裂隙岩体水泥灌浆效果评价及数值模拟研究.pptx

汇报内容汇报内容基本概述基本概述基本理论与方法基本理论与方法程序实现与算例程序实现与算例进一步工作进一步工作基本概述基本概述课题的提出课题的提出 灌浆的目的：灌浆的目的：被灌体的强度、抗渗能力被灌体的强度、抗渗能力影响岩体灌浆效果的因素影响岩体灌浆效果的因素浆液性质：浆液性质：颗分、粘度、流变参数、凝结时间以及强度指标和抗渗性能等颗分、粘度、流变参数、凝结时间以及强度指标和抗渗性能等被灌介质特征被灌介质特征裂裂隙隙开开度度大大小小、走走向向、延延伸伸范范围围、连连通通情情况况、裂裂隙隙中中的的充充填填物物及及裂裂隙面的粗糙度等隙面的粗糙度等基本概述基本概述施工工艺施工工艺关键是灌浆压力和注入率（量）关系的确定。关键是灌浆压力和注入率（量）关系的确定。杨晓东提出双限控制灌浆技术杨晓东提出双限控制灌浆技术,认为当认为当 ，隆巴迪则认为隆巴迪则认为 ，可取得较好的效果。，可取得较好的效果。基本概述基本概述目前，灌浆效果的评价方法：综合判断目前，灌浆效果的评价方法：综合判断分分析析灌灌浆浆段段的的灌灌浆浆历历时时曲曲线线、不不同同序序次次的的水水泥泥单单耗耗、最最终终序序次次的的最最后单耗等后单耗等定性地评价定性地评价灌浆过程是否正常；灌浆过程是否正常；通通过过灌灌前前灌灌后后的的压压水水试试验验、声声波波测测试试、钻钻孔孔变变模模等等进进行行对对比比，从从测测试值的变化试值的变化对比评价对比评价灌浆效果；灌浆效果；受检查孔的影响受检查孔的影响采采用用选选取取特特征征点点（或或关关注注点点）进进行行点点的的原原位位力力学学性性能能测测试试，如如原原位位抗抗剪剪强强度度测测试试。由由于于受受到到测测点点选选取取的的影影响响和和原原位位点点测测试试本本身身的的局局限限，其其误差比较大，误差比较大，甚至会出现灌后的数值低于灌前值的极端情况。甚至会出现灌后的数值低于灌前值的极端情况。主主要要是是对对灌灌浆浆效效果果进进行行定定性性的的评评价价，给给不不出出一一个个确定的数值，尤其力学性能指标：抗剪强度和模量。确定的数值，尤其力学性能指标：抗剪强度和模量。基本概述基本概述对对灌灌浆浆效效果果无无法法进进行行定定量量的的分分析析是是限限制制灌灌浆浆技术运用的主要技术瓶颈。技术运用的主要技术瓶颈。l灌浆设计理论缺失灌浆设计理论缺失浆液扩散半径浆液扩散半径地质条件一定的情况下，孔排距、压力地质条件一定的情况下，孔排距、压力理论公式远未成熟，经验公式限制条件太多理论公式远未成熟，经验公式限制条件太多 灌前无法确定耗浆量和灌浆效果改善的程度灌前无法确定耗浆量和灌浆效果改善的程度基本概述基本概述l覆盖层灌浆与防渗墙比较覆盖层灌浆与防渗墙比较幕体允许比降的选取幕体允许比降的选取规范：规范：34国内：国内：密云密云6国外：国外：法国的克鲁斯登坝采用法国的克鲁斯登坝采用8.3，印度的吉尔纳坝采用，印度的吉尔纳坝采用10.0实验室实验室：3050 临界比降临界比降渗透系数渗透系数 一般一般10-410-5 密云：密云：6.3e-6，下马岭，下马岭e-6,法国谢尔法国谢尔庞桑坝庞桑坝2e-7,阿斯旺坝阿斯旺坝3e-6 基本概述基本概述在实际工程的设计和施工中，灌浆施工的工艺参数，如在实际工程的设计和施工中，灌浆施工的工艺参数，如孔排距、浆孔排距、浆液配比、压力、注入率、灌浆效果液配比、压力、注入率、灌浆效果等，更多地依赖灌浆工程师的经验等，更多地依赖灌浆工程师的经验结合地质条件进行确定，而无法进行定量的分析与评价。