CN115618643B - 宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，包括：根据工程需求预设宾汉水泥浆液水灰比、注浆时间、注浆压力、注浆管侧面注浆孔数目和注浆孔半径；通过岩土体试验得到岩土体的孔隙率和渗透系数，测量获得注浆点处地下水压力，且确定岩土体的迂曲度；通过流变试验或已有的研究结果获得水的黏度，并确定宾汉浆液启动压力梯度；求得考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用下的宾汉水泥浆液在岩土体中的扩散半径。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护与生态修复技术领域，尤其是宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法。
背景技术
众所周知，依据不同的流变方程，注浆浆液可分为牛顿流体、宾汉流体及幂律流体三类；同时注浆浆液在岩土体中的渗透注浆形式也可为分为球形、柱形及柱-半球形3种扩散形式。目前，在宾汉浆液在多孔介质中的渗透注浆机理领域取得了较好的研究成果。在不考虑宾汉浆液时变性的渗透扩散机理方面，杨坪《砂卵(砾)石层模拟注浆试验及渗透注浆机理研究》、杨秀竹《宾汉体浆液扩散半径的研究及应用》、杨志全《宾汉姆流体柱-半球形渗透注浆形式扩散参数的研究》等分别建立了宾汉浆液在球形、柱形与柱-半球形渗透注浆下的扩散参数关系式，张聪分析了基于脉动注浆的宾汉浆液渗透扩散机制，叶飞研究了宾汉浆液盾构隧道壁后注浆驱替及考虑其自重影响的管片注浆渗透扩散模型，路乔探讨了考虑扩散路径的宾汉浆液球形扩散渗透注浆机制，段英杰研究了基于渗滤效应的宾汉流体渗透注浆扩散机理。在考虑宾汉浆液时变性渗透扩散规律方面，叶飞与刘健等分别建立了考虑浆液黏度时变性的盾构隧道注浆渗透扩散模型，张连震与张庆松等探讨了考虑黏度时空变化特征的速凝浆液渗透注浆扩散机制，王庆磊研究了考虑黏度空间衰减的宾汉浆液柱形渗透注浆机制，杨志全等建立了黏度时变性宾汉水泥浆液的流变方程与渗流运动方程并以此推导了呈球形、柱形与柱-半球形的渗透注浆扩散机理；此外，周军霞《考虑浆液粘时变性渗透注浆理论计算公式》、韩烨《考虑黏度时变性的宾汉姆浆液注浆扩散机理研究》也对宾汉浆液时变性渗透扩散机理开展了一定的研究。在考虑岩土体迂曲度对宾汉浆液渗透扩散半径影响方面，张焜《考虑迂曲度的多孔介质渗透注浆机理研究》、秦洲《考虑迂曲度的盾尾注浆毛细管渗透扩散模型》、朱定桂《考虑迂曲度的水泥-水玻璃双液浆柱形渗透机制研究》分别研究了考虑岩土体迂曲度的宾汉浆液球形、柱形渗透注浆机制。
如专利公开号为“CN113297815A”、名称为“一种考虑多孔松散介质迂曲度的宾汉姆型水泥浆液渗透注浆扩散半径计算方法”的中国发明专利，其通过宾汉姆流体流变曲线得到宾汉姆流体本构方程中的屈服应力与塑性黏度，并得到不同水灰比的宾汉型水泥浆液流变方程；根据宾汉型水泥浆液在岩土体流动路径迂曲度和宾汉型水泥浆液流变方程，推导出考虑多孔介质迂曲度的宾汉姆流体的渗流运动方程；根据注浆初始条件及边界条件，推导出考虑多孔松散介质迂曲度影响的宾汉姆型水泥浆液渗透注浆扩散半径计算式。该技术仅考虑了多孔松散介质迂曲度对宾汉姆型水泥浆液柱形渗透注浆扩散半径的作用，未考虑宾汉浆液时变性与水灰比对其的影响；同时，水泥浆液在多孔介质中的渗透注浆可表现球形、柱形及柱-半球形3 种扩散形式，而不同的渗透扩散形式也具有不同的渗透注浆机理；该技术以宾汉水泥浆液在多孔介质中的柱形渗透注浆扩散形式为研究对象，而本发明则针对宾汉水泥浆液在多孔介质中的柱-半球形渗透注浆扩散方式开展探索。因此，它们具有不同的渗透注浆扩散半径确定方法。
又如，专利公开号为“CN 113310847 A”、名称为“一种考虑时间与水灰比耦合效应的宾汉型水泥浆液流变参数计算方法”的中国发明专利。该发明仅提出了一种考虑时间与水灰比耦合效应的宾汉型水泥浆液流变参数计算方法，而未提出其在岩土体中渗透注浆扩散半径确定方法；而本发明则针对考虑宾汉浆液时间-水灰比效应与岩土体迂曲度综合影响的柱-半球渗透注浆扩散半径如何计算得到开展探索。
据工程实践与理论研究表明：宾汉浆液水灰比、时变性及岩土体迂曲度均对渗透扩散过程及注浆效果具有非常重要的影响。然而，通过分析目前国内外的相关文献与专利可知：当前的宾汉浆液渗透注浆机理仅从浆液时变性、岩土体迂曲度单独对渗透扩散半径的影响方面开展研究，而均尚未考虑宾汉浆液水灰比、时变性及岩土体迂曲度的综合作用对渗透扩散过程及注浆效果的影响。由此可见，目前的渗透注浆理论难以满足注浆工程实践的需求，因此也不能合理有效地确定考虑宾汉浆液水灰比、时变性及岩土体迂曲度综合影响的宾汉浆液在岩土体中呈柱-半球形的渗透注浆扩散半径。
