注浆模拟试验研究进展及展望

吉咸伟

（上海电力设计院有限公司，上海200025）

注浆模拟试验研究进展及展望

吉咸伟*

（上海电力设计院有限公司，上海200025）

对岩体结构理论进行了阐述和总结，介绍了目前注浆模拟试验研究现状与进展，根据试验模拟的岩土体结构进行了注浆模拟试验分类，指出了当前模拟试验的不足，提出了注浆模拟试验的研究方向。

注浆；岩土结构；模拟试验；裂隙岩体；孔隙介质

1　概述

在工程建设中，许多岩土体的强度特性和水稳定性不能满足工程要求，需要对岩土体进行改造处理，注浆技术是常用方法之一。大量工程实践证明，注浆技术是行之有效的堵水加固技术。目前注浆理论多通过工程实践积累、理论推导、模型试验和数值模拟等方法进行研究，模型试验以工程实践为背景，根据相似定律建立注浆模型，观察注浆过程中的各种现象，并监测各项数据，以此对注浆理论进行研究。模型试验研究对于注浆理论的推进具有重要意义。目前对于注浆模型试验的研究多集中于单裂隙注浆试验和孔隙介质注浆模拟试验，连通裂隙、网络裂隙、管道注浆等研究相对较少。岩土体结构的复杂性增大了注浆理论研究的难度，正确认识岩土体结构是获得正确注浆理论的基础。

2　岩体结构理论

岩体空隙是浆液在岩体中扩散的通道，不同的岩体结构，浆液扩散规律不同，对岩体强度和水稳性的改造也有较大差异。因此，对岩体结构的研究是注浆理论研究的基础。

2.1多孔介质理论

该理论认为岩体中的空隙以孔隙为主，孔隙之间相互连通，作为地下水和浆液扩散的通道，呈多孔构造。根据岩体中孔隙分布情况，将其分为各向同性多孔介质和各向异性多孔介质。最终注浆效果取决于浆液对于孔隙的填充封堵情况。多孔介质理论忽略了岩体中的节理、微断层等裂隙影响，主要针对粗砂岩、卵石层等岩体，适用于对裂隙较少的含水层改造。

2.2拟连续介质理论

该理论认为岩体虽受裂隙分割，但通过该理论应用等效原理处理后，岩体空间内每一点上岩石和裂隙都保持连续。因此，在岩体内每一点上都同时存在岩石介质和孔隙介质，浆液就是通过这些孔隙在岩体内流动的［1］。

2.3裂隙介质理论

该理论认为岩体空隙以裂隙为主，裂隙作为主导因素控制岩体结构，将岩体分割为非连续体，地下水在裂隙中流动，裂隙作为浆液扩散的通道。对岩体结构和水稳性的改造是浆液对裂隙填充封堵的过程。裂隙介质理论主要针对以裂隙为主导的地层，适用于对煤层顶板导水裂隙带的注浆封堵。

2.4孔隙和裂隙双重介质理论

该理论认为岩体由孔隙性差而透水性强的裂隙系统和孔隙性好而透水性弱的岩块系统组成，浆液在该种介质中流动时，既可在裂隙中流动，又可在岩块中流动，并在两者之间发生强烈的质量交换［1］。

3　注浆模拟试验研究

目前，国内外对岩体裂隙网络的物理模拟和数值模拟尚无可靠、成熟的研究方法，而现有的数值法和数值计算程序也还不能完全模拟注浆过程［2］。因此，对注浆过程的模拟和注浆理论的研究多通过模型试验进行。通过模型试验，可以对注浆过程中的注浆压力、动水流速、注浆流量、岩土体结构等进行变量控制，并检测注浆压力、动水流速、水压变化规律、结石体的强度及抗渗性等，在此基础上分析浆液扩散规律，进行理论推导和修正，模型试验对注浆实践中注浆工艺、浆液配比和注浆工程设计具有重要意义。

3.1裂隙岩体注浆模拟试验研究

（1）奥地利学者采用3种模型来模拟浆液在单裂隙中的流动。第1种模型是将浇筑的2m×1m×1m的混凝土块劈开一条裂隙，在裂隙中注浆，分析注浆流量、注浆压力及渗透距的关系；第2种模型是用直径为1.4m、厚为0.3m混凝土块拼接形成裂隙，在混凝土块中间钻孔进行注浆，研究裂隙流量、注浆压力及浆液粘度在不同裂隙开度下的关系；第3种模型采用2.0m×3.0m厚的钢板拼成裂隙，将裂隙粗糙度纳入考虑范围，研究粗糙度对注浆流量及浆液扩散距离的影响。

