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裂隙岩体复合防渗堵水浆液试验及作用机理研究

作　者: 何忠明
导　师: 彭振斌
学　校: 中南大学
专　业: 地质工程
关键词: 裂隙岩体复合防渗堵水浆液 注浆效果 浆液性能 固结机理 防渗堵水机理 渗透机理
分类号: TV223.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


随着现阶段地下工程建设发展的规模不断扩大和水利工程的不断兴起，注浆技术在国内外得到越来越广泛的应用。注浆的主要目的是将不符合工程要求的岩土改良为高品质的符合工程要求的岩土，使即有资源得到充分利用。由于注浆工程属于隐蔽工程，使得注浆技术的发展至今为止还很不成熟，在注浆实践运用过程中有时还存在着理论落后于实践的情况。注浆材料及浆液性能的研究是注浆技术中不可缺少的一个重要组成部分。注浆之所以能够起到防渗堵水或加固的作用，主要是由于注浆材料在注浆过程中发生由液相到固相的转变的结果。而注浆浆液的性能关系着浆液注入裂隙岩体后的注浆效果，对注浆工程来讲是至关重要的。论文通过采用收集前人资料、室内试验、理论分析以及现场工程应用等研究方法，对裂隙岩体注浆效果的影响因素作了归纳和总结，对裂隙岩体复合防渗堵水浆液的浆材成分、浆材配比、浆液性能、浆液固结机理、浆液防渗堵水机理及浆液渗透机理做了研究，并在此基础上探讨了该浆液在裂隙岩体防渗堵水工程中的运用。对于裂隙岩体防渗堵水注浆来说，不管使用的是何种注浆材料，其注浆效果最主要的影响因素是注浆材料本身的性质、裂隙岩体的工程力学性质、注浆设计参数及现场注浆工艺等。经过室内试验，初步确定裂隙岩体复合防渗堵水浆液由粘土、水泥、水玻璃、NH4H2PO4、水等成分组成。该浆液配比经试验确定有一个大概最佳范围，但在应用于具体工程时还应根据工程现场的实际情况进行室内试验及现场试验，以确定该工程各注浆段的最优配方。浆液的性能测试结果表明，浆液具有良好的稳定性、可控性及可注性，其浆液注入岩层后形成的结石体具有很好的防渗堵水效果及耐久性，且浆液的性能与浆液各组份的含量有关。通过采用扫描电镜观察等试验方法对裂隙岩体复合防渗堵水浆液固结过程进行进一步研究，结果发现该浆液的固结过程即是浆液各组成成分之间互相发生一系列物理化学反应的过程，包括水泥的水化反应、粘土的水化、NH4H2PO4对水泥水化反应的阻滞作用、水泥水化物与粘土颗粒之间的反应、水泥与水玻璃之间的反应及粘土与水玻璃之间的反应等。而浆液固结过程的热力学分析表明上述反应中晶体和胶体生成过程是新相形成、生长的过程，其推动力可以用自由能差来描述；浆液动力学分析则表明反应进行程度系数αb有增大的趋势，说明上述反应具有自发性。裂隙岩体复合防渗堵水浆液的结构形成过程与水泥浆液的结构形成过程不一样。根据浆液塑性强度曲线的结构特征可将浆液的结构形成过程分为以下三个状态：液态、凝胶态及固态，在上述“三态”中浆液均能进入防渗堵水状态，只是其防渗堵水方式和能力有很大的不同。而浆液结石体在注浆孔内可沿裂隙方向分为三个区：密实区、稳定区及松散区。在裂隙岩体防渗堵水注浆过程中，松散区、稳定区及密实区等“三区”是随着注浆时间交互变化的。在裂隙岩体中采用注浆方法防渗堵水，浆液能够起防渗堵水的作用机理就是浆液对地下水的流动有一个与水流方向相反的阻挡作用，即浆液的流动应是水渗流的逆过程。若将浆材按与水类似的牛顿流体来考虑，裂隙渗流与注浆运动过程的本质是一致的，牛顿流体浆材的流动应当符合有关的裂隙水力学公式。论文根据国内外学者已推导出来的一些裂隙水力学公式，考虑裂隙岩体复合防渗堵水浆液属于宾汉流体，在浆液流动时具有流核，推导建立了该浆液在岩体平面裂隙及倾斜裂隙中的渗流规律模型。工程应用研究结果表明，裂隙岩体复合防渗堵水浆液在裂隙岩体中的注浆工艺与其它注浆浆液的工艺类似。但采用该浆液对裂隙岩体注浆时，应采用三级搅拌法及大循环注浆方式，注浆时还应根据工程现场地层实际情况进行控制和调节浆液注入量及配方，来获得最佳注浆效果。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章 绪论  12-29
  1.1 概述  12-14
  1.2 注浆技术的历史与发展  14-16
    1.2.1 国外注浆技术的历史与发展  14-15
    1.2.2 国内注浆技术的历史与发展  15-16
  1.3 裂隙岩体防渗堵水注浆材料的研究现状及应用上存在的问题  16-20
    1.3.1 裂隙岩体防渗堵水注浆材料的研究现状  16-19
    1.3.2 现有裂隙岩体防渗堵水注浆浆液在应用上存在的问题  19-20
  1.4 裂隙岩体注浆理论的研究现状  20-27
    1.4.1 岩体结构理论的注浆研究现状  20-21
    1.4.2 注浆加固体强度理论及本构关系研究现状  21
    1.4.3 渗透注浆理论的研究现状  21-27
  1.5 本文研究内容与研究方法  27-29
    1.5.1 研究内容  27-28
    1.5.2 研究方法  28-29
第二章 裂隙岩体防渗堵水注浆效果的影响因素研究  29-49
  2.1 注浆材料性质对裂隙岩体防渗堵水注浆效果的影响  29-34
