考虑浆液黏度时变性的动水注浆模拟

型"但是这!种模 型 均 无 法 很 好 地 模 拟 浆 液 的 黏 度
时变性&根据李 术 才 等 的 )%* 结 论"将 浆 液 的 黏 度 时
变性编 写 成 新 的 流 体 模 型"并 植 入 到 (<NI.(,V 中&水泥 硅酸钠浆液和高聚物改性材料的水灰比
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式中%,为流体的运动黏度'*"+ 为达西 福希海默参
数"采用 1=JLI)"%*提出的算法"即
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式中%& 为孔隙率'7!$为中 值 粒 径"即 粒 径 大 于 该 值
31/'-&0'%,P9C<:NYGTO=9JN9:9JEPD:NIRE=9ICNIMQE::NIP9LIMN=EIJ=9LMEIJ"DIOMGNN=9SE9I9H J=9LIOQDMN=QE::PDLSNMGN:9SS9HJ=9LM;69ONN<:TNY<:9=NS:L==TOEHHLSE9ILION=GTO=9OTIDCEP P9IOEME9IS"DJ=9LMEIJ C9ON:ESNSMDZ:ESGNOZDSNO9IMGN9<NI>S9L=PNS9HMQD=N(<NI.(,V;6GN :DQ9HS:L==TOEHHLSE9IDIOEMSEIH:LNIPEIJHDPM9=SD=NSMLOENO;*NSL:MSSG9QMGDMS:L==TOEHHLSE9I GDS9ZRE9LSDSTCCNM=T LION=GTO=9OTIDCEPP9IOEME9IS;6GNOEHHLSE9I OESMDIPNEIMGNRN=MEPD: QDMN=H:9QOE=NPME9IESD:QDTSJ=NDMN=MGDIMGDMEIMGNP9LIMN=>PL==NIMOE=NPME9I;6GNEIP=NDSNEI QDMN=H:9QRN:9PEMTDIOMGNONP=NDSNEIJ=9LMEIJRN:9PEMTONP=NDSNMGNOEHHLSE9IOESMDIPN9HS:L==T; 6GNOEHHLSE9I9HPNCNIM>S9OELCSE:EPDMNESSECE:D=M9MGDM9H<9:TCN=C9OEHENOPNCNIMJ=9LMLION= GTO=9OTIDCEPP9IOEME9ISZLM<9:TCN=C9OEHENOPNCNIMJ=9LMGDSDZNMMN==NEIH9=PNCNIMNHHNPMDMD :9Q QDMN=H:9QRN:9PEMT;
摘要在 注 浆 工 程 中 会 不 可 避 免 地 遇 到 复 杂 的 水 文 地 质 环 境 地 下 水 的 冲 刷 作 用 会 导 致 浆 液 流
失 为 深 入 探 讨 动 水 中 浆 液 的 扩 散 情 况 基 于 开 源 软 件 (<NI.(,V 建 立 动 水 中 的 注 浆 模 型 研 究 浆 液 在 动 水 中 的 扩 散 规 律 分 析 不 同 黏 度 时 变 性 不 同 水 流 速 度 和 注 浆 速 率 对 浆 液 扩 散 规 律
的 颗 粒 占 !$i "小 于 该 值 的 颗 粒 也 占 !$i &
";";%! 黏 度 时 变 性
(<NI.(,V 中虽然有!种非牛顿流体模型"分
别为 WE=O>8D==NDL 流 变 模 型(8=9SS幂 律 流 变 模 型(
幂律模 型(0N=SPGN:>WL:X:NT 流 变 模 型 和 8DSS9I 模
文 章 编 号 "$$B>&%$%!#$#%#$#>$"@$>$A
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泥 硅 酸 钠 浆 液 与 高 聚 物 改 性 浆 液 在 动 水 中 扩 散 情 况 相 似 在 低 水 流 速 度 中 高 聚 物 改 性 浆 液 加
固效果较好
关 键 词 动 水 条 件 注 浆 扩 散 黏 度 时 变 性 多 孔 介 质 8.^
中 图 分 类 号 )&!"! ! ! ! ! 文 献 标 志 码 ,
