GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/7126013 7126013 研究文章 的影响,水灰比的水泥浆液粘度变化渗透灌浆 https://orcid.org/0000 - 0001 - 9610 - 1145 Lv Gaohang 1 刘 剑 2 汉 薄 1 张 Tiantao 2 https://orcid.org/0000 - 0003 - 0867 - 4790 谢 全一 2 张 Xueshen 2 吴 Chuangzhou 1 土木工程学院 山东大学 济南250061 中国 sdu.edu.cn 2 齐鲁交通学院 山东大学 济南250002 中国 sdu.edu.cn 2021年 24 9 2021年 2021年 22 4 2021年 15 7 2021年 1 9 2021年 24 9 2021年 2021年 版权©2021 Gaohang Lv等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

扩散半径是一个重要的施工参数,因为它可以极大地影响注浆效果。理论模型在预测扩散半径一直在练习,但仍有重要的理论计算和实际结果之间的差异在实际建设。说明的一个重要原因是水泥灌浆的时间行为,显著影响的水灰比(W / C)。因此,本文通过实验和数值研究W / C的影响粘度变化的灌浆和灌浆过程。首先,水泥浆的表观粘度在不同W / C是由一个旋转粘度计测试在实验室实验。随后,实验室检测的基础上,建立了数值模型探讨W / C对水泥灌浆在砂层的扩散过程。根据实验结果,水泥水泥浆的表观粘度随W / C的增加而减小。此外,表观粘度随时间增加,表观粘度范围的增加先增加然后减少随着W / C增加。根据模拟结果,从0.8到1.1 W / C变化时,扩散半径60分钟经验越来越少明显增加给定渗透注浆的注浆压力下砂层。当W / C 0.9,相对误差达到37.65%,60分钟,略低于0.8。 However, when W/C changes from 0.9 to 1.0, the relative error becomes very narrow (21.36%), and this figure is much lower than that of 0.8 or 0.9. The simulation results are verified by field test, and the relative error is 6%, which proves the effectiveness of the analysis. Therefore, the cement permeation model considering viscosity variation of the grout is a reasonable alternative in the real project. At the same time, the time-dependent behavior of cement grouts should be considered, especially when using cement grouts with a low water-cement ratio in the practical engineering.

 山东交通部门的科技计划 2019年b48 山东关键研究和发展计划 2019年jzzy010429 1。介绍

不宜基金会是一个土木工程和交通工程中常见的问题。地基处理的成本有时可以弥补工程建设总成本的一半以上,因此基础改进变得至关重要。渗透与水泥灌浆水泥浆被广泛用于改善基础由于其结构简单,效率高 1- - - - - - 3]。然而,灌浆效果在实际工程灌浆材料的性能影响和地质条件 4]。此外,一个合理的灌浆参数估计在实际工程将帮助灌浆施工以相对较低的价格满足需求。为了提高计算的准确性,学者们从不同的观点研究渗透灌浆。例如,一些提出基于一些假设和简化的理论计算。杨et al。 5和你们et al。 6)建立理论模型基于不同的流型本构模型,推导出计算公式为渗透注浆扩散范围或灌浆压力。此外,一些研究人员研究了渗透灌浆使用实验和数值方法。例如,侯赛因( 7]调查的特点,根据一些重要的灌浆水泥基渗透灌浆参数,如流变特性、渗透系数灌浆,水泥浆液的注入能力。同样,基于非混相多相流理论,Coskun和Tokdemir 8)建立了数学模型,在完全饱和的土壤渗透灌浆。此外,傅et al。 9)提出了一个数学模型,根据泥浆的自重影响渗透灌浆,建立了宾汉水泥浆设置大小的预测模型。除此之外,福等人开发了一套灌浆试验设备,包括电源设备,承压浆槽,和几个测试框架( 9]。抗压强度、变形模量和渗透系数被选为灌浆加固效果的评价指标。

另一方面,研究人员重视水泥浆对灌浆效果的影响。等等,一些学者试图改善理论公式通过使用新方法以获得更精确的流变参数。戴和鸟 10]提供了另一种方法建立Reynolds-type润滑理论方程的变分理论。除此之外,拉赫曼et al。 11, 12)测量了静态和动态屈服应力有不同的测量技术。此外,其他学者探讨灌浆材料对扩散过程的影响。事实上,电力消耗由损耗的能量注入机制是粘性的影响。基于这一事实,埃尔塔( 13)获得径向流速水泥灌浆的岩石断裂从宾汉的关系。Zhang et al。 14)认为快速设置浆的宾汉液体时间行为和雇佣一群甚至毛细管模型来描述渗流过程。他们建议应该考虑粘度的空间分布不均仔细在灌浆设计。目前,研究集中在粘度测量或粘度变化下单一的W / C。调查W / C对粘度变化的影响和扩散过程是相对罕见。此外,扩散半径之间的差异考虑时间行为和不考虑不同W / C没有定量研究。