（2）李术才等建立了准三维裂隙动水注浆模型试验台，可以实现裂隙宽度、裂隙动水流场参数（流速、水压等）、注浆压力、注浆速率、裂隙倾角、浆液密度和浆液黏度等多因素条件的定量调节［3］。该试验台水压可达0～0.5MPa，注浆压力为0～1.5MPa；裂隙尺寸为2000mm×4000mm，裂隙开度5～30mm可调。通过试验，对动水条件下浆液扩散形态和扩散规律进行了研究，提出浆液的U形扩散规律和水泥浆液的分层分区扩散机制，得到浆液的快速析水沉积原理和沉积留核扩散规律，实现浆液扩散和封堵效果的定量评价。

（3）杨米加等通过向试验盒中灌入水泥，预留出裂隙宽度作为试验裂隙，以水泥浆液作为注浆材料，进行了单裂隙和网格裂隙的注浆模拟试验。建立了裂隙开度同水灰比和注浆压力的关系，并对裂隙几何特征对岩体宏观渗透性影响进行了讨论，研究了裂隙网络中的浆液渗透压力分布特征。

（4）郝哲等分析了注浆过程对岩体裂隙的影响。将裂隙分为孤立裂隙和连通裂隙分别进行分析，纳入地应力作用的强度因子和灌浆压力的强度因子，对裂隙扩展的压力进行了计算，得出了孤立裂隙和连通裂隙的裂隙开度变化和总压力关系公式。

（5）徐志鹏等建立了高压裂隙注浆试验台［4］。该试验平台注浆压力可达36MPa，持续时间4～5h，裂隙由2个半圆柱形的砂浆块拼接形成，裂隙宽度2～8mm，以塑性早强浆材作为注浆材料，该试验平台中单个裂隙试件可以相互拼接增加裂隙长度，最长可达1000～1500m，可以有效的模拟1000～1500m深含水裂隙中的高压注浆。通过试验，分析高压下裂隙的抗渗性和注浆压力随时间的变化规律，绘制P-t曲线，研究了P-t曲线与抗渗性的关系，并对扩散距离与时间的关系进行了讨论。

3.2孔隙介质注浆模拟试验研究

（1）郭密文对高压封闭环境下孔隙介质中化学浆液扩散机制进行了研究［5］。采用特制圆柱型缸体保证封闭环境，以饱和砂土作为孔隙介质，用伺服仪提供试验所需的1～3MPa压强，化学浆液作为注浆材料。试验队孔隙水压力等数值进行测定，注浆结束后对浆液结石体形状进行分析，得出了浆液在封闭高压化境下的3种扩散模式：球形扩散、指形扩散、面状扩散，总结出了置换推进、优势路径和分层富集3种浆液扩散机制，从注浆孔至缸体边缘空间层面、注浆初始至注浆结束时间层面讨论了浆液的运动特点。

（2）王档良研究了动水条件下孔隙介质的注浆机理［6］。采用0.2m的圆筒形模型箱作为孔隙介质容器，以饱和砂子作为孔隙介质，注浆泵向模型箱中持续注水保证动水环境，以化学浆液作为注浆材料，根据模型箱上的12个孔堵塞数量来判断注浆效果，进行了动水条件下浆液扩散单因素和多因素试验。根据试验结果对影响浆液扩散的多个因素进行了定性排序，研究了漏点大小、胶凝时间、漏点压力对封堵效果的定量化影响。

（3）谢猛进行了水泥浆液在松散碎石体中的注浆模拟试验［7］。采用了600mm×600mm×600mm的模型箱，以松散碎石体作为孔隙介质进行静压渗透注浆。该试验对多个注浆孔下的浆液扩散进行了研究，进行了普通硅酸盐水泥在单孔竖直注浆、三孔竖直注浆和三孔水平注浆下的试验。得到了水灰比、孔隙率、注浆量、注浆压力和扩散距离的关系，分析了注浆量和扩散距离的影响因素。

（4）杨坪模拟了砂卵石层中的注浆过程［8］。模型箱采用了（0～1500）mm×1220mm×1000mm的尺寸，用河床砂卵石作为孔隙介质，硅酸水泥作为注浆材料进行正交试验，依据模型箱中埋放的探头探测到浆液时作为停止注浆的时机。试验结果得到了不同试验下的扩散半径和注浆量图线，对结石体强度及影响因素进行了分析。

3.3管道注浆模拟试验研究

（1）胡巍对动水条件下的管道注浆过程进行了模拟［9］。采用了内径为5mm的PVC管路模拟岩石管道，以固定水头的水箱保证动水环境，以水泥浆液作为注浆材料进行了正交试验。对浆液在管道中的流动和扩散现象进行了分析，发现了水击现象，并对水击的机理进行了研究，讨论了管道环境下水泥浆液完成封堵的条件。