结合地质条件进行确定，而无法进行定量的分析与评价。灌浆效果的定量评价困难，造成虽然灌浆技术被广泛地运用于水利灌浆效果的定量评价困难，造成虽然灌浆技术被广泛地运用于水利水电、铁路、公路、隧洞等多个工程中，但很少能提出其灌后岩体的水电、铁路、公路、隧洞等多个工程中，但很少能提出其灌后岩体的力学指标，更多的是把灌浆作为一种安全储备手段，这也直接造成了力学指标，更多的是把灌浆作为一种安全储备手段，这也直接造成了灌浆技术运用的局限性。灌浆技术运用的局限性。因此研究灌浆扩散的基本理论，对灌浆进程进行计算，对灌浆效果因此研究灌浆扩散的基本理论，对灌浆进程进行计算，对灌浆效果进行分析评价，具有重要的学术意义和较强的工程应用价值，可进一进行分析评价，具有重要的学术意义和较强的工程应用价值，可进一步促进灌浆技术的应用。步促进灌浆技术的应用。基本概述基本概述主要内容主要内容根据水泥浆液在裂隙中的扩散运动方程，充分考虑灌浆过程中浆液流变方程的时效性、扩散过程中开度的变化及开裂，以及水泥颗粒沉淀等多种因素的影响，利用蒙特卡洛的随机方法建立裂隙网络系统和有限元双重介质模型，采用数值模拟的方法，对灌浆效果（包括灌后渗透性能、变形性能以及强度指标）进行分析计算，以期获得灌后岩体指标的定量数值。基本概述基本概述主要内容主要内容三维节理裂隙网络系统的模拟适合颗粒型浆材的双重裂隙网络模型研究浆液扩散机理研究 水泥浆液的沉淀、固结排水规律 灌浆效果评价方法的建立 裂隙灌浆数值模拟系统的开发 基本概述基本概述基本技术路线基本技术路线汇报内容汇报内容基本概述基本概述基本理论与方法基本理论与方法程序实现与算例程序实现与算例进一步工作进一步工作三维节理裂隙网络模拟三维节理裂隙网络模拟 岩体结构面的几何特性岩体结构面的几何特性 产状：正态分布、指数分布迹长：负指数分布、对数正态分布大小(圆盘直径）：负指数分布、对数正态分布间距(密度)研究：负指数分布、对数正态分布 开度的研究：负指数分布、对数正态分布 三维节理裂隙网络模拟三维节理裂隙网络模拟 岩体裂隙蒙特卡洛模拟岩体裂隙蒙特卡洛模拟 n方法原理：如何产生0,1之间均匀分布的随机数 n基本假定 平面结构面 圆盘形结构面 空间随机均匀分布 结构面大小、位置、产状、开度相互独立 n步骤 确定模拟规模 确定结构面的个数 确定结构面的产状 确定结构面的位置、直径 确定结构面的开度 组合模型。只模拟钻孔只模拟钻孔单个灌浆段范围单个灌浆段范围的节理裂隙的节理裂隙。三维节理裂隙网络模拟三维节理裂隙网络模拟 系统修正系统修正 对灌浆工程影响最大的参数是对灌浆工程影响最大的参数是裂隙开度裂隙开度的模拟的模拟 n最值检验：最值检验：限制裂隙的最大值与实际情况相差太大n声波测试检验声波测试检验 灌前声波测试，测试的是沿钻孔的一段距离的平均波速。岩体只包括岩块和裂隙，裂隙中只充满空气或水。联立两式，便可计算出裂隙的联立两式，便可计算出裂隙的开度之和开度之和三维节理裂隙网络模拟三维节理裂隙网络模拟 n压水检验压水检验灌前压水通常采用简易压水。水在单条裂隙中的流动方程满足立方定律即满足下式：根据上式，每条裂隙的裂隙开度是已知的，只有J为变量。因此可以计算出每条裂隙不同时刻的流速和流量，叠加计算出灌前透水率与灌前压水吕荣值差值小于10%或35Lu 基本一致三维节理裂隙网络模拟三维节理裂隙网络模拟 n灌浆资料灌浆资料可进一步修正n修正评价最值检验单条裂隙开度声波检验裂隙开度之和压水试验裂隙开度分布含复杂裂隙网络的复合单元法含复杂裂隙网络的复合单元法 FEM中的复合单元 复合单元在结合等效模型和离散模型的基础上提出来的两条裂隙将复合单元分成了4个子单元，这4个子单元可以有自己的几何信息和材料特性。