因此,在这项工作中,实验和数值模拟研究W / C对扩散半径的影响水泥砂层中的水泥浆以及扩散半径之间的差异考虑,不考虑时间的行为。特别是,首先,执行实验室测试来测量水泥水泥浆的表观粘度在不同W / C,后的粘度变化特征进行了探讨,通过拟合测量表观粘度。随后,水泥水泥浆的时间获得行为的基础上,建立了计算模型,COMSOL模拟水泥浆液的扩散过程在砂层。除此之外,模拟的结果考虑,不考虑时间的行为在不同的W / C比较,和W / C对水泥渗透灌浆的影响进行了分析。

 2。实验室实验水泥浆的粘度 2.1。实验仪器和测试材料

实验重点研究纯水泥水泥浆的流变特性,和有关W / C范围是0.5 - -1.1,广泛应用于实际工程。根据阮( 15)、水泥水泥浆在W / C 0.5 - -0.7可以分为幂律流体,在水泥浆W / C 0.8 - -1.0通常归类为宾汉流体。

在实验中,ydnj - 160 a -型混合机(图 1)是用于准备新鲜水泥水泥浆。为了精确测量表观粘度、NXS-11B-type旋转粘度计(图 2)采用,粘度计的主要技术指标如表所示 1。

ydnj - 160 a -型混合器。

NXS-11B-type旋转粘度计。

旋转粘度计的主要技术指标。

技术指标 参数
测量范围( η) 2。8 ~ 1.78 × 10 7 mPa · 年代
剪切应力范围( τ) 27.67 ~ 21970年 巴勒斯坦权力机构
剪切速率范围( D 年代 ) 1.23 ~ 996年 年代 − 1
转速 5.6 ~ 360年 r / 最小值
再现性 ±1% (FS)
环境温度 + 5 ~ 35°

在实验中使用的水泥是硅酸盐水泥(PC)评分42.5由Sunnsy集团在济南。主要的化学成分如表所示 2。

电脑的主要化学成分。

材料 曹(%) SiO2(%) 艾尔2O3(%) 菲2O3(%) 细度(m2/公斤) 比重(公斤/米3)
个人电脑 62.60 22.61 4.35 2.46 342年 2980年
2.2。测试程序

新鲜水泥水泥浆在W / C 0.5 ~ 1.1是第一生产和保存在恒温器的温度20°。随后,水泥浆的表观粘度测量从一开始到40分钟每10分钟。然后,水泥水泥浆的粘度变化特征在不同分析了W / C通过拟合测量表观粘度与起源的软件。最后,数学方程描述水泥水泥浆在不同的时间行为形成的W / C(岩土测试规范)。

 2.3。实验结果的讨论

水泥水泥浆的表观粘度不同W / C下表所示 3。基于先前的研究[ 16),水泥灌浆材料的表观粘度之间的关系和时间可以安装一个自然对数函数。

表观粘度测量水泥水泥浆在不同W / C。

W / C 表观粘度(mPa·s)
0分钟 10分钟 20分钟 30分钟 40分钟
0.5 932.54 992.06 1021.83 1349.21 1507.94
0.6 344.41 422.18 516.62 538.84 599.94
0.7 77.23 80.01 83.34 10.00 288.86
0.8 27.78 28.89 46.12 55.56 94.57
0.9 14.29 24.61 28.89 37.23 62.79
1.0 12.24 23.89 24.61 33.89 49.99
1.1 12.22 15.00 27.23 33.34 40.56

拟合曲线如图 3和 4。数据显示 3和 4,在同一时刻,水泥浆的表观粘度降低当W / C增加从0.5到1.1,和0.5 - -0.7 W / C下的表观粘度是一个数量级高于0.8 ~ 1.1。此外,表观粘度的增加范围首先随着W / C增加增加然后减少。0.5和0.6 W / C时,增加范围的初始粘度小于2倍。从0.7到0.9 W / C增加,增加的范围从3.74倍增加到4.39倍。然而,增加范围从4.08倍到3.32倍下降当W / C从1.0增加到1.1。总之,W / C的影响时间行为首先随着W / C增加增加然后减少。

