劈裂注浆扩散半径及压力衰减分析

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1、水利学报年月第卷第期文章编号劈裂注浆扩散半径及压力衰减分析邹金锋李亮杨小礼中南大学土木建筑学院湖南长沙摘要本文假设浆液在裂缝中的流动符合达西定律劈裂注浆在土体中形成的裂缝宽度为均匀裂缝宽度推导出劈裂注浆的注浆压力沿裂缝长度的衰减规律以及裂缝在土体中的扩散规律并用数值分析的结果证明了这些规律的可靠性随后分析了多孔注浆时的相互影响得出最优注浆孔数量及其布置方式同时推导出多孔同时注浆时各个主流线上注浆压力的大小以及此时的浆液扩散半径关键词劈裂注浆扩散半径衰减规律注浆压力最优中图分类号文献标识码劈裂注浆是一种应用比较广泛的地基加固方法它的原理是当在弱透水性地基中施加持续

2、增大的注浆压力使土体产生水力劈裂后浆液在劈裂面上所施加的压力就会推动裂缝迅速张开而形成注浆裂缝随着注浆压力的持续增大以及浆液的逐渐注入土体中的浆液就会在钻孔附近形成纵横交错的网状浆脉这样通过所形成的浆脉挤压土体以及以浆脉的骨架作用来加固土体土体的法向应力和土体刚度也将得到显著提高在此过程中土体加固的效果不仅与注浆压力有直接的关系也与土体中浆液劈开的裂缝宽度和裂缝扩散的距离有很大关系而且这两个因素都将直接影响土体的加固效果裂缝越宽浆脉延伸的距离越远被加固区的加固效果就会越好然而以前劈裂注浆的研究基本都局限于注浆压力和浆液成分分析而对劈裂注浆中浆液裂缝即浆脉的扩散距

3、离注浆压力的衰减规律以及多孔同时注浆时的相互影响的研究却较少而这些因素在工程应用领域又有着举足轻重的地位本文以渗透注浆的一些理论基础为指导思想从理论上来分析劈裂注浆中这几个关键因素的实质内涵理论分析问题的分析与假定当劈裂注浆的注浆压力达到土体的启裂压力时浆液将会在地层中产生劈裂流动若地层中存在软弱破裂面浆液将先沿软弱面进行劈裂流动当地层比较均匀时初始劈裂面就是垂直的在一般情况下浆液的劈裂面将发生在阻力最小的小主应力面只有当裂缝发展到一定程度注浆压力又重新上升且地层中大小主应力的方向发生相应的变化后第二个劈裂面才会出现其示意图如图所示图土体中劈裂注浆的劈裂面对于劈

4、裂注浆在土体中形成的最终裂缝宽度而言它在沿着裂缝发展的方向上是不均匀分布的离注浆孔的距离越近其裂缝的宽度越宽反之则裂缝的宽度越窄收稿日期基金项目国家自然科学基金资助项目作者简介邹金锋男河南新县人博士生主要从事地基处理与加固方面的研究注浆压力沿裂缝发展方向上的分布规律也与裂缝宽度的分布规律相似离注浆孔愈近压力愈大反之压力愈小基于上述分析本文做如下近似假定浆液为牛顿流体它在裂缝内的流速较小且浆液流速变化的影响可以忽略不计则浆液为层流运动且符合达西定律除劈开土体要损耗一部分注浆压力之外剩余注浆压力主要用来克服裂缝中浆液的流动这两部分压力导致最终不均匀裂缝宽度的出现为了

5、分析的方便设最终裂缝宽度为均匀裂缝宽度并将裂缝面上的曲折粗糙面简化为平直型缝面不计地层应力分布的不均匀性劈裂面是以图裂缝扩张计算模型注浆孔为中心的平面径向辐射的圆形裂缝面根据注浆方式可参考点源球型模型其计算模型如图所示图中为注浆压力为沿着裂缝上分布的注浆压力衰减值为浆液的扩散半径为浆液的最大扩散半径为注浆管的半径为土层的启劈注浆压力值为裂缝的平均裂缝宽度虽然上述假定忽略了劈裂注浆时浆液在土体中流动的紊乱性裂缝扩展的不均匀性裂缝中各种摩擦力地应力分布的不均匀性以及土体中浆液的扩散在实际状态中也不一定是以平面径向辐射的圆形裂缝面等但与劈裂注浆的实际状态还是比较接近同

6、时也便于对劈裂注浆中浆液扩散规律和注浆压力沿着裂缝的衰减规律进行充分的分析因此上述模型是一个较为合理的简化分析模型理论推导在孔内注浆压力的作用下浆液将沿着平行于裂缝面的平面径向流动按照牛顿流体考虑设流动沿轴且满足方程式中为流速为质量力为流体密度为运动黏度为注浆压力假设黏度保持不变则可得式中为平均流速为压力差为运动黏度为裂液裂缝长度为裂缝宽度如果浆液的运动黏度为变量设其只与时间有关即则浆液的流动为非定常的方程为根据定解条件当时当时当?时求解式得式中为具有初始运动黏度的浆液能够扩散到的最大距离对于牛顿流体则有将式代入并进行积分则得距注浆孔距离为处的注浆压力为式中为半

7、径为处的注浆压力值为注浆孔内的注浆压力值为注浆孔的半径式可改写为式表明在注浆过程中注浆压力沿着裂缝发展方向上的衰减规律为裂缝上任意一点的注浆压力与裂缝扩散半径的对数和注浆量成正比与裂缝宽度的三次方成反比因此裂缝的宽度愈小压力就衰减的愈快假设土体的启劈注浆压力为则当裂缝前端的注浆压力值与土体的启劈注浆压力相等时便可求得在注浆压力的作用下浆液能够扩散到的最大半径为不难看出式和上述一系列推导过程中所述坐标系为同一坐标系当浆液扩散半径达到最大值时注浆孔中单一裂缝的注浆量为单?利用式式可以求得在注浆压力的作用下浆液的最大扩散半径和单一裂缝的注浆量单从式可以看出最大扩散半径

8、与裂缝宽度的三次方以及初