    2.1.1 注浆材料颗粒粒径的影响  29-30
    2.1.2 注浆浆液稳定性的影响  30-32
    2.1.3 注浆浆液粘度的影响  32-33
    2.1.4 注浆浆液凝胶时间和凝结时间的影响  33-34
    2.1.5 注浆浆液耐久性的影响  34
  2.2 岩体性质对裂隙岩体防渗堵水注浆效果的影响  34-43
    2.2.1 单裂隙岩体隙宽的影响  34-36
    2.2.2 单裂隙岩体裂隙面状态的影响  36-38
    2.2.3 单裂隙岩体粗糙度的影响  38-39
    2.2.4 单裂隙岩体产状的影响  39-40
    2.2.5 单裂隙岩体延伸度及渗透性的影响  40-41
    2.2.6 多裂隙岩体裂隙间距和密度的影响  41-42
    2.2.7 多裂隙岩体裂隙分布的影响  42-43
  2.3 注浆施工工艺对裂隙岩体防渗堵水注浆效果的影响  43-45
    2.3.1 注入方式的影响  43
    2.3.2 灌注方法的影响  43-44
    2.3.3 注浆方式的影响  44-45
  2.4 注浆设计参数对裂隙岩体防渗堵水注浆效果的影响  45-46
    2.4.1 注浆压力的影响  45
    2.4.2 注浆扩散半径的影响  45
    2.4.3 注浆量的影响  45-46
  2.5 防渗堵水浆液与裂隙岩体之间的相互作用  46-47
    2.5.1 浆液与裂隙岩体的物理作用机理  46-47
    2.5.2 浆液与裂隙岩体的化学作用机理  47
  2.6 本章小结  47-49
第三章 裂隙岩体复合防渗堵水浆液的室内试验研究  49-72
  3.1 注浆理想浆液的性能特点  49-50
  3.2 裂隙岩体复合防渗堵水浆液组成成分  50-55
  3.3 试验设计  55-58
    3.3.1 正交设计法及其优缺点分析  55-56
    3.3.2 均匀设计法及其优缺点分析  56
    3.3.3 基于正交设计法的试验设计  56-58
  3.4 裂隙岩体复合防渗堵水浆液的试验结果及其分析  58-70
    3.4.1 裂隙岩体复合防渗堵水浆液凝结时间  58-60
    3.4.2 裂隙岩体复合防渗堵水浆液塑性强度  60-63
    3.4.3 裂隙岩体复合防渗堵水浆液无侧限抗压强度  63-65
    3.4.4 裂隙岩体复合防渗堵水浆液结石体抗渗性能  65-67
    3.4.5 裂隙岩体复合防渗堵水浆液粘度的测定  67-68
    3.4.6 裂隙岩体复合防渗堵水浆液吸水率及稳定性  68-69
    3.4.7 裂隙岩体复合防渗堵水浆液结石体耐久性  69-70
  3.5 本章小结  70-72
第四章 裂隙岩体复合防渗堵水浆液的固结及防渗堵水机理研究  72-93
  4.1 裂隙岩体复合防渗堵水浆液固结机理研究  72-85
    4.1.1 水泥的水化反应  72-74
    4.1.2 水泥水化物与粘土颗粒的反应机理  74-75
    4.1.3 缓凝剂 NH_4H_2PO_4的缓凝机理  75-77
    4.1.4 水玻璃与粘土的反应机理  77
    4.1.5 水泥与水玻璃的反应机理  77-78
    4.1.6 裂隙岩体复合防渗堵水浆液的水化及固结过程  78-82
    4.1.7 固结过程热力学分析  82-84
    4.1.8 固结过程动力学分析  84-85
  4.2 裂隙岩体复合防渗堵水浆液防渗堵水机理研究  85-91
    4.2.1 粘土及水泥浆液的结构分析  85-88
    4.2.2 “三态”防渗堵水机理  88-90
    4.2.3 “三区”防渗堵水机理  90-91
  4.3 本章小结  91-93
第五章 裂隙岩体复合防渗堵水浆液渗透机理研究  93-106
  5.1 浆液的流变性及分类  93-95
  5.2 裂隙岩体复合防渗堵水浆液在岩体裂隙中的流动机理  95-98
  5.3 裂隙岩体复合防渗堵水浆液在岩体裂隙中的渗流规律  98-105
  5.4 本章小结  105-106
第六章 裂隙岩体复合防渗堵水浆液工程应用研究  106-113
  6.1 工程概况  106
  6.2 工程地质及水文地质条件  106
  6.3 注浆防渗帷幕设计  106-107
  6.4 注浆材料选择  107
  6.5 注浆技术参数设计  107-108
  6.6 注浆施工工艺流程  108-111
  6.7 帷幕注浆质量检查及效果分析  111
  6.8 本章小结  111-113
第七章 结论与展望  113-116
  7.1 结论  113-115
  7.2 展望  115-116
参考文献  116-122
致谢  122-123
攻读学位期间主要的研究成果  123-124

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水工勘测水工设计 > 地基基础及其加固 > 水工建筑物的渗流和防渗
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