含复杂裂隙网络的复合单元法含复杂裂隙网络的复合单元法 复合单元中的子单元复合单元中的子单元 子单元应满足复合单元的位移假设满足复合单元的位移假设。只需知道子单元任何一点的坐标，计算出该点的形函数，利用复合单元的节点位移可以通过上式方便的计算出该点的位移。上式只在其对应的子单元中才有效。含复杂裂隙网络的复合单元法含复杂裂隙网络的复合单元法 含复杂裂隙网络岩体水泥灌浆的复合单元法刚度矩阵根据虚功原理，虚功原理，推导出了复合单元的平衡方程组。需要注意的是：由于灌浆工程的特点，在裂隙子单元中，由于充填浆液的性质不同，其值也会产生变化。含复杂裂隙网络的复合单元法含复杂裂隙网络的复合单元法 荷载矩阵 将灌浆压力按作用方向分别等效到结点荷载，其对裂隙的效果也是张开的。在等效岩体中认为：岩体在灌浆过程中所承担的应力远小于岩体本身的强度值，可以假设岩体在灌浆过程中是处于线弹性阶段线弹性阶段，因此等效岩体抗拉弹性模量等于其压缩弹性模量。含复杂裂隙网络的复合单元法含复杂裂隙网络的复合单元法 灌浆双重节理裂隙网络模型 岩体可灌性岩土介质可灌比：GR吕容值判别：F.K.Ewert；马国彦和林秀山；最小裂隙开度：国外：KIc浆液流动扩散理论浆液流动扩散理论n压力梯度的确定浆液前锋面与地下水没有交换，仅存在静水压力。经推导，压力梯度的计算公式。灌浆压力的损失还包括局部水头损失和沿程水头损失。浆液流动扩散理论浆液流动扩散理论n水泥浆液停止流动时当Zbb时，即塞流高度等于b，过流断面全部被塞流占据后，塞流速度等于壁面速度0，浆液将停止运动，浆液的扩散距离最远。显然，从上式可以得到灌浆结束时的压力沿程分布为：这与Wittke、Lombardi以及杨晓东等人提出的浆液扩散的理论公式完全一样 浆液流动扩散理论浆液流动扩散理论n水泥浆液流变参数的时变性新拌水泥浆最显著的流变特征是具有结构强度和时间依赖性具有结构强度和时间依赖性。在灌浆时间内,水泥浆的流变模型保持不变流变模型保持不变，为宾汉体流变模型流变特征的时变性仅仅表现为流变参数随时间而变化随时间而变化 浆液流动扩散理论浆液流动扩散理论阮文军等人对各种典型灌浆浆液进行了试验，通过对试验数据的拟合，得到了这些典型浆液的粘时变函数（幂指数非牛顿体）（幂指数非牛顿体）浆液流动扩散理论浆液流动扩散理论杨晓东等人曾利用转筒粘度计和毛细管粘度计对冀东普硅水泥浆作过室内测试,得到了浆液在拌制后6 h 内的动切力和塑性粘度曲线 这两个方程表明了同一种水泥浆液的流变参数与时间、水灰比有关，由于其简单实用，可用作程序中流变参数的计算公式。裂隙岩体灌浆机理裂隙岩体灌浆机理 n颗粒型浆液的沉淀规律颗粒型浆液的沉淀规律颗粒沉淀时的最小流动速度 裂隙岩体中不稳定浆液的运动分析表明，流动速度减小导致水水泥颗粒发生沉积泥颗粒发生沉积是裂隙被灌浆材料充填的主要原因。裂隙灌浆理论裂隙灌浆理论 浆液流动沉积机理浆液流动沉积机理 乔卫国等人提出了水泥浆液充填裂隙的过程模型区域I：水泥浆液的流动大于临界速度，不产生水泥颗粒沉淀，浆液近似呈轴对称的方式流动。区域II，形成水泥颗粒沉积区，浆液流速和过浆截面积也逐步减少。区域III：水泥颗粒沉积后逐步滤出的水流或稀浆。裂隙岩体灌浆机理裂隙岩体灌浆机理 水泥颗粒的水中等沉速度V可近似地认为水泥颗粒或水泥凝团服从自由沉降的斯托克斯斯托克斯定律：水泥浆液在流动过程中存在一最小流动速度VKP。