注浆是一种应用广泛的地质体改良技术,可以达到加固地层、封堵地下水的有益效果。化学注浆技术的出现扩大了传统注浆技术的应用范围,解决了以往颗粒型浆液(如水泥)难以灌注地层的注浆加固与地下水控制问题。为深入认识化学浆液扩散机理,采用了“透明土(Transparent soil)”试验技术对化学注浆过程中的渗透扩散、水力劈裂和凝胶固结过程进行观测研究。主要研究方法、实验结果以及获得结论如下:(1)通过对比试验选择了透明效果更好的透明土材料。透明土是人工合成的、与天然土体材料工程性质近似的透明材料统称,由透明颗粒材料及具有相同折射率的孔隙流体配合制成。透明土实验技术的出现实现了对土体内部变形、渗流等问题的可视化观测,扩展了土力学试验的方式。在总结了国内外透明土研究最新进展的基础上,通过对比之前普遍采用的synthetic fused silica(人工熔融石英)和溴化钙合成的透明颗粒材料效果,提出了采用fused quartz(天然熔融石英)与矿物油配制透明砂土的方法。得到的透明砂土透明效果更好,扩大了透明土模型尺寸。同时,使用的材料价格低廉、来源广泛、无毒无害。(2)进行了透明土直接剪切和三轴试验,完成了试验过程可视化和数值模拟,确认了透明土模拟的适用性。进行了同级配透明砂和标准砂的室内土工试验,获得了两者的基本物理力学性质指标。对比结果显示两者渗透及压缩性质相近。按照国际标准进行了直剪剪切盒改造。改造的剪切盒(横截面为方形)其主要部分由透明有机玻璃制成,为透明土直剪试验可视化提供了便利。利用激光散斑技术对透明土直剪试验过程进行了非接触全场观测,获得了土体内部变形场的分布。采用基于离散元的颗粒流程序对试验结果进行了数值模拟,以散体力学中力链概念为基础探讨了直剪试验中砂土内部变形的细观机理。同样,采用激光散斑技术完成了透明砂土的三轴试验过程可视化,获得了三轴试样土体内部的变形场分布。采用三维颗粒流程序进行了相应数值模拟,探讨了数值模型参数对模拟结果的影响。基本土工试验结果和直剪、三轴试验结果表明所选用的透明砂适于模拟天然砂。(3)开发了透明土模型以及相匹配的光学观测系统和注浆模拟系统。光学观测系统主要由精密光学平台、可扩展模型架、反压气缸、多台CCD相机、图像采集卡等组成,可实现室内任意尺寸的透明土模型三维观测。注浆模拟系统由空气压缩机、耐压浆液容器、比例调节阀、压力传感器等组成。采用气压控制,可完成静止压力条件下化学浆液双液单注注浆控制和注浆压力信号采集。以改性脲醛树脂浆液为化学注浆材料,进行了静压注浆理论条件下透明土模型中的化学注浆过程可视化试验。(4)进行了静水驱水化学注浆模拟试验,并根据试验结果改进了Maag公式。采用3台相互垂直正交布置的CCD相机完成了注浆过程非接触全场全过程观测。利用Matlab GUI采用自编程方式实现了3台相机同步控制与图像采集。同时,基于机器视觉理论完成了相机标定。在此基础上提出了三视角条件下的图像处理与注浆扩散过程的三维重建的算法,该算法以BPLI二维平行轮廓线为基础发展而来。采用图像降噪、边缘识别、轮廓拟合、表面重建等算法实现,并通过Matlab GUI编程实现算法的程序化控制。试验结果表明:静水条件下化学浆液在透明砂土中的扩散受重力影响显著,而经典的Maag球形注浆扩散理论则忽略了重力的影响。因此,对Maag公式进行了添加重力因素的改进。采用有限元算法对模型条件下改进的公式进行了数值模拟。COMSOL Multiphysics数值模拟结果与透明土模型模拟结果基本吻合,可以认为考虑重力影响因素的改进计算公式合理。(5)进行了动水堵水化学注浆模拟试验,获得了地下水流对浆液扩散的控制作用机理。采用蠕动泵与流量传感器等设备实现了透明土模型中地下水流动条件的精确控制,为动水堵水化学注浆模拟提供了基础。在前述的设备与方法基础上完成了单一流向条件下化学注浆过程非接触全场全过程观测。试验结果表明:地下水流对化学浆液扩散起到控制作用。根据多孔介质流体动力学的理论推导了化学浆液顺水流方向上扩散界面的运动方程。同样,采用有限元算法对模型条件下运动方程进行数值模拟,COMSOL Multiphysics数值模拟结果与透明土模型模拟结果基本吻合。(6)进行了劈裂注浆试验,探讨了劈裂注浆的细观机理。设计了活塞式劈裂注浆容器,采用前述的设备与方法完成了砂土中化学浆液劈裂注浆模拟。试验结果表明:砂土中的化学浆液劈裂注浆与黏土中或岩体中的劈裂注浆机理不同。所产生的劈裂裂纹形态只有局部突起,并不产生典型的“锥(指)型”或“板型”裂纹。采用圆孔扩张理论对化学浆液的启裂压力进行了计算,并采用基于离散元的颗粒流程序对劈裂过程进行了模拟,探讨了劈裂注浆的细观机理。