【摘 要】
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注浆是岩土工程的各领域常用加固堵水技术,目前以恒压注浆为主,虽然解决了一定的问题,但是随着深部岩土工程和软岩工程的日益增多,常出现“低压难渗、高压跑浆、扩散不均匀”等问题。因此,需要解决难注岩体的注浆施工问题。脉冲注浆技术改变压力作用方式,可有效开启岩体微裂隙,增加浆液扩散范围及均匀性。目前,脉冲注浆技术已进行了相关工程实践,但未能明显改善现场注浆效果,缺乏对注浆原理这一科学问题的系统研究。为此,
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目(51474207,51864044); 煤炭资源与安全开采国家重点实验室主任基金资助项目(SKLCRSM21X003);
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注浆是岩土工程的各领域常用加固堵水技术,目前以恒压注浆为主,虽然解决了一定的问题,但是随着深部岩土工程和软岩工程的日益增多,常出现“低压难渗、高压跑浆、扩散不均匀”等问题。因此,需要解决难注岩体的注浆施工问题。脉冲注浆技术改变压力作用方式,可有效开启岩体微裂隙,增加浆液扩散范围及均匀性。目前,脉冲注浆技术已进行了相关工程实践,但未能明显改善现场注浆效果,缺乏对注浆原理这一科学问题的系统研究。为此,论文通过理论分析、数值仿真、实验室试验和现场实践等方法,对裂隙脉冲压力作用下浆液扩散规律及累积损伤机理进行了研究。主要成果如下:(1)研究得出脉冲压力作用下浆液在裂隙中的宏观扩散规律。脉冲压力使得浆液扩散速度及范围远超恒压注浆。脉冲频率增加了压力变化的速率,可有效克服摩擦阻力作用,削弱了裂隙壁面对浆液扩散速度的阻尼,增强了浆液的保压能力,促进浆液进一步扩散,频率越大,浆液内压力的衰减梯度就越低。(2)揭示了细观尺度上脉冲压力浆液在裂隙内的沿程压力分布及损失机制。脉冲压力以波的形式在裂隙内传播,岩体裂隙中浆液的压力分布和沿程损失也呈现明显的周期性。脉冲压力在岩体裂隙内产生干涉增幅并放大尖端附近的压力,脉冲压力频率不变则具有保压作用。(3)确定了脉冲压力对细观裂隙的启裂判断准则。裂隙扩展须有足够势能克服壁面表面能,基于格里菲斯理论确定了裂隙尖端启裂临界条件,裂隙极端强度因子主导裂隙的开启和扩展,仅与材料性质和裂隙长度相关。(4)揭示了脉冲压力对裂隙尖端的累积损伤机理。脉冲周期内升压会造成裂隙尖端的损伤,损伤累积使得尖端强度降低至一定程度后损伤迅猛增加,出现拉剪破坏,而缓慢损伤时为拉破坏。单周期内脉冲压降低时裂隙壁面位移回弹,压力增大可提供能量促使裂隙壁面继续向深位移,多周期内裂隙壁面的变形表现为持续的振动,而非持续向法向位移。脉冲压力不断补充能量使裂隙壁面的位移不断累积增加,直至位移导致的裂隙尖端拉应力超过其极限强度,最终使裂隙启裂扩展。(5)研究得出脉冲压力作用下裂隙岩体的宏观损伤特性。脉冲压力实现裂隙累积损伤的本质原因是压力变化率,压力变化率对不同岩体的损伤过程及效果差异显著,应对脉冲压力参数细分以实现细观损伤但宏观不破坏。泥质岩体需要高频低压脉冲注浆,高应力硬岩则需低频高压脉冲注浆。研究成果在园子沟煤矿泥质岩体巷道和高应力砂岩巷道进行了工程实践,注浆效果提升显著。该论文有图64幅,表7个,参考文献160篇。
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