CN115753520B - 幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，包括：采用岩土体试验获得岩土体孔隙率
与渗透系数
，并确定其迂曲度
；测量得到注浆点处地下水压力
，并预设注浆压力
、注浆时间
与幂律水泥浆液水灰比
；选取注浆管及确定其注浆孔半径
；利用现有研究数据或流变试验得到水的黏度
；求得考虑幂律浆液时变性、水灰比与岩土体迂曲度综合影响的球形渗透注浆扩散半径
。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护与生态修复技术领域，尤其是幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法。
背景技术
注浆浆液在松散岩土体中的渗透注浆扩散形式可表现为球形、柱形及柱-半球形3种类型，如图1至图3所示。其中，当注浆管端部注浆（即点注浆）时，注浆浆液在多孔松散介质中的扩散形式呈球形，其形成球形类型的渗透注浆扩散形态。另外，当注浆不分段（注浆管穿过含水层到达底部不透水层），即通过完整孔或自下而上分段注浆时，注浆浆液在多孔松散介质中的扩散形式呈柱形，即柱形类型的渗透注浆扩散形态。当非完整孔或自上而下分段注浆时，注浆浆液在多孔松散介质中的扩散形式表现为柱-半球形，即柱-半球形类型的渗透注浆扩散形态。
另外，注浆浆液依据不同的流变方程可分为牛顿流体、宾汉流体及幂律流体三类，注浆浆液的三种类型及其流变方程如表1所示：
表1注浆浆液的三种类型及其流变方程
| 注浆浆液类型 | 流变方程 | 符号代表的含义 |
| 牛顿流体 | #timg# | #timg#为剪切应力，#timg#为动力粘度，#timg#为剪切速率 |
| 宾汉流体 | #timg# | #timg#为剪切应力，为#timg#屈服应力，#timg#为塑性粘度，#timg#为剪切速率 |
| 幂律流体 | #timg# | #timg#为剪切应力，#timg#为稠度系数，#timg#为流变指数，#timg#为剪切速率 |
从图1至图3以及表1可知，不同流体类型的注浆浆液在松散岩土体中的不同扩散形式的渗透注浆具有显著不同的渗透扩散形态与扩散效果，进而表现为不同的渗透注浆扩散机理；因此它们具有显著不同的渗透注浆扩散半径确定方法。
目前，一些学者对幂律流体在松散多孔介质中的渗透扩散规律开展了一定的研究。在不考虑幂律流体流变参数时变性渗透扩散机理方面，如杨秀竹在《幂律型浆液扩散半径研究》中推导了幂律流体在多孔介质中以球形方式扩散的渗透注浆机理，杨志全《幂律型流体柱形渗透注浆机制》和《幂律型流体的柱–半球形渗透注浆机制研究》在此基础上分别探讨了幂律流体在多孔介质中以柱形、柱-半球形扩散的渗透注浆扩散半径计算公式，张聪在《考虑区间分布的幂律流体脉动渗透注浆扩散机制研究》中分析了考虑区间分布的幂律流体脉动渗透注浆扩散机制；叶飞则在《盾构隧道管片注浆幂律流型浆液渗透扩散模型》中探讨了盾构隧道管片注浆幂律浆液球形渗透扩散模型。在考虑幂律流体流变参数时变性渗透扩散规律方面，如杨志全在《Penetration Grouting Mechanism of Time-DependentPower‐Law Fluid for Reinforcing Loose Gravel Soil》和《流变参数时变性幂律型水泥浆液的柱形渗透注浆机制研究》中研究了考虑流变参数时变性幂律水泥浆液在多孔介质呈球形、柱形扩散的渗透注浆机制；杨剑在《考虑稠度时变作用幂律型浆液的隧道管片壁后注浆柱形扩散研究》中分析了考虑稠度时变作用幂律浆液的隧道管片壁后注浆柱形扩散规律。在考虑多孔介质迂曲度对渗透扩散影响方面，如张焜《考虑迂曲度的多孔介质渗透注浆机理研究》中、杨志全《考虑多孔介质迂回曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机制》等分别研究了考虑多孔介质迂曲度的幂律流体球形、柱形渗透注浆机制。
再如专利公开号为“CN 114720331A”、名称为“岩土体迂曲度幂律浆液时变性的柱半球渗透半径确定方法”的中国发明专利。该技术以幂律水泥浆液为研究对象提出了一种考虑岩土体迂曲度与幂律水泥浆液时变性耦合效应的柱-半球形渗透注浆扩散半径的确定方法；而本技术则针对幂律水泥浆液时变性、水灰比与岩土体迂曲度综合影响的球形渗透扩散形式的注浆扩散半径如何得到开展探索。由此可见，二者虽均以幂律流体类型的水泥浆液为研究对象，但它们在岩土体中的渗透注浆扩散形式不一样，因此它们具有不同的渗透扩散形态；同时，本技术除考虑岩土体迂曲度与幂律水泥浆液时变性（前者考虑的影响因素）外，还考虑了幂律水泥浆液水灰比对渗透扩散形态与扩散效果的影响。由此可见，它们表现为显著不同的渗透注浆扩散机理，进而也具有显著不同的渗透注浆扩散半径确定方法。
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。该技术以宾汉流体类型的水泥浆液为研究对象，仅考虑了多孔松散介质迂曲度对宾汉流体类型的水泥浆液渗透注浆扩散半径的影响，而未考虑其时变性与水灰比对其的影响；而本技术针对幂律流体类型的水泥浆液开展探索。水泥浆液依据不同的流变本构方程可分为牛顿、宾汉及幂律三种流体类型，不同流体类型的水泥浆液在多孔介质中具有不同的渗透注浆机理，由此可见，它们具有显著不同的渗透注浆扩散半径确定方法。