因此，急需要提出一种更符合注浆工程实践的考虑宾汉浆液水灰比、时变性及岩土体迂曲度综合影响的宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，本发明采用的技术方案如下：
宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其包括以下步骤：
根据工程需求预设宾汉水泥浆液水灰比、注浆时间、注浆压力、注浆管侧面注浆孔数目和注浆孔半径；
通过岩土体试验得到岩土体的孔隙率和渗透系数，测量获得注浆点处地下水压力，且确定岩土体的迂曲度；
通过流变试验或已有的研究结果获得水的黏度，并确定宾汉浆液启动压力梯度；
利用公式（1）求得考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用下的宾汉水泥浆液在岩土体中的扩散半径，其表达式为：
（1）
其中，表示自然对数的底；表示注浆压力；表示水的密度；表示重力加速度；表示注浆压力与注浆点处地下水压力的压差。
进一步地，所述宾汉水泥浆液水灰比的表达式为：
（2）
其中，表示配置宾汉水泥浆液所需水的质量；表示配置宾汉水泥浆液所需水泥的质量。
进一步地，所述岩土体的孔隙率的表达式为：
（3）
其中，为4℃时纯蒸馏水密度；表示岩土体密度；表示岩土体质量含水量；表示岩土体比重。
优选地，所述岩土体质量含水量采用烘干法测量获得。
优选地，所述岩土体比重采用比重瓶法与虹吸筒法结合测量获得。
优选地，所述岩土体的渗透系数采用现场注水试验或室内渗透试验方法获得。
优选地，所述注浆点处地下水压力采用在现场埋设孔隙水压力传感器测量获得。
进一步地，所述岩土体迂曲度的表达式为：
（4）
其中，表示浆液在岩土体中的实际流动路径长度；为浆液在岩土体中实际流动路径对应的直线长度。
优选地，所述水的黏度采用旋转或毛细管黏度计开展流变试验或依据目前已有的研究结果获得。
进一步地，所述宾汉浆液启动压力梯度的表达式为：
（5）
其中，表示自然对数的底；表示水的密度；表示重力加速度；表示宾汉水泥浆液水灰比；表示岩土体的孔隙率；表示岩土体的渗透系数；表示水的黏度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明针对目前渗透注浆理论的不足与实际注浆工程中面临的技术难题，以国内外注浆工程实践中广泛应用的宾汉水泥浆液（水灰比为0.75～1.25的水泥浆液）为研究对象，本发明提出的考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透注浆扩散半径确定方法更能反映宾汉水泥浆液在岩土体中的渗透注浆扩散规律，由此得到的扩散半径更符合注浆工程实践，可为岩土体的渗透注浆实践工程提供的理论支撑。
（2）本发明具有参数确定简单快捷，节约工程成本；其中。一方面，本发明不用采用流变试验获得宾汉水泥浆液的流变参数，仅根据实际需求设计确定宾汉水泥浆液的合适水灰比即可，其可以节约时间、人力与物力；另一方面，本发明根据注浆实践工程，在已知确定宾汉水泥浆液在岩土体中的实际扩散半径条件下，可依据本发明的方法反算得到需要的较精确注浆压力与注浆时间，进而避免工程材料浪费。
综上所述，本发明具有逻辑简单、准确可靠等优点，在环境保护与生态修复技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的逻辑流程图。
图2为本发明的渗透注浆扩散形式图。
图3为图2的A-A视图。
图4为本发明中渗透扩散实际流动路径示意图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-注浆管；2-侧面注浆孔，3-底部注浆孔；4、土粒；5、孔隙。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一目标对象和第二目标对象等是用于区别不同的目标对象，而不是用于描述目标对象的特定顺序。另外，公式（1）中的字母A无实际含义，其为了缩短公式长度，以实现清晰展示。
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
实施例1
