)護(hù)齡期、黏土含量間定量關(guān)系。通過分析加固體加載破壞形態(tài)及應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征,獲得了砂層注漿加固體破壞模式。
　　(4)實現(xiàn)了漿液砂層中一維可視化柱狀擴(kuò)散,分析了不

6、同類型漿液砂層長距離擴(kuò)散有效性,分析了EMCG漿液砂層不同距離擴(kuò)散加固機(jī)理。分析了砂層漿液滲透擴(kuò)散壓力分布規(guī)律,量化了EMCG砂層加固效果性能指標(biāo)與漿液擴(kuò)散距離間的關(guān)系,通過分析EMCG砂層不同擴(kuò)散距離處加固體破壞形態(tài)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、不同時刻裂縫擴(kuò)展特征,獲得了不同擴(kuò)散距離處砂層注漿加固體破壞模式。
　　(5)實現(xiàn)了富水砂層地層注漿可視化擴(kuò)散加固模擬,分析了EMCG漿液砂層地層空間注漿擴(kuò)散與加固機(jī)理。分析了EMCG砂層空間可視化

7、擴(kuò)散形態(tài),劃分了EMCG砂層擴(kuò)散加固模式,獲得了地層內(nèi)部應(yīng)力場與注漿參數(shù)的動態(tài)演化規(guī)律,建立了砂層注漿EMCG起劈判據(jù)與劈裂擴(kuò)散漿液流動方程。
　　(6)深入分析了漿-巖界面微觀膠結(jié)加固機(jī)理。提出了EMCG、超細(xì)水泥漿-巖界面過渡區(qū)加固機(jī)理,獲得了二者漿-巖膠結(jié)與加固的本質(zhì)差別。分析了漿-巖界面過渡區(qū)礦物分布特征,獲得了漿-土、漿-巖-土界面微觀膠結(jié)與加固機(jī)制,得到了黏土降低加固體力學(xué)強(qiáng)度的本質(zhì)原因。
　　(7)基于材料生產(chǎn)