又如专利申请号为“202211389067.X”名称为“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”的中国发明专利。该技术以宾汉流体类型的水泥浆液为研究对象提出了一种考虑宾汉流体类型的水泥浆液水灰比、时变性及岩土体迂曲度综合影响的柱-半球形渗透注浆扩散半径的确定方法；而本技术则针对幂律流体类型的水泥浆液时变性-水灰比作用与岩土体迂曲度综合影响的球形渗透注浆扩散半径如何计算得到开展探索。因此，二者不仅水泥浆液所属的流体类型不相同，而且水泥浆液在岩土体中的渗透注浆扩散形式也不一样，它们具有不同的渗透扩散形态与扩散效果。由此可见，它们也表现为显著不同的渗透注浆扩散机理，进而也具有显著不同的渗透注浆扩散半径确定方法。
据工程实践与理论研究表明：幂律浆液水灰比、时变性与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：当前已有的幂律浆液渗透注浆机理仅从岩土体迂曲度、浆液时变性单独或二者耦合效应对渗透扩散半径及注浆效果的影响方面开展研究，而均尚未考虑幂律浆液水灰比、时变性与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，现有技术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幂律浆液时变性、水灰比与岩土体迂曲度综合影响的幂律浆液在岩土体中呈球形扩散的渗透注浆半径。
因此，急需提出一种更符合注浆工程实践的幂律浆液时变性、水灰比与岩土体迂曲度综合影响的球形渗透注浆扩散半径确定方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，本发明采用的技术方案如下：
幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，其包括以下步骤：
采用岩土体试验获得岩土体孔隙率 与渗透系数，并确定其迂曲度；
测量得到注浆点处地下水压力，并预设注浆压力、注浆时间与幂律水泥浆液水灰比；所述幂律水泥浆液采用常温下的#32.5硅酸盐水泥；
选取注浆管及确定其注浆孔半径；
利用现有研究数据或流变试验得到水的黏度；
求得考虑幂律浆液时变性、水灰比与岩土体迂曲度综合影响的球形渗透注浆扩散半径，其表达式为：
其中，表示自然对数的底；表示水的密度；表示重力加速度；表示水的黏度。
进一步地，所述幂律水泥浆液水灰比的表达式为：
其中，表示配置幂律水泥浆液所需水泥的质量；表示配置幂律水泥浆液所需水的质量。
优选地，所述水的黏度采用毛细管或旋转黏度计开展流变试验或依据现有的研究结果得到。
进一步地，所述岩土体的迂曲度的表达式为：
其中，表示幂律浆液在岩土体中的实际流动路径长度；表示幂律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。
进一步地，所述岩土体的孔隙率的表达式为：
其中，表示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，所述岩土体密度采用灌水法、灌砂法或环刀法其中之一测量方式获得。
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。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明针对现有技术的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幂律水泥浆液（水灰比为0.50～0.75的水泥浆液）为研究对象，提出的一种考虑幂律浆液水灰比、时变性与岩土体迂曲度综合作用的幂律浆液在岩土体中呈球形扩散的渗透注浆半径确定方法，其更能反映幂律水泥浆液在岩土体中的渗透注浆扩散形态与效果，由此得到的渗透注浆扩散半径更符合实际的注浆工程需求，可为岩土体的渗透注浆实践工程提供技术指导与支撑。
（2）本发明的各个技术参数确定简单快捷方便，节约工程成本，提高了工作效率。一方面，本发明不需通过流变试验获得幂律水泥浆液的流变参数，仅依据实际情况需求设计确定幂律水泥浆液加固岩土体所需的合适水灰比即可，因此，本发明节约时间、人力与物力，加快了工作进度。另一方面，本发明在已知幂律水泥浆液在岩土体中的渗透注浆扩散半径条件下，也可根据本发明提出的一种幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法反算得到所需的较精确注浆压力与注浆时间，进而避免工程材料浪费，提高工作效率。
综上所述，本发明具有技术参数确定快捷方便、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为现有技术中的球形扩散示意图。
图2为现有技术中的柱形扩散示意图。
图3为现有技术中的柱-半球扩散示意图。
图4为本发明中幂律水泥浆液在岩土体中的球形渗透注浆扩散示意图。
图5为本发明中幂律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。