裂隙岩体灌浆机理裂隙岩体灌浆机理 颗粒沉淀处的沉积高度当浆液的扩散速度小于临界速度后，水泥颗粒将产生沉淀，这种沉淀现象从另一角度理解，就是浆液中的自自由由水水析析出出，导致浆液的水灰比变浓的过程。裂隙岩体灌浆机理裂隙岩体灌浆机理 经修正，浆液中水泥颗粒沉淀后堆积的高度为：经修正，浆液中水泥颗粒沉淀后堆积的高度为：特别的：该裂隙已被水泥颗粒沉淀堵塞，该条裂隙认为至此不可灌。裂隙岩体灌浆机理裂隙岩体灌浆机理 n水泥结石体水泥的凝结硬化过程实质上就是水泥石的结构形成水泥石的结构形成过程。水泥石是一个多相多孔体系，一个重要特征就是其中的孔隙率以及不同孔径的分布状况。水泥石中孔的分布范围很广，主要包括：大孔：5106m毛细孔：5108m微孔（凝胶孔）：0.2mm）认为其已经完全被浆液充填并形成密实的水泥结石，其透水性与岩石相差不多，可与岩石一样看作是均匀连续介质，未灌入浆液的微细裂隙（开度0.2mm）是灌后压水试验中渗流的主要通道。应用立方定律可进行求解n灌后变形性能：弹性模量及泊松比根据岩体应变等效原理岩体应变等效原理对灌后岩体的变形特性进行了推导。岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 根据随机网络模拟结果，依次对各组结构面的每条裂隙逐一进行等效，每次等效时取上一次的等效结果作为本次的岩块变形参数，这样最终可实现对复杂裂隙岩体变形参数的等效。计算公式如下：岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 n灌后抗剪强度岩块内任一点发生剪切破坏时，抗剪强度等于岩块的粘聚力和作用于该面上由法向应力引起的摩擦阻力之和，即满足Mohr-Coulomb定律 岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 岩体的剪切破坏实际上就是剪切面上的结构面和岩块均发生了剪切破坏，结构面之间岩桥的破坏是剪切破坏的主要原因。岩体的抗剪破坏可以借用岩体的连通特性来表示，岩体的连通特性通常使用连通率的概念表达。n连通率Jennings在研究裂隙岩体的强度时首先将共面的结构面的连通率定义为岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 Jennings用下式定义的岩体结构面连通率来确定岩体的等效凝聚力c和等效摩擦系数:岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 或 Jennings连通模型的破坏面被限限定定在在同同一一个个平平面面上上，实际上现场和室内的直剪试验也限制了岩体的剪切破坏面可以近似为一平面，因此，该模型的计算结果与现场、室内的直剪试验成果应具有很好的相关性很好的相关性。三维裂隙网络空间中，同样可以用按岩块、结构面的面积定义岩体的连通率 n 灌浆岩体抗剪强度的模拟计算灌浆岩体抗剪强度的模拟计算在岩体裂隙网络系统中，实际上形成了未灌入裂隙未灌入裂隙、水泥浆液结石体和原岩块（岩桥）原岩块（岩桥）三部分的复合结构体。结构面、水泥结石体和岩块本身的抗剪强度指标（c、f值）均可根据实验室或者现场测试可得，因此要确定某一岩体的综合抗剪强度，关键是确定岩体沿着剪切面的结构面连通率。岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 剪切面假设剪切面假设 在复杂的结构面网络中搜索由结构面和其间岩桥组合形成的抗剪力最小的剪切路径(即岩体受剪的破坏路径)是最为关键的。