（2）张士林对管道中的堆积层厚度与水力坡度的关系进行了理论研究，得到了堆积层厚度和水力坡度之间的关系公式，并进行了试验验证。得到了管道中流体、固体颗粒和浆体3者的速度分布，根据固体颗粒在流体作用下的起动条件，得到了不同水力坡度下堆积层厚度的变化规律，并用数学公式形式进行表述。

3.4工程现场试验研究

张淑同对破碎煤体的注浆加固技术和堵水技术进行了现场实践研究［10］。在兖州矿业集团南囤煤矿9302工作面进行了综放工作面破碎煤体注浆加固试验，在徐州矿业集团张双楼煤矿进行了裂隙岩体注浆堵水试验，两次实践注浆效果显著，均达到了注浆预期效果，证明了注浆技术在破碎煤体加固和堵水过程中的有效性。工程现场注浆实践较多，再此不多做赘述。

4　研究展望

注浆技术的发展已有近百年的历史，但与注浆材料、注浆工艺、注浆设备等快速发展相比较，注浆理论的研究水平还相当落后、进展缓慢［11］。注浆模拟试验是进行注浆理论研究的有效方式，模拟试验的发展可以很好地推动理论研究。根据目前注浆试验进展情况，以下方向应加强研究：

（1）高压注浆模拟试验。目前对注浆试验的模拟多集中在常压条件，工程实践中很多待改造岩土体在地应力中处于高压环境，因此需加强对高压环境下的注浆规律研究。

（2）岩体结构研究。岩体结构是注浆研究的基础，目前的岩体结构研究和岩体结构整体分类仍有不足之处。岩体的裂隙是天然条件下形成的不规则的破裂面，其不规则特征强烈地影响浆液的渗流过程，而裂隙的分布、表面特征具有随机性，服从一定的随机分布规律［1］。

（3）动水、管道等复杂环境下的模拟研究。目前的注浆模拟试验多集中于单裂隙和孔隙介质，对于动水条件、管道条件、网络裂隙等复杂环境中的浆液扩散规律研究较少。应加强对复杂环境中浆液运动状态的研究。

5　结束语

注浆工程的隐蔽性增大了对注浆理论的研究难度，注浆模型模拟试验作为重要研究手段，对注浆理论的发展具有重要推动作用。我们应努力研制更加贴近实际的试验模型，获得可靠、成熟的注浆理论指导注浆工程，加强岩土体改造和堵水加固的有效性。

［1］杨米加，陈明雄，贺永年.注浆理论的研究现状及发展方向［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（6）：839-841.

［2］徐志鹏.裂隙注浆模拟试验研究进展［J］.建井技术，2012，33 （6）：26-29，37.

［3］李术才，张霄，张庆松，等.地下工程涌突水注浆止水浆液扩散机制和封堵方法研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（11）：2377-2395.

［4］徐志鹏.高压裂隙注浆试验台研制及塑性早强浆材注浆试验研究［D］.北京：煤科总院建井研究分院，2009.

［5］郭密文.高压封闭环境孔隙介质中化学浆液扩散机制试验研究［D］.徐州：中国矿业大学，2010.

［6］王档良.多孔介质动水化学注浆机理研究［D］.徐州：中国矿业大学，2011.

［7］谢猛.水泥浆液在松散碎石体中注浆的模型试验研究［D］.昆明：昆明理工大学，2007.

［8］杨坪.砂卵（砾）石层模拟注浆试验及渗透注浆机理研究［D］.长沙：中南大学，2005.

［9］胡巍.岩体裂隙与管道动水注浆浆液扩散封堵机理研究［D］.徐州：中国矿业大学，2013.

［10］张淑同.破碎煤岩体注浆加固与堵水研究［D］.青岛：山东科技大学，2006.

［11］郝哲，王介强，刘斌.岩体渗透注浆的理论研究［J］.岩石力学与工程学报，2001（4）：492-496.

Development and Prospect for Experimental Investigation of Grouting

JI Xian-wei
（Shanghai Electric Power Design Institute Co.Std.，Shanghai 200025，China）

The focus of this study is to expound and summarize the rock mass structures theory.The current status and progress of grouting simulation study was described.Laboratory tests simulate multiple geotechnical structures，and by which the tests were classified into different kinds.Deficiencies in the current of the simulation tests were pointed，and the research of grouting simulation tests was proposed.

grouting；geotechnical structures；simulation test；rock fracture；porous media

TV543

A

1004-5716（2016）07-0193-03

2015-06-02

吉咸伟（1983-），男（汉族），江苏淮安人，工程师、注册土木工程师（岩土），现从事岩土工程勘察与设计工作。