图6为本发明中三个实施例中幂律水泥浆液在岩土体中呈球形渗透注浆扩散半径理论值与试验值对比图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1、岩土体；2、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。
本实施例中，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
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。
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。
在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个处理单元是指两个或两个以上的处理单元；多个系统是指两个或两个以上的系统。
实施例1
在本技术中，公式的A、B、C、D无实际含义，由于公式较长不便于显示，故进行拆分成四个板块。
如图4至图6所示，本实施例提供了一种幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，其考虑幂律水泥浆液水灰比、时变性与岩土体迂曲度综合作用对幂律浆液在岩土体中呈球形渗透注浆扩散半径的影响，具体步骤如下：
1）采用岩土体试验获得岩土体孔隙率=45.05%、渗透系数=2.11×10-2m/s，且依据现有的研究成果选取岩土体迂曲度=2.25，如图5所示，幂律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（表示幂律浆液在岩土体中的实际流动路径长度；表示幂律浆液在岩土体中实际流动路径对应的直线长度）。
其中，岩土体孔隙率采用下式计算得到：
其中，=1000kg/m3；由岩土体试验测得的岩土体密度=1496.80 kg/m3、质量含水量=2.79%、比重=2.65。
2）测量获得的注浆点处地下水压力=0 Pa，同时设计注浆压力=40000 Pa、注浆时间=21.1s、幂律水泥浆液水灰比=0.75，注浆管中注浆孔半径=7.50×10-3m；在本实施例中，在温度为常温（25 ℃）的条件下，以在目前实践工程中广泛使用的#32.5 普通硅酸盐水泥为研究对象。
3）依据现有的研究结果或利用流变试验得到水的黏度=0.89×10-3 Pa·s；
4）求得考虑幂律浆液时变性、水灰比与岩土体迂曲度综合影响的球形渗透注浆扩散半径，其表达式为：
其中，表示自然对数的底；表示水的密度（kg/m3），一般取1000kg/m3；表示重力加速度（m/s2），一般取9.8m/s2；表示水的黏度。
通过分析确定得到本实施例的考虑幂律水泥浆液水灰比、时变性与岩土体迂曲度综合作用的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0.1555 m，而采用不考虑这些因素影响的幂律浆液在岩土体中呈球形渗透注浆扩散半径计算方法获得的扩散半径理论值为0.1890 m，同时依据本实施开展的试验值为0.0640 m。由此可知：依据本实施例提出的考虑幂律水泥浆液水灰比、时变性与岩土体迂曲度综合作用的球形渗透注浆扩散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幂律浆液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幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，具体步骤如下：
1）采用岩土体试验获得岩土体孔隙率=50.74%、渗透系数=8.94×10-2m/s，且依据现有的研究成果选取岩土体迂曲度=2.25；
其中，岩土体孔隙率中参数如下：4℃时纯蒸馏水密度=1000kg/m3；由岩土体试验测得的岩土体密度=1369.08 kg/m3、质量含水量=2.18%、比重=2.72。
2）测量获得的注浆点处地下水压力=0 Pa，同时设计注浆压力=20000 Pa、注浆时间=300.4s、幂律水泥浆液水灰比=0.50，注浆管中注浆孔半径=7.50×10-3m。
3）依据现有的研究结果或利用流变试验得到水的黏度=0.89×10-3 Pa·s；
4）求得考虑幂律浆液时变性、水灰比与岩土体迂曲度综合影响的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幂律水泥浆液水灰比、时变性与岩土体迂曲度综合作用的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0.1667 m，而采用不考虑这些因素影响的幂律浆液在岩土体中呈球形渗透注浆扩散半径计算方法获得的扩散半径理论值为0.2271 m，同时依据本实施开展的试验值为0.0829 m。由此可知：依据本实施例提出的考虑幂律水泥浆液水灰比、时变性与岩土体迂曲度综合作用的球形渗透注浆扩散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幂律浆液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幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，具体步骤如下：
