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高聚物注桨材料特性与堤坝定向劈裂注桨机理研究

作　者: 石明生
导　师: 王复明
学　校: 大连理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 高聚物材料特性扩散机理堤坝定向劈裂注浆
分类号: TV543
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文针对我国堤坝防渗加固工程的迫切需要和高聚物注浆技术的发展,以非水反应类双组份发泡聚氨酯为浆材,在对材料特性进行系统研究的基础上,提出了堤坝防渗加固高聚物定向劈裂注浆方法,主要研究内容如下：(1)根据非水反应类双组份发泡聚氨酯材料的特点,研制了材料压缩、弯曲、拉伸试验所需的试样注浆成型模具及膨胀力、材料抗水渗透性能试验装置,对双组份发泡聚氨酯注浆材料的物理力学特性进行了较为全面的试验研究,获得了大量的材料特性试验成果；建立了材料密度与最大膨胀力、材料密度与起始渗水压力及材料密度与抗压强度、弯曲强度、拉伸强度的关系曲线。实验研究结果表明,双组份发泡聚氨酯是一种综合性能优良的堤坝防渗加固注浆材料。(2)通过大量的高聚物现场注浆试验,对双组份发泡聚氨酯高聚物注浆材料在土体中的扩散机理进行了深入研究；揭示了高聚物浆液在土体中主要以片状浆脉的方式扩散；具有自膨胀性的高聚物浆液对浆脉周围的土体还有挤密和渗透胶结作用。(3)根据高聚物注浆材料在土体中的扩散特征及高聚物注浆技术的特点,首次提出了堤坝防渗加固高聚物定向劈裂注浆方法,建立了定向劈裂缝扩展压力及开裂长度的理论计算公式。利用自行研制的定向劈裂钻具,采用定向劈裂注浆方法能定向构筑厚度为2～3 cIll左右的堤坝高聚物超薄防渗墙,墙体本身具有良好的力学和防渗性能,并能与墙体周围土体紧密结合,形成复合防渗体。(4)以流变学、断裂力学及岩土力学理论为基础,建立了非线性有限元粘结元模型,采用粘结元方法对高聚物定向劈裂注浆机理进行了数值模拟,计算出了不同注浆量时定向劈裂缝的扩展长度及开度,计算结果和现场试验的结果基本一致；为堤坝高聚物定向劈裂注浆方案的设计提出了一种有效方法。(5)在均质土坝上进行了高聚物定向劈裂注浆原型试验,现场注浆试验开挖结果表明,采用高聚物定向劈裂注浆技术在土体中形成的防渗体的厚度,扩展方向、扩展范围及搭接效果均达到预期效果,验证了堤坝高聚物定向劈裂注浆理论的正确性及方法的可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-32
  1.1 化学灌浆材料及灌浆技术的发展  11-14
  1.2 聚氨酯类高聚物灌浆材料综合分析  14-18
    1.2.1 聚氨酯材料概述  14-15
    1.2.2 水反应类聚氨酯材料  15-17
    1.2.3 非水反应类聚氨酯材料  17-18
  1.3 我国堤坝安全现状  18-20
  1.4 我国堤坝防渗加固技术现状  20-29
    1.4.1 灌浆防渗加固技术  21-22
    1.4.2 防渗墙防渗加固技术  22-28
    1.4.3 堤坝防渗加固技术现状分析  28-29
  1.5 选题背景和意义  29-30
  1.6 本文的主要工作  30-32
2 高聚物注浆材料特性试验研究  32-72
  2.1 环境影响分析  32-35
    2.1.1 检测试验实施细则  32-33
    2.1.2 检测项目及方法  33
    2.1.3 检测结果与分析  33-35
  2.2 耐化学腐蚀性试验  35-38
    2.2.1 试验目的与方法  35-37
    2.2.2 试验结果  37-38
    2.2.3 试验结果分析  38
  2.3 耐老化性测试  38-41
    2.3.1 高分子材料老化试验方法  38-39
    2.3.2 高分子材料寿命现行预测方法  39-40
    2.3.3 高聚物注浆材料掩埋测试  40-41
    2.3.4 测试结果分析  41
  2.4 抗水渗透性能试验  41-47
    2.4.1 试验目的与意义  41-42
    2.4.2 试验方法与试样  42-43
    2.4.3 试验设备与试验过程  43-45
    2.4.4 试验结果与分析  45-47
  2.5 膨胀力试验研究  47-52
