注浆浆液以渗透和挤密等方式灌入岩石或土层,将原来松散的土料或裂隙胶结,形成具有一定加固或防渗性能的“结石体”。松散地基土层物性参数分布具有明显的随机性和不规则特征,强烈影响浆液渗流过程,并造成注浆结石体形状的随机性和力学参数空间分布的不确定性。天然地基在注浆加固后地基强度和承载力得到提高,但加固区整体仍然表现为非均质性和各向异性。作为地基处理与岩土体加固的可行方法,虽然注浆技术已得到广泛应用,但注浆理论方面的研究与注浆实践要求还有相当的差距,对地基承载力和变形计算理论的研究还很不够成熟。被注介质的不均匀性和不确定性、浆液材料的多变性、注浆工艺和被注介质对浆液性能的影响、浆液渗入理论及机制等方面的研究一直存在许多困难。本课题以三峡库区广泛存在的碎石土地基为工程研究背景,采用碎石土地基的土工试验数据和室内注浆试验成果,从注浆浆液材料特性、地基土物性参数、滋浆压力控制与注浆方式三大方面,综合考虑影响注浆过程的参数的互相关性、非均质土层物性参数空间分布的结构性和随机性、关键注浆参数的动态和时变特性,基于注浆过程中的渗流场与应力场的流固耦合作用,探讨了非均质松散岩土体浆液随机扩散过程,分析了结石体扩散形状和力学参数的空间分布的随机性,及荷载作用下注浆加固土体的应力与位移变化,研究了非均质松散岩土体注浆加固的力学行为。本文主要工作内容如下：(1)从注浆工艺和注浆材料入手,在总结前人研究成果的基础上,较系统地分析了浆液流变模型,从浆液粘度时变性、浆液浓度变化角度,考虑浆液特性因素对注浆浆液扩散效果的影响。试验分析了不同水灰比条件下水泥浆液粘度与时间的关系式。试验数据显示,一定的浆液浓度条件下,水泥类浆液的粘度随时间呈指数关系变化。水泥类浆液在前期其粘度和剪切强度相对稳定,但随着凝结时间到来,其粘度和剪切强度快速增长。根据此特征,水泥类浆液在合适的时间内完成渗透注浆,否则将要影响水泥浆液的可注性。试验结果还显示,浆液粘度变化与时间有关,也与浆液浓度改变关联。浆液浓度变化会明显改变浆液粘度,特别是在水灰比小于1时尤其明显。水泥浆液浓度和注浆持续时间对浆液粘度变化有着不同的影响。如果浆液因受非饱和土土体吸附或地下水混合等作用而使固体颗粒沉淀或析出,并改变流动浆液的浓度,会改变水灰比条件并明显影响粘度和改变扩散过程。施工工艺条件和土层地质条件对浆液浓度和注浆时间影响不可忽视。地下注浆浆液扩散过程中可能存在不同流型的转换过程,扩散特性还与注浆土体的力学参数、注浆工艺有着密切关系。真实注浆过程具有明显的非稳定特性,实际注浆过程下的注浆理论公式也相当复杂。(2)通过对取自三峡库区治理加固工程的碎石土试样进行土工试验和室内注浆试验,获取有效粒径、渗透系数、土体压缩模量、水泥浆液粘度、注浆压力等试验数据,基于人工智能的支持向量机方法,建立其与注浆试验所得结石体的抗压强度、弹性模量等力学参数的关系,进行相互关联的多因素共同作用下的注浆结石体的力学参数预测,分析影响结石体力学特性的主要因素及其变化规律。结石体强度、弹模等受多种因素关联作用,任何一个因素的改变都会对注浆结果产生很大影响。基于支持向量机方法,可以很好地分析和预测具有复杂关联性和非线性关系的多维变量状态参数与注浆结石体力学参数的关系,为进一步研究注浆结石体形状分布和强度分布的空间随机性,分析结石体随机分布对加固地基的承载力影响和变形抑制作用,以及评价地基加固处理前后的承载力提高及变形稳定性提供了参考。(3)建立了基于随机分形插值的地层参数空间随机分布预测模型。碎石土堆积体结构松散,物性参数空间分布不均匀,土体中粗粒集中部位因细粒充填不足还容易形成高孔隙率的架空结构。碎石土注浆加固机理和过程研究重点考虑松散碎石土的不均匀性带来的土体局部细微变化问题。研究基于随机分形理论中Diamond-square方法的运用,分析了土层空间的分形特征,根据已知的土层数据成果建立的模型实现了对未知数据地层的孔隙率、土体密度、渗透率、压缩模量等空间随机分布预测。