随着我国交通的大力发展,隧道及地下工程的建设规模也越来越大。施工中受节理、裂隙、断层以及岩溶等不良地质体影响,极易诱发突泥涌水等灾害,严重威胁施工人员和机械的安全。劈裂注浆作为一种岩土加固与防水堵漏的方法,已被广泛应用于地质灾害的预防和处治领域。然而劈裂注浆扩散方面的研究远远落后于工程实践。本文重点针对劈裂注浆扩散研究中存在的诸多问题,综合利用试验设计和数值模拟等手段,对均质和非均质地层中劈裂注浆扩散过程和浆脉形态进行系统研究。主要研究内容及成果如下:(1)开展了水泥基稳定浆液最优配比试验,提出水泥基稳定浆液判别标准,通过对比浆液密度、析水率以及黏度的变化规律,得到稳定浆液的配比。对高岭土和石膏混合土进行三轴试验,研究不同被注土体的粘聚力、内摩擦角以及初始模量的变化规律,获得模型配比。(2)自主研制了一套二维注浆试验系统,开展了均质和非均质黏土地层劈裂注浆扩散试验,重点研究不同密实度、水灰比、土体软硬及裂隙特性下的浆脉扩散特性。获得了浆脉扩散规律、形态、土压力及地表隆起模式等规律。试验发现,均质地层有2种浆脉形态,土体内部浆脉有3种扩散模式;软硬不均地层有4种浆脉形态;含裂隙地层有1种浆脉形态。浆脉附近土压力有较大增加,在浆脉接近地表时,地表加速隆起。不同形态引起的隆起有对称“凸”形和非对称“凸”形。(3)利用数值模拟进一步研究浆脉扩散特性,对均质地层的密度、模量、粘聚力及注浆压力和非均质地层土体软硬、分层及裂隙特性进行了73种工况的模拟。分析了注浆压力、土体应力场、位移场、浆脉形态及地表隆起等变化规律。模拟发现,距注浆孔越远注浆压力越小;浆脉尖端和地表出现拉应力区;竖向浆脉主要引起水平位移,偏转浆脉主要引起竖向位移;均质地层的模拟结果比试验多出2种浆脉形态:竖直形和“V”形浆脉;非均质地层形态与试验相同;地表有对称“凹”形、对称“凸”形及非对称“凸”形隆起。(4)从力学角度分析了土体刚度与强度、弱接触、应力场中浆脉偏转的机理。结果表明,上硬下软土层会引起水平偏转;弱接触在浆脉到达之前受拉开裂,出现水平偏转;土体局部应力场的旋转,会引起倾斜偏转。浆脉发生偏转时,3种力学机理可以共同作用,但其中一种机理可能起主导作用。