如图1至图4所示，本实施例提供了一种宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其考虑宾汉浆液水灰比、时变性及岩土体迂曲度的综合作用对柱-半球形渗透注浆扩散半径的影响，具体步骤如下：
1）设计宾汉水泥浆液水灰比=1.00、注浆时间=25s、注浆压力=70000 Pa、注浆管侧面注浆孔数目=2及其半径=6.0×10-3m；
2）利用岩土体试验得到岩土体的孔隙率=43.10%、渗透系数=2.14×10-2 m/s、测量获得的注浆点处地下水压力=0 Pa，同时依据已有的研究成果选取岩土体迂曲度=2.25，如图4所示，宾汉水泥浆液在岩土体中的渗透注浆扩散实际流动路径示意图（路径为宾汉水泥浆液在岩土体中的理论流动路径，为宾汉水泥浆液在岩土体中的实际流动路径）。
其中，岩土体孔隙率中参数如下：=1000kg/m3、岩土体密度=1511.17 kg/m3、质量含水量=0.22%、比重=2.65。
3）依据目前已有的研究结果获得水的黏度=1.01×10-3 Pa·s，并确定宾汉浆液启动压力梯度=7007.64 Pa/ m。
4）采用公式（1）求得考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透注浆扩散半径。
通过分析确定得到本实施例的考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透注浆扩散半径确定方法得到的扩散半径理论值为0.1628 m，而采用不考虑这些因素影响的柱-半球形渗透注浆扩散半径计算方法获得的扩散半径理论值分别为0.1872 m，且依据本实施开展的试验值为0.0831 m。由此可知：依据本实施例提出的考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透半径确定方法得到的本实施例扩散半径理论值较不考虑这些因素影响的柱-半球形渗透注浆扩散半径计算方法获得的扩散半径理论值更接近试验值。
实施例2
本实施例提供了一种宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，具体步骤如下：
1）设计宾汉水泥浆液水灰比=0.90、注浆时间=9s、注浆压力=80000 Pa、注浆管侧面注浆孔数目=2及其半径=6.0×10-3m；
2）利用岩土体试验得到岩土体的孔隙率=43.60%、渗透系数=2.89×10-2 m/s、测量获得的注浆点处地下水压力=0 Pa，同时依据已有的研究成果选取岩土体迂曲度=2.25；
岩土体孔隙率中参数如下：由岩土体试验测得的岩土体密度=1497.44 kg/m3、质量含水量=0.17%、比重=2.65。
3）依据目前已有的研究结果获得水的黏度=1.01×10-3 Pa·s，并确定宾汉浆液启动压力梯度=12192.76 Pa/ m；
4）求得考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透注浆扩散半径。
通过分析确定得到本实施例的考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透注浆扩散半径确定方法得到的扩散半径理论值为0.1264 m，而采用不考虑这些因素影响的柱-半球形渗透注浆扩散半径计算方法获得的扩散半径理论值分别为0.1450 m，且依据本实施开展的试验值为0.0553 m。由此可知：依据本实施例提出的考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透半径确定方法得到的本实施例扩散半径理论值较不考虑这些因素影响的柱-半球形渗透注浆扩散半径计算方法获得的扩散半径理论值更接近试验值。
实施例3
本实施例提供了一种宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，具体步骤如下：
1）设计宾汉水泥浆液水灰比=0.80、注浆时间=6s、注浆压力=100000 Pa、注浆管侧面注浆孔数目=2及其半径=6.0×10-3m；
2）利用岩土体试验得到岩土体的孔隙率=43.90%、渗透系数=2.89×10-2 m/s、测量获得的注浆点处地下水压力=0 Pa，同时依据已有的研究成果选取岩土体迂曲度=2.25；
岩土体孔隙率中参数如下：由岩土体试验测得的岩土体密度= 1490.22 kg/m3、质量含水量=0.24%、比重=2.65。
