注漿加固土的力學(xué)模型及隧道工程應(yīng)用研究.pdf

1、目前，劈裂注漿工程的注漿參數(shù)設(shè)計(jì)仍處于半理論、半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)，合理性差，且沒(méi)有與注漿目的或注漿效果有機(jī)結(jié)合起來(lái)。另一方面，目前的注漿質(zhì)量檢驗(yàn)手段所取得的效果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，對(duì)注漿量的驗(yàn)收也缺乏經(jīng)濟(jì)合理的方法，這不但易造成浪費(fèi)，還會(huì)造成許多工程隱患。本文通過(guò)宏-微觀室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論推導(dǎo)以及數(shù)值分析等手段研究了劈裂注漿主要注漿參數(shù)取值方法和注漿效果檢驗(yàn)方法，其具體的研究工作及取得的主要成果如下:
　　(1)取得了磷酸-水玻璃和水泥-水

2、玻璃的配合比與凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系，漿液凝結(jié)體的力學(xué)性能、滲透性能以及微觀結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化規(guī)律。研究表明:①對(duì)于磷酸-水玻璃漿液，凝結(jié)時(shí)間隨著水與磷酸體積比的增加而先減小再增加，凝結(jié)時(shí)間隨著水玻璃的濃度增加變化比較復(fù)雜;②對(duì)于水泥-水玻璃漿液，凝結(jié)時(shí)間隨著水玻璃濃度的升高而增加，凝結(jié)時(shí)間隨水灰比的增大先降后升。③兩種漿液形成的凝結(jié)體均能滿足不透水層的要求;④磷酸-水玻璃比較適合對(duì)水量較大的地層進(jìn)行應(yīng)急性止水注漿;⑤水泥-水玻璃適合同時(shí)需要止水和

3、加固的地層。
　　(2)建立了劈裂注漿后復(fù)合土體的二維簡(jiǎn)化等效單元體模型，基于均質(zhì)化理論和變形協(xié)調(diào)原則推導(dǎo)了模型的等效彈性參數(shù)解析解。用有限元方法分別計(jì)算并分析了模型在簡(jiǎn)化前后的等效彈性參數(shù);同時(shí)將二維簡(jiǎn)化等效單元體模型的有限元計(jì)算結(jié)果和解析計(jì)算結(jié)果也進(jìn)行了對(duì)比分析。最后基于解析結(jié)果分析了土體和漿液凝結(jié)體各自的彈性參數(shù)以及漿液注入率對(duì)等效彈性參數(shù)的影響。結(jié)果表明:①按面積等效原則對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理的方法是可行的，可以按照簡(jiǎn)化模型進(jìn)

4、行彈性階段的理論分析;②解析結(jié)果與有限元結(jié)果具有良好的一致性;③復(fù)合土體的等效彈性模量和等效泊松比主要受漿液注入率和漿液固結(jié)體本身模量的影響。
　　(3)建立了劈裂注漿后復(fù)合土體的橫向各向同性單元體幾何模型，按體積等效原則給出了漿-土體積及受力分配關(guān)系模型圖，基于橫向各向同性本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)了模型的等效彈性模量和等效泊松比的解析解。采用有限元方法取得了模型特定條件下的等效彈性模量和等效泊松比，并與解析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。最后把模型和相

5、應(yīng)的解析結(jié)果引入Flac3D中，結(jié)合一個(gè)熱力隧道工程實(shí)例對(duì)隧道劈裂注漿后關(guān)鍵位置的沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比。研究表明:①解析計(jì)算結(jié)果與有限元方法計(jì)算結(jié)果吻合度較高;②基于本文提出的模型及其解析結(jié)果對(duì)隧道開(kāi)挖后沉降的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值具有良好的一致性。
　　(4)取得了隧道超前預(yù)注漿加固經(jīng)濟(jì)合理的注漿圈厚度、復(fù)合土體彈性模量及注入率。基于劈裂注漿復(fù)合土體彈性模型，借助于數(shù)值分析方法研究了注漿圈厚度和復(fù)合土體彈性模量變化對(duì)

6、隧道開(kāi)挖后土體位移場(chǎng)和襯砌受力場(chǎng)的影響規(guī)律，研究表明:①兩種模型的計(jì)算結(jié)果差別不大，橫向各向同性模型的計(jì)算結(jié)果相對(duì)略偏小;②注漿能顯著抑制土體開(kāi)挖后的沉降，減少襯砌受力，效果隨注漿圈厚度的增加成非線性增加，注漿圈厚度增加到一定程度后，對(duì)沉降的控制效果已經(jīng)不明顯;在減小土體開(kāi)挖后的土體變形和襯砌受力方面，注漿圈彈性模量與注漿圈厚度作用規(guī)律相似。③在本文工況下，經(jīng)濟(jì)合理的注漿圈厚度可取2.5m，經(jīng)濟(jì)合理的注漿圈彈性模量可取30MPa～35M

7、Pa，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)合理的注入率可取0.132～0.164之間。
　　(5)提出了兩種劈裂注漿后注入率的獲取方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于注入率分析的注漿質(zhì)量檢驗(yàn)方法。其中，注入率獲取方法包括理論計(jì)算方法和數(shù)字圖像處理方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)間接驗(yàn)證了兩種方法的可靠性，同時(shí)分析了兩種方法處理注入率的差異性。①理論計(jì)算方法只需要知道注漿前后土體的基本物理力學(xué)性能，即可算出實(shí)際注入率?，F(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)表明，計(jì)算公式的可靠性較好。試驗(yàn)條件下，實(shí)際注

8、漿量約為公式計(jì)算值的1.2倍。②數(shù)字圖像處理方法把注漿后開(kāi)挖的土體形成數(shù)字圖像，通過(guò)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理來(lái)取得注入率。試驗(yàn)表明:以數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)選取漿脈所占像素比，結(jié)果變異性小，可重復(fù)性好;以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)測(cè)算的注漿量與實(shí)際跟蹤記錄的注漿量具有很好的一致性，在本現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下的實(shí)際注漿量約為測(cè)算量的1.1～1.2倍。③理論計(jì)算所得結(jié)果與圖像處理結(jié)果具有較好的相關(guān)性，但理論計(jì)算結(jié)果偏小。
　　(6)結(jié)合熱力隧道工程實(shí)例論述了劈