堤坝高聚物定向劈裂注浆机理研究

With the wide application of polymer grouting materials in geotechnical engineering, rapid progress of polymer grouting technology has been made. Thelatest research achievements by the applicant shows that the two-component polymer grouting materials peforms sheet fracturing diffusion in soils due to their self-expansion and rheology property, which is not in accord with conventional grouting theoretical assumptions of spherical or cylindrical diffusion. Based on such characteristics, a directional fracture grouting seepage prevention and reinforcement method with polymer material for Dykes-Dams is proposed, so the propagation direction and extended range could be controled exactly. Based on this discovery and polymer rheological dynamics theory, the polymer grout’s diffusion law in the directional fracturing crack will be comprehensively studied, and the splitting and compaction action of polymer on soil will be researched from the viewpoint of mesomechanics. Fathermore, the non-continuum mechanics numerical model of polymer fracture grouting will be established, and the polymer grouting material’s permeation, fracturing and compaction mechanism in soil will be revealed by performing model test and field test. Which will lay the foundation for further research on polymer grouting theory and provide helpful guidance for developing the polymer Directional Fracturing grouting technology, and can be widely used for seepage prevention and consolidation of Dykes-Dams.

随着高分子注浆材料在岩土工程中的广泛应用，高聚物注浆加固技术已得到迅速发展。申请者近期研究表明，双组份高聚物注浆材料的自膨胀特性及流变特性导致其在一般土体中的扩散规律不符合球形扩散或柱状扩散假定，而以片状扩散为主要特征；依此特征为基础，研发了堤坝高聚物定向劈裂注浆防渗加固方法，实现了浆脉扩展方向及扩展范围的精确控制。本项目拟以此为基础，基于高聚物流变动力学理论，深入研究高聚物浆液的流变特性及其在定向裂缝内的扩散规律，从细观角度研究高聚物浆脉对土体的劈裂挤密效应；建立高聚物定向劈裂注浆的非连续介质力学数值模型，结合模型试验和原位测试技术，探讨高聚物注浆材料在各种土体中的定向劈裂机理，建立不同土体特性条件下高聚物聚合体扩散范围、密度与注浆参数之间的关系，为进一步研究高聚物注浆理论奠定基础，对发展高聚物定向劈裂注浆技术具有重要的指导作用，研究成果在土质堤坝防渗加固方面具有广阔的应用前景

堤坝高聚物定向劈裂注浆是结合我国水利工程基础设施安全防护的迫切需要而提出的一种新型防渗加固技术，虽然在堤坝防渗加固中已得到广泛应用，但对其注浆机理的认识仍存在局限性和不足。本项目通过试验、数值模拟分析等手段，系统的对堤坝高聚物定向劈裂注浆机理进行研究，取得的研究成果如下：1、开展了注浆材料流变特性试验，基于改进的聚氨酯流变性能测试装置，对现有工程中常用的3种不同膨胀率高聚物材料的流变性能进行研究，通过对黏度增长曲线拟合分析，得到了不同膨胀率高聚物注浆材料的流变方程，进一步揭示了高聚物注浆材料黏度时变性规律，为研究高聚物定向劈裂注浆扩散机理奠定了基础。2、建立了高聚物定向劈裂试验模型槽，基于此考虑土质、土体密度、高聚物膨胀率、环境温度等因素的影响，开展多组高聚物定向劈裂注浆模型试验，揭示了土质、高聚物膨胀率、环境温度等因素对高聚物定向劈裂扩散行为的影响规律，并基于灰色关联分析对三种影响因素进行了关联度分析。结果显示，高聚物定向劈裂扩散面积和扩散半径随高聚物膨胀率和环境温度的增大而增大，随着土体密度的增大扩散半径减小，扩散面积增大；且相同条件下，黏土中高聚物扩散半径和扩散面积均大于粉土。3、基于颗粒流软件PFC2D开展高聚物定向劈裂注浆数值模拟分析，考虑高聚物膨胀特性、流变特性、注浆孔形式、注浆量、注浆速率及土体特性等因素的影响，对高聚物注浆材料自膨胀作用过程进行模拟，进一步揭示了高聚物浆液在土体中定向劈裂的应力场、应变场等分布规律。结果表明，高聚物定向劈裂注浆过程分为填充、挤密、劈裂-挤密循环、最终挤密四个阶段，浆脉最终形态为“梭子状”；注浆过程中将会对钻孔周围土体进行挤密加固，距离钻孔圆心越远土体孔隙率变化越小，且相比水平方向，竖直方向土体变形规律更趋于一致；注浆量和土体弹性模量对浆液扩散规律的影响基本一致，但当注浆量或注浆速率过大时钻孔中心圆孔将会发生劈裂，浆液扩散半径急剧减小，浆脉宽度加速增大；土体弹性模量或黏聚力较小时，钻孔圆心处会出现次生裂缝，且当土体弹性模量或黏聚力超过某一定值时，浆液扩散半径开始减小。项目组经过四年攻关，圆满完成了各项预期目标。已发表论文10篇，其中SCI收录3篇，EI收录3篇；申报发明专利2项，获授权实用新型专利2项。项目成果揭示了堤坝高聚物定向劈裂注浆机理，丰富了现代注浆理论，对高聚物注浆技术的发展具有指导作用.