首先应确定剪切面的形状剪切面的形状。我国水利水电工程岩石试验规程，现场大型直剪试验方案岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 向家坝岩体抗剪强度现场测试图在现场试验中，岩块的剪切变形会受到钢筋混凝土保护套和荷载加载条件、方向的限制，岩体将沿着特特定定的的方方向向产生破坏，出现折线式或者阶梯式破坏断面的可能性较小。为简化搜索计算，假设抗剪力最小的剪切路径为直面剪切路径为直面，并不会出现阶梯型破坏型式。该计算岩体抗剪强度方法与现场大型直剪试验的原理基本一致，因此所计算出的抗剪强度指标也应与实际工程通过现场试验获得的抗剪强度指标基本一致基本一致，具有较好的相关性。岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 应用蒙特卡洛法模拟结构面网络进而确定连通率，是目前应用较为广泛的一种方法，这一方法包括以下步骤：确定剪力的施加方向。确定最大法向应力和方向。选择剪切路径。利用连通率公式计算出该剪切面上单位体积的剪应力。搜索剪应力最小的剪切路径搜索剪应力最小的剪切路径，改变法向正应力，确定对应于该法向正应力下的最小抗剪应力岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 由 Mohr-Coulomb强度理论，可以拟合相应的正应力范围内裂隙岩体的Mohr-Coulomb强度包络线，并确定其Mohr-Coulomb强度指标：综合凝聚力c和综合摩擦系数f。岩体灌浆效果后评价理论岩体灌浆效果后评价理论 汇报内容汇报内容基本概述基本概述基本理论与方法基本理论与方法程序实现与算例程序实现与算例进一步工作进一步工作基本假设n岩块及等效岩体各向同性。n连通性假定。在岩体中分布的裂隙与所模拟的钻孔灌浆段周围的裂隙网络形成原因相同，必然与所模拟裂隙相交，并形成不同的连通性。因此假设浆液只在钻孔附近钻孔附近所模拟出的裂隙系统中进行扩散，而不会连通到远离此次灌浆段的裂隙中扩散。三维岩体灌浆数值模拟三维岩体灌浆数值模拟 n交叉裂隙假定裂隙交叉对浆液的流动影响效应使裂隙水交叉具有三个水力特性：偏向、裂隙的两方向与上水流阻力效应不等、偏流。认为在裂隙交叉时，每条裂隙中浆液的流动都是相互独立的相互独立的，没有浆液的交换，仍然按照各自的流动规律进行扩散。三维岩体灌浆数值模拟三维岩体灌浆数值模拟 n浆液排水条件假设。在实际岩体中，小于0.2mm微细裂隙数量是主要的，被认为是不可灌的。水分子只要存在水头差，可以快速通过微细裂隙，即不考虑封闭裂隙中的气泡、水分对浆液扩散的影响。n特殊情况假设。在模拟计算中，没有串冒浆的现象发生，即灌浆过程基本顺利，没有采取低压循环、间歇灌等因素的影响。三维岩体灌浆数值模拟三维岩体灌浆数值模拟 n验证计算选取了向家坝固结灌浆试验中B试区的B4孔的20.525.5m、25.530.5m和30.535.5m等3个灌浆段进行了模拟灌浆计算，该三段岩体均位于弱风化到强风化岩体范围内。根据现场实际情况，分别对岩体参数、材料参数和施工参数进行了选取，并进行了模拟计算。算例算例 研究区域的自动剖分算例算例 裂隙网络系统的生成、修正算例算例 裂隙网络系统的生成、修正算例算例 裂隙网络系统的生成、修正算例算例 计算成果及参数修正在模拟给定的灌浆压力曲线时，假设灌浆压力是单调递增的，因此需对实际的灌浆压力曲线进行修正。