    2.5.1 试验目的与意义  47
    2.5.2 试验装置设计  47-49
    2.5.3 试验过程  49-50
    2.5.4 试验结果与分析  50-52
  2.6 抗压强度实验研究  52-59
    2.6.1 研究意义及试验目的  52-53
    2.6.2 试验方法及试验设备  53-54
    2.6.3 试样规格尺寸及制作方法  54
    2.6.4 试验过程  54-55
    2.6.5 试验结果与分析  55-59
  2.7 抗拉强度实验研究  59-65
    2.7.1 试验目的与试验方法  59-60
    2.7.2 试样形状尺寸及制备方法  60-62
    2.7.3 试验设备  62-63
    2.7.4 试验结果与分析  63-65
  2.8 弯曲特性实验研究  65-71
    2.8.1 研究意义与试验目的  65
    2.8.2 试验方法与试验设备  65-66
    2.8.3 试件规格及制作方法  66-67
    2.8.4 破坏过程与变形形态  67
    2.8.5 试验结果及分析  67-71
  2.9 本章小结  71-72
3 高聚物在土体中的扩散机理研究  72-86
  3.1 化学灌浆理论研究现状  72-77
    3.1.1 化学浆液的流变特性研究  72-73
    3.1.2 化学浆液扩散机理研究  73-76
    3.1.3 化学注浆理论研究的现状  76-77
  3.2 高聚物浆液在土体中的扩散方式分析  77-80
    3.2.1 高聚物注浆技术原理  77-78
    3.2.2 高聚物注浆材料  78-79
    3.2.3 高聚物浆液在土中的扩散方式  79-80
  3.3 高聚物在土体中的扩散机理试验研究  80-85
  3.4 本章小结  85-86
4 高聚物定向劈裂注浆方法研究  86-108
  4.1 堤坝劈裂灌浆基本原理  86-90
  4.2 堤坝高聚物定向劈裂注浆方法  90-96
    4.2.1 定向劈裂注浆方法基本原理  91
    4.2.2 定向劈裂探头研制  91-92
    4.2.3 定向劈裂缝扩展压力计算  92-93
    4.2.4 定向劈裂注浆过程中浆液的膨胀力  93-94
    4.2.5 定向劈裂缝的开裂长度计算  94-96
  4.3 高聚物定向劈裂注浆试验  96-104
    4.3.1 试验目的  96
    4.3.2 场地工程地质资料  96-97
    4.3.3 注浆试验方案及过程  97-102
    4.3.4 注浆开挖效果与分析  102-104
  4.4 高聚物定向劈裂注浆方法的特点  104-106
  4.5 本章小结  106-108
5 高聚物定向劈裂注浆数值模拟  108-125
  5.1 概述  108-110
  5.2 堤坝高聚物定向劈裂注浆有限元模拟原理  110-113
    5.2.1 粘结准则  110-111
    5.2.2 粘结破坏区流体的扩散  111-113
    5.2.3 断裂准则  113
    5.2.4 有限元实现  113
  5.3 定向劈裂的有限元模拟  113-124
    5.3.1 模型建立  113-117
    5.3.2 参数设计  117-120
    5.3.3 裂纹扩展模拟  120-122
    5.3.4 裂纹扩展计算结果及分析  122-124
  5.4 本章小结  124-125
6 高聚物定向劈裂注浆实体工程试验  125-133
  6.1 试验目的  125
  6.2 试验场地概况  125-126
  6.3 试验方案  126-127
  6.4 注浆过程  127-129
  6.5 注浆开挖效果与分析  129-132
  6.6 本章小结  132-133
7 结论与展望  133-136
  7.1 本文工作总结  133-135
  7.2 展望  135-136
论文创新点摘要  136-137
参考文献  137-143
攻读博士学位期间发表学术论文情况  143-144
致谢  144-145
作者简介  145-146

高聚物注桨材料特性与堤坝定向劈裂注桨机理研究

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