基于悬浊液流动特性的注浆扩散及加固规律研究
发布时间：2023-05-22 00:57
注浆是处理地下工程灾害的重要方法之一,可有效实现破碎地层加固、减小沉降、突水突泥防控等一系列治理目标。浆液本构形式以及浆液与被注介质间力学作用的复杂性是制约注浆理论发展的关键问题,而传统的水泥类浆液和新兴的膨胀颗粒类浆液同属于悬浊液,在流动规律方面存在许多共性。本文基于悬浊液的流变特性,以理论分析及数值模拟为主要研究手段,对浆液在地层中的扩散形式及流动规律展开研究。在地层劈裂注浆加固方面,分别以粘聚性介质(软岩、黏土)、颗粒介质(砂性土、砾石土)以及土石复合介质作为被注介质,研究了浆液在地层中的劈裂-渗滤联合扩散机制,分析了注浆压力、浆液性质、被注介质构成、地层条件等因素对浆液流动的影响规律。在动水注浆封堵方面,建立了适用于膨胀颗粒类浆液的流体本构及浆液流动方程,计算分析了浆液在岩溶管道以及裂隙中的动水扩散规律。主要工作及创新成果如下:(1)针对粘土、软岩等粘聚性介质,建立了单一路径注浆劈裂扩散模型,并采用渐进解法对偏微分方程组进行计算推导。获得了不同浆液粘度、.注浆流量等影响因素下劈裂通道形态时空变化规律。(2)针对砂性土、砂层等颗粒型介质,分析水泥浆液颗粒与介质颗粒间的微观力学作用...
【文章页数】：249 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 劈裂注浆扩散理论
1.2.2 动水注浆扩散理论
1.3 目前存在的主要问题
1.4 主要研究内容、技术路线与创新点
1.4.1 主要研究内容
1.4.2 技术路线
1.4.3 主要创新点
第二章 单一路径注浆劈裂数学模型及其渐进解法
2.1 单一路径注浆劈裂理论概述
2.1.1 粘聚性介质劈裂注浆过程
2.1.2 颗粒介质劈裂注浆过程
2.1.3 浆液起劈与劈裂通道扩展理论的关系
2.2 单一劈裂路径注浆扩散数学模型建立
2.2.1 浆液劈裂物理过程及相关变量
2.2.2 模型基本假设
2.2.3 浆液流动与地层变形控制方程
2.2.4 劈裂通道扩展条件
2.3 浆液劈裂扩散方程的渐进解法
2.3.1 方程组及劈裂通道扩展条件无量纲化
2.3.2 特征参量表达式的确定
2.3.3 粘度主导扩散条件下的方程组简化
2.3.4 方程组求解
2.4 浆液扩散范围及地层变形规律分析
2.4.1 不同粘度条件下扩散形态及岩土体位移变化
2.4.2 不同弹性模量条件下扩散形态及岩土体位移变化
2.4.3 不同注浆速率条件下扩散形态及岩土体位移变化
2.5 本章小结
第三章 考虑浆-土界面渗滤的劈裂注浆扩散机理
3.1 渗滤效应对颗粒介质注浆劈裂的影响机制
3.1.1 表层渗滤与深层渗滤过程简述
3.1.2 渗滤效应影响下的浆液劈裂微观力学过程
3.1.3 渗滤效应与劈裂注浆加固效果的辩证关系
3.2 考虑浆-土界面渗滤过程的劈裂注浆扩散模型
3.2.1 注浆劈裂扩散数学模型建立
3.2.2 方程组无量纲化处理
3.2.3 劈裂主导条件下的方程求解
3.2.4 渗透主导条件下的方程求解
3.3 劈裂-渗透联合扩散数值模型
3.3.1 劈裂通道扩展数值表征方法
3.3.2 裂隙与介质孔隙流动控制方程
3.3.3 地层位移方程及劈裂通道扩展条件
3.3.4 网格划分及相关计算参数
3.4 浆液扩散规律分析
3.4.1 不同滤失系数下的扩散范围及地层位移变化
3.4.2 注浆加固范围随注浆时间的变化
3.5 本章小结
第四章 土石复合介质注浆劈裂扩散及加固机理
4.1 土石复合介质中的注浆劈裂扩散模式
4.1.1 水力劈裂基本类型划分
4.1.2 介质组成及浆液性质对劈裂模式的影响
4.2 土石复合介质注浆劈裂扩散数值分析
4.2.1 劈裂通道扩展有限元模拟方法概述
4.2.2 介质破坏-渗透率变化关系数学描述
4.2.3 有限元模型建立
4.2.4 浆液扩散规律分析
4.3 土石复合介质注浆加固体离散元数值模型
4.3.1 土石复合介质基本力学性质
4.3.2 注浆加固体强度影响因素分析
4.3.3 加固体多结构离散元表征方法
4.3.4 注浆加固体离散元模型建立
4.4 浆脉对注浆加固体强度影响规律
4.4.1 浆脉空间分布形态描述方法
4.4.2 浆脉均匀度对加固体强度的影响
4.4.3 浆脉形态各向异性