拟合曲线水泥水泥浆的粘度( W / C = 0.5 ~ 0.7 )。

拟合曲线水泥水泥浆的粘度( W / C = 0.8 ~ 1.1 )。

因此,必须考虑水泥灌浆的时间行为,确保灌浆设计和施工期间的有效性。

根据测试结果,泥浆的剪切强度和密度的变化规律在不同水灰比进行了分析,如图 5和 6。显然,与水灰比的增加,密度线性降低,抗剪强度也降低。当W / C大于0.9,下降的变化趋势。

拟合曲线水泥水泥浆的粘度( W / C = 0.8 ~ 1.1 )。

拟合曲线水泥水泥浆的粘度( W / C = 0.8 ~ 1.1 )。

 3所示。数值模拟分析

基于水泥水泥浆的获得时间行为,采用COMSOL模拟水泥水泥浆的扩散过程,计算下的扩散半径不同的W / C。鉴于渗透注浆压力恒定的灌浆是广泛应用于实际工程,本研究着重于W / C对灌浆过程的影响下灌浆压力。有关主题下的水泥灌浆W / C 0.8 ~ 1.1,因为有许多关于宾汉流体的相关理论分析( 17),方便与模拟结果进行比较。事实上,水泥灌浆1.0 W / C附近的已广泛应用于实际工程。

粘度是视为一个常数,它等于初始粘度时,不考虑时间的行为。而粘度变化考虑在内,粘度的变化相当于平均粘度的集成。方程可以表示如下: (1) μ ¯ = ∫ 0 t μ t d t t , (2) β = ∫ 0 t μ t d t / t μ w , 在哪里 μ ¯ 和 μ w 是指水泥浆的粘度和粘度的水,分别; β之间的粘度比水泥浆和水,然后呢 t 是整个灌浆时间。

3.1。参数设置

在建立计算模型之前,作了一些假设如下:

在灌浆过程中重力可以忽略不计

屈服强度被视为常数的值3

渗透注浆开始从注浆管底部,和浆液渗透进了砂层下球300 kPa的灌浆压力

在固体力学模块,表面设置作为一个自由变形边界。模型的左和右边界设置为滚动支座界限,只允许垂直位移,而不是横向位移。较低的计算模型的边界设置为一个固定的边界。在渗流力学模块中,地下水位的高度将与表面高度一致,和左右边界和下边界的计算模型设置为不渗透边界,即 渗流 速度 ≠ 0 。

数值模拟的模型显示在图中 7,并给出了数值模型的主要参数表 4。正确的图 7灌浆孔的局部放大图。在初始条件,第一、二部分充满水和水泥浆,分别,第三部分是灌浆孔的半径30毫米。灌浆的入口边界(F),且出口边界(A)、(B)、(C)和(D)。

数值模拟的计算模型。

数值模型参数。

参数 价值
水泥浆密度 1520公斤/米3
水泥浆的粘度 计算方程( 1)
水的密度 1000公斤/米3
土壤渗透性( K 1 ) 6.31 e -11米2
土壤孔隙度 0.35
水灰比 0.97
3.2。数值模型的有效性

灌浆前模拟考虑不同的W / C,首先证明了计算模型的有效性通过比较模拟结果与计算结果通过一个被广泛接受的理论计算 18]。扩散半径考虑理论上可以根据计算时间的行为 (3) p 1 − p 0 = β φ r 1 3 γ w 3 K t l 0 + 4 3 λ r 1 − r 0 , (4) K = K 1 γ w μ w = φ b 2 γ w 8 μ w , (5) λ = 2 τ 0 b , 在哪里 p 1 − p 0 压差; K , β , φ , γ 渗透系数、水泥浆和水粘度之间的比例,砂层的孔隙度,和单位重量的水,分别; r 1 和 r 0 扩散半径和注浆管的半径,分别;和 λ , τ 0 , b 起始压力、屈服应力和毛细管半径,分别。

基于结果之间的相对误差扩散半径理论计算和数值模拟获得的W / C 0.8图所示 8。值得注意的是相对误差在3%以内,证明数值模拟可以反映扩散过程。因此,它是一个合理的选择利用COMSOL进一步分析W / C对灌浆过程的影响。