1）采用岩土体试验获得岩土体孔隙率=39.93%、渗透系数=0.65×10-2m/s，且依据现有的研究成果选取岩土体迂曲度=2.25。
其中，岩土体孔隙率中参数如下：4℃时纯蒸馏水密度=1000kg/m3；由岩土体试验测得的岩土体密度=1630.03 kg/m3、质量含水量=3.24%、比重=2.63。
2）测量获得的注浆点处地下水压力=0 Pa，同时设计注浆压力=80000 Pa、注浆时间=19.1s、幂律水泥浆液水灰比=0.75，注浆管中注浆孔半径=7.50×10-3m；
3）依据现有的研究结果或利用流变试验得到水的黏度=0.89×10-3 Pa·s；
4）求得考虑幂律浆液时变性、水灰比与岩土体迂曲度综合影响的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幂律水泥浆液水灰比、时变性与岩土体迂曲度综合作用的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0.1393 m，而采用不考虑这些因素影响的幂律浆液在岩土体中呈球形渗透注浆扩散半径计算方法获得的扩散半径理论值为0.1691 m，同时依据本实施开展的试验值为0.0660 m。由此可知：依据本实施例提出的考虑幂律水泥浆液水灰比、时变性与岩土体迂曲度综合作用的球形渗透注浆扩散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幂律浆液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，本发明提出的一种幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法更能反映幂律水泥浆液在岩土体中呈球形方式的渗透注浆扩散形态与效果，由此得到的渗透注浆扩散半径更符合实际的注浆工程需求。与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，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。
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 (7)
1.幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用岩土体试验获得岩土体孔隙率φ与渗透系数K，并确定其迂曲度ξ；
测量得到注浆点处地下水压力p0，并预设注浆压力p1、注浆时间t与幂律水泥浆液水灰比ω；所述幂律水泥浆液采用常温下的#32.5硅酸盐水泥；
选取注浆管及确定其注浆孔半径r；
利用现有研究数据或流变试验得到水的黏度μw；
求得考虑幂律浆液时变性、水灰比与岩土体迂曲度综合影响的球形渗透注浆扩散半径R，其表达式为：
Δp＝p1-p0＝A×B×C×D
D＝R3(0.874ω-0.019)×(R(1.038-1.748ω)-r(1.038-1.748ω))
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；
所述岩土体的迂曲度ξ的表达式为：
其中，Le表示幂律浆液在岩土体中的实际流动路径长度；L表示幂律浆液在岩土体中实际流动路径对应的直线长度；
所述岩土体的孔隙率φ的表达式为：
其中，
表示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。
2.根据权利要求1所述的幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，其特征在于，所述幂律水泥浆液水灰比ω的表达式为：
其中，mc表示配置幂律水泥浆液所需水泥的质量；mw表示配置幂律水泥浆液所需水的质量。
3.根据权利要求1所述的幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，其特征在于，所述水的黏度μw采用毛细管或旋转黏度计开展流变试验或依据现有的研究结果得到。
4.根据权利要求1或2或3所述的幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，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。
5.根据权利要求1所述的幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，其特征在于，所述岩土体密度ρ采用灌水法、灌砂法或环刀法其中之一测量方式获得。
6.根据权利要求1所述的幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，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。
7.根据权利要求1所述的幂律浆液时水作用岩土体迂曲度的球形渗透半径确定方法，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。
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