4.4.4 加固体强度公式建立
4.5 含块石影响的注浆加固体强度
4.5.1 块石骨架转化率
4.5.2 均匀度对骨架转化率的影响
4.5.3 骨架转化率与注浆率的函数关系
4.5.4 块石含量对骨架转化率的影响
4.6 本章小结
第五章 考虑悬浮颗粒膨胀的浆液流变性质研究
5.1 吸水树脂注浆材料基本理化性质
5.1.1 材料吸水膨胀机理及性能简介
5.1.2 颗粒最大膨胀倍率
5.1.3 颗粒吸水膨胀速率
5.1.4 浆液流动度
5.2 膨胀颗粒浆液流动机制分析
5.2.1 颗粒膨胀过程中的浆液形态转化
5.2.2 颗粒膨胀对浆液流变性质的影响
5.2.3 浆液流变性质与颗粒分布状态的内在联系
5.3 膨胀颗粒浆液本构模型
5.3.1 连续性假设及代表性单元体
5.3.2 浆液宏观粘度定义
5.3.3 浆液粘度影响因素分析
5.3.4 膨胀颗粒浆液粘度函数
5.4 本章小结
第六章 颗粒膨胀浆液动水扩散理论模型
6.1 膨胀材料动水注浆过程概述
6.2 浆液动水扩散数学模型
6.2.1 问题简化及基本假设
6.2.2 岩溶管道浆液扩散方程
6.2.3 浆液锋面运移方程
6.2.4 扩散距离及速度变化规律
6.3 考虑粘度时空变化的浆液扩散模型
6.3.1 浆液运移过程中的粘度时空不均匀性
6.3.2 颗粒运移膨胀对粘度时空分布的影响机制
6.3.3 浆液运移-粘度变化耦合计算方法
6.4 基于粘度时空变化的浆液扩散规律分析
6.4.1 低膨胀速率条件下浆液扩散规律
6.4.2 高膨胀速率条件下浆液扩散规律
6.5 本章小结
第七章 基于CFD- DEM的颗粒膨胀浆液扩散数值模拟
7.1 膨胀颗粒浆液流动CFD-DEM数值模型
7.1.1 CFD-DEM数值模拟方法简介
7.1.2 网格划分及流场信息计算
7.1.3 颗粒-流体作用计算方法
7.1.4 计算流程
7.2 岩溶管道动水注浆扩散规律分析
7.2.1 计算模型
7.2.2 颗粒膨胀形态及粘度分布
7.2.3 浆液扩散距离随时间的变化
7.2.4 孔隙率时空变化
7.2.5 流体拖曳力时空变化
7.3 裂隙动水注浆扩散规律分析
7.3.1 计算模型
7.3.2 浆液扩散范围及颗粒膨胀形态
7.3.3 颗粒膨胀对运移轨迹及流场的影响
7.3.4 颗粒与流体间的相互作用
7.4 裂隙动水注浆封堵机制
7.4.1 注浆封堵区影响因素
7.4.2 浆水速比对扩散距离影响
7.4.3 浆水速比对扩散速度的影响
7.4.4 浆液极限扩散开度
7.5 本章小结
第八章 结论与展望
8.1 主要结论
8.2 进一步研究的建议与展望
参考文献
致谢
发表论文
参与项目
获得奖励
学位论文评阅及答辩情况表
本文编号：3821691
【文章页数】：249 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 劈裂注浆扩散理论
1.2.2 动水注浆扩散理论
1.3 目前存在的主要问题
1.4 主要研究内容、技术路线与创新点
1.4.1 主要研究内容
1.4.2 技术路线
1.4.3 主要创新点
第二章 单一路径注浆劈裂数学模型及其渐进解法
2.1 单一路径注浆劈裂理论概述
2.1.1 粘聚性介质劈裂注浆过程
2.1.2 颗粒介质劈裂注浆过程
2.1.3 浆液起劈与劈裂通道扩展理论的关系
2.2 单一劈裂路径注浆扩散数学模型建立
2.2.1 浆液劈裂物理过程及相关变量
2.2.2 模型基本假设
2.2.3 浆液流动与地层变形控制方程
2.2.4 劈裂通道扩展条件
2.3 浆液劈裂扩散方程的渐进解法
2.3.1 方程组及劈裂通道扩展条件无量纲化
2.3.2 特征参量表达式的确定
2.3.3 粘度主导扩散条件下的方程组简化
2.3.4 方程组求解
2.4 浆液扩散范围及地层变形规律分析
2.4.1 不同粘度条件下扩散形态及岩土体位移变化
2.4.2 不同弹性模量条件下扩散形态及岩土体位移变化
2.4.3 不同注浆速率条件下扩散形态及岩土体位移变化
2.5 本章小结
第三章 考虑浆-土界面渗滤的劈裂注浆扩散机理
3.1 渗滤效应对颗粒介质注浆劈裂的影响机制
3.1.1 表层渗滤与深层渗滤过程简述
3.1.2 渗滤效应影响下的浆液劈裂微观力学过程
3.1.3 渗滤效应与劈裂注浆加固效果的辩证关系