";";#! 多 孔 介 质 模 型 在 (<NI.(,V 中"多 孔 介 质 由 动 量 方 程 中 的
附加源项表示"所采用的多孔介质模型为达西 福希 海 默 模 型 )"#*"即
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式中%张量 " 对 于 均 质 介 质 可 以 表 示 为 标 量 7"
的 影 响 研 究 结 果 表 明 在 动 水 影 响 下 浆 液 的 扩 散 具 有 明 显 的 非 对 称 性 在 垂 直 水 流 方 向 的 扩
散 距 离 始 终 大 于 逆 水 方 向 水 流 速 度 的 增 大 和 注 浆 速 率 的 减 小 会 导 致 浆 液 的 扩 散 距 离 减 小 水
方程&
两种 浆 液 的 黏 度 随 时 间 的 变 化 如 图 " 所 示"虽
7!计算方法和模型建立
787! 计 算 方 法 计算流体 力 学!89C<LMDME9ID:H:LEOOTIDCEPS"
8.^#被广泛 用 于 模 拟 流 体 流 动& 将 流 体 体 积 离 散
为 小 离 散 体 积 的 1L:N=>1L:N= 方 法 用 于 注 浆 过 程 "通 )?>"$* 过在 +DREN=>5M9XNS方 程 中 加 入 源 项 以 模
为
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式中% 为 应 力 张 量 的 速 率'# 为 混 合 流 体 的 动 力 黏度&
使用体积分数! 表示单元体积中浆液的体积占
比 "即
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浆液
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水
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.$+! +" 混合物
因此"相体积分 数 梯 度 仅 存 在 于 界 面 区 域& 不 可 压
, "@# ,
浙江工业大学学报
第 !" 卷
均采 用 "]""水 泥 硅 酸 钠 浆 液 中 水 泥 与 硅 酸 钠 的 双液体积比取#]""高聚物改性材 料 中 水 泥 与 高 聚 物体积比取 #]"& 在 李 术 才 等 的 )%* 结 论 中"水 泥 硅酸钠浆液 初 始 黏 度 为 $"不 符 合 实 际& 两 种 浆 液 的黏度时变性方程为
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第#期
朱 ! 俊 "等 %考 虑 浆 液 黏 度 时 变 性 的 动 水 注 浆 模 拟
, "@" ,
径 影 响 程 度 从 大 到 小 依 次 为 水 流 流 速 (裂 隙 开 度 (注 浆压力和 浆 液 黏 度& 刘 人 太 以 )!* +D8:和 hVI(& 作为示踪剂"采用水 文 示 踪 实 验 分 析 方 法 开 展 动 水 中注浆工 程 的 原 位 实 验& 由 于 注 浆 过 程 具 有 隐 蔽 性 "在 原 位 实 验 中 速 度 场 (压 力 场 和 扩 散 轨 迹 等 重 要 信息难以获得&针 对 该 类 问 题"数 值 模 拟 是 一 个 很 好的解决工 具& 刘 健 等 开 )B* 展 实 验"虽 然 比 较 了 在 静水和动 水 中 的 普 通 硅 酸 盐 水 泥 浆 液 扩 散 运 动 规 律"并且通过 8(V5(- 软件 比 较 了 压 力 场 特 征"但 是在数值模拟过程 中 浆 液 的 黏 度 保 持 不 变"无 法 反 映现实中浆液的黏度时变性&刘人太等 虽 )A* 然 弥 补 了 该 缺 陷 "在 模 型 中 考 虑 了 浆 液 的 黏 度 时 变 性 "但 是 浆液在多孔介质中 的 扩 散 情 况 未 考 虑"与 现 实 情 况 差异仍然较大&目前准确模拟浆液在岩土体中扩散 的相关研究较 少& 为 了 弥 补 上 述 研 究 缺 陷"笔 者 探 讨了动水对注 浆 工 程 的 影 响"基 于 开 源 软 件 (<NI> .(,V)@*"修改 流 体 模 型 并 植 入 黏 度 时 变 性 方 程" 模拟动水 条 件 下 不 同 浆 液 在 多 孔 介 质 中 的 扩 散 过 程"系统地分析了 水 流 速 度 和 注 浆 速 率 对 浆 液 扩 散 情况的影响"研究对 动 水 中 的 注 浆 工 程 实 施 具 有 一 定的参考价值&