在常规土层剖面中,层厚和土的物理力学参数常用定值来表示,忽略了参数的波动。在随机分布的注浆土层剖面研究过程中,考虑孔(裂)隙分布、表面特征的随机分形特性,将参数的剖面特征作为坐标的随机函数处理。研究利用改进的数盒子法获得孔隙率分布曲线的分维数,反映土体孔隙率等参数在空间分布上的不均匀性和复杂程度。研究以地质勘察点的坐标作为已知的控制点,将可通过地质勘察得到的该点的孔隙率值已知量,作为区域土层物性参数变量的数据源,利用分数布朗运动相关的分形插值方法,将地层孔隙率分布特性看作随机过程,进行注浆加固地层孔隙率参数的随机性描述。考虑岩土工程中的物理力学参数之间的互相关性,将可通过地质勘察得到的孔隙率已知量作为区域土层物性参数变量的基本量,探讨了基于多维变量相关性的渗透系数、压缩模量、土体密度、体积模量等其它基本物理参数在有限元单元结点中的赋值。基于上述思路,模拟了多孔介质地层的孔隙率、渗透系数、土体密度、压缩模量、体积模量的空间随机分布,生成适用于孔隙地层注浆数值模拟的物性参数随机分布的二维地质剖面和三维数字地层。(4)建立了参数动态变化的多孔介质渗流场与应力场耦合的的注浆扩散模型。引入了多孔介质中流体渗流的运动方程、连续方程；基于广义的Biot方程,采用宏观层次和细观层次的综合分析方法,建立多孔介质饱和渗流状态下的变形与应力方程：研究将浆液粘时变性扩散作为特殊的渗流过程；基于渗流物理场和扩散物理场理论,考虑多孔介质的多场耦合作用,根据体积应变的概念,引出了考虑孔隙率、渗透率、孔隙压缩系数等物性参数的动态变化过程数学模型。注浆扩散模型的建立为非均质地层中流固祸合注浆数值模拟的实现提供了有效途径。(5)模拟了多场祸合的均质和非均质土体注浆过程模拟。基于渗流物理场和扩散物理场耦合理论,考虑浆液扩散的时变效应、土层参数的动态变化,模拟均质土体中点源注浆、柱孔注浆条件下浆液扩散范围,与Magg理论计算方法和室内试验试验结果进行了对比分析,以验证基于流固耦合作用下的浆液扩散过程的正确性,及土层参数动态变化的合理性。研究考虑非均质土体土层参数的互相关性及随机分布,结合试验结果编制程序,利用有限元软件进行注浆过程模拟,探讨了土体不均匀分布、注浆压力、浆液水灰比和粘时变性因素对注浆扩散范围、扩散路径、扩散模式的影响,以及注浆结石体随机分布规律。数值模拟计算结果表明,碎石土注浆孔附近流固耦合效应强烈,物性参数动态变化明显。(6)研究了荷载作用下的注浆土体应力场和位移场分布。围绕流固耦合作用下的浆液扩散细观模拟过程,利用Matlab软件提取注浆开始前计算场区内单元体的表观密度、渗透压力、孔隙率、压缩模量、压缩系数的分布状态和数值；提取非均质土体有限元模型注浆模拟计算结束后网格结点的弹性模量、泊松比以及密度等的物理力学参数；基于注浆扩散的室内试验结果及支持向量机方法,对有限元单元体已知物性参数进行提取,利用Matlab软件编程,对注浆结石体的弹性模量等力学参数进行预测,并进行分布空间上的有限元单元赋值。非均质土体注浆加固过程必然伴随着结石体骨架分布的随机性。注浆加固复合体的力学特性取决于结石体骨架与周围土体的共同作用。基于加固前后土层物理力学常量赋值和物理力学动态参数计算结果,建立了未注浆土体区域、加固浆液扩散区域的数值计算模型,通过计算模拟,比较分析了相同物性参数的非均质土体注浆加固前后的应力场和位移场,研究了碎石土加固注浆的力学行为特征。本文的主要创新点是：(1)结合室内模拟试验结果,并基于支持向量机理论,研究了结石体抗压强度、弹性模量与被注介质结构(渗透系数、孔隙度、有效粒径、压缩模量)、注浆压力、浆液水灰比等因素的关系规律,对指导注浆工程的设计和注浆效果预测等有现实意义。试验及研究均表明：水灰比、注浆压力、介质结构(孔隙率、渗透率等)作为影响注浆的关键因素,都影响注浆过程,并进而影响注浆后碎石土地层的承载力学性能。在研究注浆浆液在松散土层中的渗流过程时,将不同水灰比条件下的水泥浆液粘度时变特性引入非均质土体中浆液扩散过程模拟,推导并模拟了时变性浆液在非均质土体的渗透扩散规律。