3.2 考虑浆-土界面渗滤过程的劈裂注浆扩散模型
3.2.1 注浆劈裂扩散数学模型建立
3.2.2 方程组无量纲化处理
3.2.3 劈裂主导条件下的方程求解
3.2.4 渗透主导条件下的方程求解
3.3 劈裂-渗透联合扩散数值模型
3.3.1 劈裂通道扩展数值表征方法
3.3.2 裂隙与介质孔隙流动控制方程
3.3.3 地层位移方程及劈裂通道扩展条件
3.3.4 网格划分及相关计算参数
3.4 浆液扩散规律分析
3.4.1 不同滤失系数下的扩散范围及地层位移变化
3.4.2 注浆加固范围随注浆时间的变化
3.5 本章小结
第四章 土石复合介质注浆劈裂扩散及加固机理
4.1 土石复合介质中的注浆劈裂扩散模式
4.1.1 水力劈裂基本类型划分
4.1.2 介质组成及浆液性质对劈裂模式的影响
4.2 土石复合介质注浆劈裂扩散数值分析
4.2.1 劈裂通道扩展有限元模拟方法概述
4.2.2 介质破坏-渗透率变化关系数学描述
4.2.3 有限元模型建立
4.2.4 浆液扩散规律分析
4.3 土石复合介质注浆加固体离散元数值模型
4.3.1 土石复合介质基本力学性质
4.3.2 注浆加固体强度影响因素分析
4.3.3 加固体多结构离散元表征方法
4.3.4 注浆加固体离散元模型建立
4.4 浆脉对注浆加固体强度影响规律
4.4.1 浆脉空间分布形态描述方法
4.4.2 浆脉均匀度对加固体强度的影响
4.4.3 浆脉形态各向异性
4.4.4 加固体强度公式建立
4.5 含块石影响的注浆加固体强度
4.5.1 块石骨架转化率
4.5.2 均匀度对骨架转化率的影响
4.5.3 骨架转化率与注浆率的函数关系
4.5.4 块石含量对骨架转化率的影响
4.6 本章小结
第五章 考虑悬浮颗粒膨胀的浆液流变性质研究
5.1 吸水树脂注浆材料基本理化性质
5.1.1 材料吸水膨胀机理及性能简介
5.1.2 颗粒最大膨胀倍率
5.1.3 颗粒吸水膨胀速率
5.1.4 浆液流动度
5.2 膨胀颗粒浆液流动机制分析
5.2.1 颗粒膨胀过程中的浆液形态转化
5.2.2 颗粒膨胀对浆液流变性质的影响
5.2.3 浆液流变性质与颗粒分布状态的内在联系
5.3 膨胀颗粒浆液本构模型
5.3.1 连续性假设及代表性单元体
5.3.2 浆液宏观粘度定义
5.3.3 浆液粘度影响因素分析
5.3.4 膨胀颗粒浆液粘度函数
5.4 本章小结
第六章 颗粒膨胀浆液动水扩散理论模型
6.1 膨胀材料动水注浆过程概述
6.2 浆液动水扩散数学模型
6.2.1 问题简化及基本假设
6.2.2 岩溶管道浆液扩散方程
6.2.3 浆液锋面运移方程
6.2.4 扩散距离及速度变化规律
6.3 考虑粘度时空变化的浆液扩散模型
6.3.1 浆液运移过程中的粘度时空不均匀性
6.3.2 颗粒运移膨胀对粘度时空分布的影响机制
6.3.3 浆液运移-粘度变化耦合计算方法
6.4 基于粘度时空变化的浆液扩散规律分析
6.4.1 低膨胀速率条件下浆液扩散规律
6.4.2 高膨胀速率条件下浆液扩散规律
6.5 本章小结
第七章 基于CFD- DEM的颗粒膨胀浆液扩散数值模拟
7.1 膨胀颗粒浆液流动CFD-DEM数值模型
7.1.1 CFD-DEM数值模拟方法简介
7.1.2 网格划分及流场信息计算
7.1.3 颗粒-流体作用计算方法
7.1.4 计算流程
7.2 岩溶管道动水注浆扩散规律分析
7.2.1 计算模型
7.2.2 颗粒膨胀形态及粘度分布
7.2.3 浆液扩散距离随时间的变化
7.2.4 孔隙率时空变化
7.2.5 流体拖曳力时空变化
7.3 裂隙动水注浆扩散规律分析
7.3.1 计算模型
7.3.2 浆液扩散范围及颗粒膨胀形态
7.3.3 颗粒膨胀对运移轨迹及流场的影响
7.3.4 颗粒与流体间的相互作用
7.4 裂隙动水注浆封堵机制
7.4.1 注浆封堵区影响因素
7.4.2 浆水速比对扩散距离影响
7.4.3 浆水速比对扩散速度的影响
7.4.4 浆液极限扩散开度
7.5 本章小结
第八章 结论与展望
8.1 主要结论
8.2 进一步研究的建议与展望
参考文献
致谢
发表论文
参与项目
获得奖励
学位论文评阅及答辩情况表
本文编号：3821691
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/3821691.html