3）依据目前已有的研究结果获得水的黏度=1.01×10-3 Pa·s，并确定宾汉浆液启动压力梯度= 19933.41 Pa/ m；
4）求得考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透注浆扩散半径，
通过分析确定得到本实施例的考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透注浆扩散半径确定方法得到的扩散半径理论值为0.1243 m，而采用不考虑这些因素影响的柱-半球形渗透注浆扩散半径计算方法获得的扩散半径理论值分别为0.1429 m，且依据本实施开展的试验值为0.0629 m。由此可知：依据本实施例提出的考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用的柱-半球形渗透半径确定方法得到的本实施例扩散半径理论值较不考虑这些因素影响的柱-半球形渗透注浆扩散半径计算方法获得的扩散半径理论值更接近试验值。
综上所述，本发明提出的一种宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法更能反映宾汉水泥浆液在岩土体中的渗透注浆扩散规律，更符合注浆工程实践。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据工程需求预设宾汉水泥浆液水灰比ω、注浆时间t、注浆压力p1、注浆管侧面注浆孔数目n和注浆孔半径r；
通过岩土体试验得到岩土体的孔隙率φ和渗透系数K，测量获得注浆点处地下水压力p0，且确定岩土体的迂曲度ξ；
通过流变试验或已有的研究结果获得水的黏度μw，并确定宾汉浆液启动压力梯度λ；
利用公式(1)求得考虑宾汉浆液水灰比、时变性效应及岩土体迂曲度综合作用下的宾汉水泥浆液在岩土体中的扩散半径R，其表达式为：
其中，e表示自然对数的底；p1表示注浆压力；ρw表示水的密度；g表示重力加速度；Δp表示注浆压力与注浆点处地下水压力的压差；
所述宾汉浆液启动压力梯度λ的表达式为：
其中，e表示自然对数的底；ρw表示水的密度；g表示重力加速度；ω表示宾汉水泥浆液水灰比；φ表示岩土体的孔隙率；K表示岩土体的渗透系数；μw表示水的黏度。
2.根据权利要求1所述的宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其特征在于，所述宾汉水泥浆液水灰比ω的表达式为：
其中，mw表示配置宾汉水泥浆液所需水的质量；mc表示配置宾汉水泥浆液所需水泥的质量。
3.根据权利要求1或2所述的宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其特征在于，所述岩土体的孔隙率φ的表达式为：
其中，
为4℃时纯蒸馏水密度；ρ表示岩土体密度；ω1表示岩土体质量含水量；GS表示岩土体比重。
4.根据权利要求3所述的宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其特征在于，所述岩土体质量含水量ω1采用烘干法测量获得。
5.根据权利要求3所述的宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其特征在于，所述岩土体比重GS采用比重瓶法与虹吸筒法结合测量获得。
6.根据权利要求1或2所述的宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其特征在于，所述岩土体的渗透系数K采用现场注水试验或室内渗透试验方法获得。
7.根据权利要求1或2所述的宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其特征在于，所述注浆点处地下水压力p0采用在现场埋设孔隙水压力传感器测量获得。
8.根据权利要求1或2所述的宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其特征在于，所述岩土体迂曲度ξ的表达式为：
其中，Le表示浆液在岩土体中的实际流动路径长度；L为浆液在岩土体中实际流动路径对应的直线长度。
9.根据权利要求1或2所述的宾汉浆液时水效应岩土体迂曲度柱半球渗透半径确定方法，其特征在于，所述水的黏度μw采用旋转或毛细管黏度计开展流变试验或依据目前已有的研究结果获得。
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