(2)研究基于随机分形理论中Diamond-square方法的运用,考虑多个随机变量的相互关联作用,建立了土层物性参数的空间随机分布预测模型。非均质土体的有限元单元赋值包括两个方面,一是将已知控制点作为代表性单元体,其孔隙率参数值作为区域变量的基本量赋值给有限元单元体单元结点,通过探讨和分析松散土层单元中物性参数变量的互相关性,获得了该单元体的其它参数与孔隙率的关系,实现了有限单元的表观密度、渗透系数、压缩模量、压缩系数等参数的关联性赋值。二是将已知控制点的孔隙率参数值作为区域变量的数据源,考虑土性参数分布的分形特性,将地层特征看作随机过程,对该地层的未知数据区域进行孔隙率、渗透率、压缩模量等参数的空间分布预测,生成适用于孔隙地层注浆数值模拟的数字地层剖面。(3)综合运用注浆浆液的时变性方程,物性参数的动态变化方程,进行非均质土体注浆浆液扩散与土体应力场耦合作用下的数值模拟。研究模拟了浆液在碎石土层渗透扩散过程中的压力梯度分布、渗透速度分布、浆液扩散距离和注浆时间的关系规律,揭示了浆液在地层内的运动过程,对松散非均质土体中浆液运动的量化计算有着重要的理论意义。基于注浆浆液扩散流场与土体应力场的耦合模拟成果,探讨了注浆结石体在非均质土体中的分布形态、空间分布模式。在注浆孔点布置约束条件下,结石体骨架特征明显,结石率受土层参数和施工工艺参数影响,结石体形状和体积的随机分布具有规律性。基于注浆结石体骨架和物性参数随机分布时空规律的研究,对注浆效果进行了量化计算分析。计算结果表明：结石体骨架和土体共同作用下土体的物理力学性质改善,地基加固作用明显,地基整体的承载能力明显提高。研究考虑土的物性参数互关联、土性参数分布的分形特性、土层地质剖面的随机性、浆液特性时变性等多因素共同影响,建立了非均质土层参数地质剖面随机分布模型,开展注浆扩散过程及注浆加固体力学行为的数值模拟,可对注浆方案计算分析、注浆效果定量评价、注浆问题质量溯源、加固工程安全评估提供理论基础,对结构注浆加固与纠偏机理研究与技术应用提供科学依据,并为复杂环境条件下松散岩土注浆加固作用分析研究提供有效途径。但目前该研究的一些理论和方法有待丰富和完善。本文仅作了初步的探索,以后在以下几个方面仍然需要进一步的研究：(1)本文研究注浆机理时,着眼于浆液渗透注浆扩散过程,并同时考虑了注浆过程对被注土体的挤密作用。注浆介质在不同注浆压力和工艺条件下时注浆机理和扩散机理不同,将数字地层剖面、分形随机理论、多孔介质物性参数动态变化方程引入劈裂注浆作用下的注浆模拟还需进一步研究。(2)浆液扩散过程试验和数值模拟没有考虑地下动水的影响。对动水作用、土体应力场分布、浆液扩散过程的耦合作用模拟和试验,应考虑对不同流形的流体在混合时的运动问题进一步研究。(3)地基加固体与其周围地基土的相互作用规律、考虑复杂地质条件、复杂荷载作用、复杂地层结构边界条件的注浆加固效应、注浆加固复合地基下卧层附加应力扩散问题,及其注浆优化设计方法等还有待进一步探索和研究。(4)本研究成果未考虑不同含水率对注浆过程的影响。水泥是一种典型的悬浊液,浆液在土体中的沉淀、滤水、凝絮和非饱和土土体毛细作用会改变注浆沿程路径上的水灰比,进而改变浆液粘度时变特性。这些因素对浆液扩散过程的影响,及如何将非饱和土吸附对浆液浓度的改变等因素更好地引入注浆模拟过程有待更深入研究。非饱和土体的基质吸力对流体入渗和土体内部渗流的影响是一个复杂的土力学问题,非饱和土中的渗透系数与饱和度的关系还有待大量的研究和探讨。(5)浆液在土体中的沉淀、滤水、凝絮和土体毛细作用也会改变土体的有效孔隙率。由于试验条件限制,本论文结合已有文献,主要从宏观角度讨论了水泥浆液中土体吸水带来的浆液颗粒的沉积过程和化学浆液的絮凝固化过程。通过试验手段在微观和宏观两个方面对颗粒迁移、沉积特性进行研究,对浆液的絮凝过程进行分析,从而为科学地定量描述浆液渗透终止的判别准则提供更可靠的依据,仍是今后所需要做的工作。