理论模拟扩散半径和半径之间的相对误差( W / C = 0.8 )。

证明了计算模型的有效性后,进行全面调查探索W / C的影响渗透注浆扩散半径的砂层。此外,相对误差对考虑粘度在不同的时间行为W / C是定量分析。

 3.3。模拟结果的讨论 3.3.1。W / C对扩散半径的影响

下的水泥水泥浆扩散半径不同的W / C如图 7。根据图 9,扩散半径增加从0.8到1.1 W / C增加,表明更大的W / C将导致一个更大的扩散半径。特别是,当W / C变化从0.8到0.9,扩散半径60分钟经历大幅增加范围的增加18%。增加的趋势就变得不太明显的W / C从0.9上升到1.1。此外,扩散半径相同的W / C随时间和增长率就变小了。衰减率降低为W / C增加从0.8到1.1。一个可能的原因在于,水泥灌浆压力快变弱水泥浆与更高的W / C,因为高浓度水泥浆水泥砂层中的扩散时需要更多的能量。

下的水泥水泥浆扩散半径不同的W / C。

 3.3.2。W / C的影响的相对误差扩散半径对考虑时间的行为

模拟结果考虑时间行为和不考虑时间行为和理论下的扩散半径不同的W / C进行了比较。根据获得的结果,水灰比下的扩散半径0.8 - -1.1图所示 10。值得注意的是,理论半径和模拟结果考虑时间的行为在所有W / C显示良好的协议和保持稳定的40分钟后,符合实际情况。灌浆压力的衰减,扩散半径略增加并最终趋于一个常数的值。相比之下,扩散半径不考虑时间行为随时间急剧上升,导致与理论半径越来越差距或模拟结果考虑水泥水泥浆的粘度变化。

扩散半径比较( W / C = 0.9 )。

W / C = 0.8

W / C = 0.9

W / C = 1.0

W / C = 1.1

为了定量研究W / C的影响,模拟结果之间的相对误差不考虑粘度变化和理论在不同半径得到W / C(见图中的结果 11)。W / C的影响的相对误差扩散半径对考虑粘度变化会随着W / C从0.8增加到1.1。当W / C为0.8,相对误差随时间急剧扩大,达到近40%在60分钟。同样的,当W / C为0.9,相对误差达到37.65%,60分钟,略低于0.8。然而,当W / C变化从0.9到1.0,相对误差变得更加狭窄(21.36%),和这个数字远低于0.8或0.9。相对误差经历轻微下降W / C增加到1.1时,可能是因为时间的行为削弱了W / C增加时。

理论获得的扩散半径和模拟结果之间的相对误差不考虑时间的行为。

 3.3.3。现场试验的注浆扩散半径

为了验证分析和数值模拟结果,本文进行了现场灌浆试验在黄河冲击面积。根据上面的仿真参数,设置不同的泥浆水灰比,和灌浆时间是60分钟(土坝灌浆技术规范)。在灌浆后,72小时后,灌浆部分是挖掘(见图 12)。

现场试验的注浆扩散半径。

制定和钻井

挖掘探索过程

开挖后,注浆半径计算在不同水灰比(见具体详细参数表 5)。

扩散半径的比较。

水灰比 0.8 0.9 1 1.1
仿真结果(m) 0.74 0.81 0.82 0.84
测试结果(m) 0.77 0.84 0.89 0.92

现场试验结果表明,水灰比的增加,注浆扩散半径逐渐增加。此外,测试和仿真结果进行了比较。发现浆液扩散半径的平均误差仿真结果与现场试验结果是6%(见图 13),仿真结果与试验结果有很好的一致性,验证了分析结论。

数据比较。

 4所示。结论

为了研究水泥水泥浆的粘度变化的影响在不同的W / C和W / C在砂层渗透灌浆过程,本文进行了实验室实验和数值模拟。特别是,实验室测试关注的影响研究W / C纯水泥水泥浆的表观粘度。随后,数值模拟进行繁殖的灌浆过程水泥水泥浆和研究扩散半径在考虑时间的行为在不同的W / C。根据获得的结果,是得出以下结论:

水泥水泥浆的表观粘度随W / C的增加而减小。随着时间的推移,表观粘度增加。此外,表观粘度范围的增加先增加,然后随着W / C的增加减少

当W / C变化从0.8到1.1,水泥水泥浆的扩散半径60分钟经验越来越明显的增加在一个给定的砂层渗透注浆的注浆压力

调查的情况下,相对误差的理论分析和数值模拟得到的扩散半径不考虑粘度变化当W / C增加下降

根据测试结果,注浆扩散半径逐渐增加,测试和仿真结果进行了比较。发现浆液扩散半径的平均误差仿真结果与现场试验结果是6%,和仿真结果与试验结果有很好的一致性

数据可用性

部分或全部数据、模型或代码生成或使用在研究可从相应的作者。

 的利益冲突

我们声明,我们没有任何商业或关联利益代表的利益冲突与提交的工作。

 确认

这项工作得到了山东关键研发计划(2019 jzzy010429)和山东交通主管部门的科技计划(2019 b48)。

 李 s . C。 刘 r·T。 张 问:S。 张 X。 防止水或泥浆侵入隧道灌浆:复习一下 《岩石力学与岩土工程 2016年 8 5 753年 766年 10.1016 / j.jrmge.2016.05.002 2 - s2.0 - 84989773546 搜索引擎优化 h·J。 崔 H。 李 i M。 数值和实验调查的支柱和加压注浆加固和预应力 隧道与地下空间技术 2016年 54 135年 144年 10.1016 / j.tust.2015.10.018 2 - s2.0 - 84959333293 张 Q。 王 h . B。 刘 r·T。 李 s . C。 张 l·W。 朱 g . X。 张 l Z。 多孔介质渗透注浆机制考虑浆液的扩散路径 Yantu Gongcheng学报/中国岩土工程杂志》上 2018年 40 918年 924年 10.11779 / CJGE201805017 2 - s2.0 - 85052288662 李 Z。 张 l 张 Q。 刘 R。 杨 W。 楚 Y。 模拟试验砂层的渗透注浆加固效果 Meitan学报、中国煤炭学会杂志》上 2018年 43 3488年 3497年 10.13225 / j.cnki.jccs.2018.0916 2 - s2.0 - 85065042301 杨 Z。 妞妞 X。 侯 K。 郭 Y。 周 Z。 陈 F。 杨 y . H。 宾汉流体的扩散参数研究基于column-hemispherical渗透灌浆 四川大学学报(中国岩土工程学报) 2015年 28 12 47 53 叶 F。 郭台铭 c F。 陈 Z。 刘 y . P。 张 j·L。 盾构隧道Back-filled水泥浆扩散模型考虑其粘度变性 公路和运输中国Gonglu学报(中国日报) 2013年 26 1 127年 134年 侯赛因 F。 渗透注浆方法的观察与不同的灌浆流模型作为土壤改良技术 地质力学和工程 2019年 17 4 367年 374年 10.12989 / gae.2019.17.4.367 2 - s2.0 - 85065257321 Coskun 美国B。 Tokdemir T。 通过土壤渗透灌浆造型 应用工程科学杂志》上 2020年 10 1 11 16 10.2478 / ja - 2020 - 0003 傅 Y。 王 X。 张 年代。 杨 Y。 渗透注浆造型考虑灌浆引力效应:理论和实验研究 材料科学与工程的发展 2019年 2019年 16 7968240 10.1155 / 2019/7968240 戴 G。 鸟 r B。 径向流的宾汉流体在两个固定的圆形磁盘 非牛顿流体力学杂志》上 1981年 8 3 - 4 349年 355年 10.1016 / 0377 - 0257 (81)80031 - 6 2 - s2.0 - 0019389319 拉赫曼 M。 Hakansson U。 Wiklund J。 直列式水泥水泥浆的流变测量:水/水泥比率和水化的影响 隧道与地下空间技术 2015年 45 34 42 10.1016 / j.tust.2014.09.003 2 - s2.0 - 84907701665 拉赫曼 M。 Wiklund J。 Kotze R。 Hakansson U。 屈服应力的水泥水泥浆 隧道与地下空间技术 2017年 61年 50 60 10.1016 / j.tust.2016.09.009 2 - s2.0 - 84988643522 埃尔塔 M。 与水泥浆液灌浆的岩石裂缝 岩石力学和岩石工程 2012年 45 4 547年 561年 10.1007 / s00603 - 012 - 0235 - 0 2 - s2.0 - 84865382247 张 问:N。 张 l·W。 张 x Z。 刘 R。 朱 M。 郑 D。 在水平裂缝灌浆扩散考虑时间和空间变化的粘度 Yanshilixue Yu Gongcheng学报/中国岩石力学与工程学报 2015年 34 1198年 1210年 10.13722 / j.cnki.jrme.2014.0958 2 - s2.0 - 84938383923 阮 w·J。 传播模型,在岩体裂缝灌浆水泥基水泥浆粘度的基于时间的行为 中国岩石力学与工程学报 2005年 24 15 2709年 2714年 阮 w·J。 研究灌浆扩散和水泥浆的基本属性 中国岩土工程杂志》上 2005年 27 1 69年 73年 弗兰 一个。 张 X。 自由表面的三维数值模拟使用PFEM宾汉流体结构相互作用 非牛顿流体力学杂志》上 2018年 259年 1 15 10.1016 / j.jnnfm.2018.05.001 2 - s2.0 - 85047743949 香港 x Y。 先进的流体在多孔介质力学 2010年 中国科学技术大学出版社