算例算例 孔段B4-6B4-7B4-8实际值模拟值相差实际值模拟值相差实际值模拟值相差累计注入量1825.52246.4+23%23192199.2-5.2%2405.51740.2-27.7%累计注灰量21092632.9+24.82082.32248.1+8%2505.51769.4-29.4%算例算例 算例算例 n 浆液扩散情况算例算例 n 浆液扩散情况算例算例 n 灌浆效果评价 扩散半径 B4-6、B4-7和B4-8灌浆段的最大扩散半径分别为r18.65m，r29.48m和r37.74m（与最大压力、最大开度有关）。开度接近0.2mm的裂隙中浆液扩散半径分别为4.12m，5.77m和3.23m，此参数决定了灌浆的最佳孔排距。算例算例 灌后压水和声波模拟计算的灌后压水是在原孔位上进行模拟压水试验，且认为0.2mm以上开度的裂隙已注入水泥浆液，其透水率为0。开度小于0.2mm的裂隙仍然具有透水性，其仍然满足立方定律。经计算，B4-6、B4-7和B4-8灌浆段灌后的透水率为q=0.76Lu、q=0.52Lu和q=2.55Lu。模拟计算的灌后声波测试也是在原孔位上进行模拟声波测试，与裂隙开度之和的计算公式基本相同，只是岩体的组成包括了岩块、水泥结石和水。已灌裂隙的声波速度与C40混凝土类似，其值取为3500m/s，则B4-6、B4-7和B4-8灌浆段灌后的平均声波波速为4217m/s、4362m/s和3985m/s。算例算例 变形模量在原孔位上，B4-6、B4-7和B4-8灌浆段经灌浆处理后的变形模量分别达到：E1=8.52GPa、E2=9.34GPa和E3=6.87GPa.抗剪强度指标本阶段对钻孔附近的灌后岩体进行强度计算。考虑到搭接长度，应对离钻孔中心处距离小于 的灌后岩体进行抗剪计算。B4-6、B4-7和B4-8灌浆段确定了最小的抗剪强度岩体。算例算例 孔段B4-6B4-7B4-8f值1.151.261.04C值1.561.451.15灌浆效果评价 因灌后的实测值不能在模拟计算的灌浆段进行观测，通常在相邻的检查孔进行，与该段存在一定的差异，在此仅对灌浆前实测值和灌后的模拟值进行比较.算例算例 孔段B4-6B4-7B4-8灌前值模拟值相差灌前值模拟值相差灌前值模拟值相差透水率36.480.76-22.641.76-14.32.55-平均声波3617.4421716.6%3790.1436215.1%3296.1398520.9%变形模量2.208.52-2.209.34-2.206.87-f值0.931.1523.7%0.931.2635.5%0.931.0411.8%c值0.741.56110.8%0.741.4595.9%0.741.1555.4%汇报内容汇报内容基本概述基本概述基本理论与方法基本理论与方法程序实现与算例程序实现与算例进一步工作进一步工作进一步的研究和完善：n通过面积连通率的计算获得剪切面的强度指标，这是基于组成剪切面的岩桥、水泥结石体以及结构面同时发生破坏的假设，这与实际情况是不一致的。实际上岩体的剪切破坏总是从最薄弱处产生破坏，破坏后剪切应力将重分布，而破坏处为残余强度，有可能导致连续破坏。因此如何建立合适的模型反映这种应力重分布合适的模型反映这种应力重分布，是下一步应开展的工作。n 水泥浆液流变性能的时变性参数的测定时变性参数的测定。时变参数的准确性直接关系到模拟计算浆液扩散时的精度，需要更能反映实际情况的时变参数值。n覆盖层灌浆效果评价与数值模拟进一步进一步 敬请各位专家批评、指正谢谢！