拟浆液在多孔介质中的流动&
";";"! 流体体积49:LCN9HH:LEO4(.模型控制方程 在 进 行 注 浆 模 拟 时"注 浆 材 料 简 化 为 不 可 压 缩
的黏性流体&将水和浆液视为两种不相溶的流体"
两者的运动可以通过 +DREN=>5M9XNS方程来求解"流 体的连续性方程和动量守恒方程 分 )""* 别为
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*!*-"#$ ,!-##( H$ ,%$-0 $I9 !##
式中% 为两种流体 所 共 享 的 速 度 场'- 为 混 合 流 体 的密度'H 为压力' 为黏性应力张量'0 为重力加速 度'I9 为动量 方 程 中 的 广 义 源 项"为 多 孔 介 质 引 起 的能 量 损 耗& 根 据 牛 顿 黏 性 定 律"黏 性 应 力 张 量
#" # CDY,-.#$$=$$@&#A"#=B?&
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式中%#$ 为#$ c 时 水 的 动 力 黏 度'#" 和 ## 分 别 为 水泥 硅酸钠浆液和高聚物改性材料的黏度时变性
缩 4(. 模型中的相方程表示为
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流 体 的 固 有 特 性 !如 密 度 和 黏 度 #的 时 空 变 化 也
可以根据体积分数! 进行更新"表示为
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# ##"!$##!"(!#
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式中%-""-# 分别为浆液和水的密度'#""## 分别为浆 液和水的动力黏度&
收 稿 日 期 #$##>$#>$& 基 金 项 目 浙 江 省 建 设 科 研 基 金 资 助 项 目 !#$#"h"AB# 作 者 简 介 朱 ! 俊 !"?A?$ #"男 "江 苏 盐 城 人 "高 级 工 程 师 "研 究 方 向 为 岩 土 工 程 "1>CDE:%JN9MNPGIEPD:#$#"!"B%;P9C&
4+56(-./%GTO=9OTIDCEP P9IOEME9IS' J=9LMEIJ OEHHLSE9I'MECN>ON<NIONIM RESP9SEMT' <9=9LS CNOED'8.^
!!注浆是改善岩 土 体 力 学 参 数 的 主 要 手 段"距 今 已有近#$$年的发展史 & )"* 随着交通和水利工 程 的 蓬勃发展"在地下 工 程 中 遇 到 的 水 文 地 质 环 境 日 渐 复 杂 "而 水 文 地 质 环 境 对 注 浆 工 程 的 影 响 不 可 忽 略 & 因此"浆液的扩散 过 程 是 注 浆 压 力 场 和 渗 流 场 耦 合
第 !" 卷 第 # 期 #$#% 年 & 月
浙江工业大学学报
'()*+,- (./01'2,+3 )+241*5267 (.6180+(-(37
49:;!" +9;# ,<=;#$#%
考虑浆液黏度时变性的动水注浆模拟
朱 ! 俊 陈 敬 轩 张 玉 姚 王 东 武
!中铁十八局集团第五工程有限公司"天津 %$$&!$#
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
的 结 果 "地 下 水 的 流 动 往 往 会 造 成 浆 液 的 流 失 "导 致 部分岩土体未完成加固而留下隐患 & )#>%*
有学者针对动水中的注浆过程做了一定的研 究&湛铠瑜等 通 )&* 过理论推导建立了恒定浆液 黏 度 的单一裂隙动水注 浆 扩 散 模 型"认 为 对 浆 液 扩 散 半