裂隙介质注浆研究现状与分析

引言

注浆技术已经被广泛地应用于地基工程、桩基工程、边坡工程、隧道工程和煤矿开采，且注浆具有掩蔽性和地层具有复杂性，使得越来越多的学者对注浆技术进行了研究。

目前，已经有少数学者对裂隙介质注浆的研究现状进行了归纳和总结，例如杨米加等、罗平平等和王一新等分别对研究现状进行了总结和分析，但是他们在文章中很少涉及注浆扩散模型的研究现状且无最近几年的最新研究成果介绍。本文结合最近几年来在裂隙介质注浆方而的研究成果分别从注浆扩散模型、模型试验和数值模拟三大方而介绍了国内外研究现状，并通过分析研究现状存在的不足之处提出了裂隙介质注浆的研究方向。

1 注浆扩散模型研究现状

1.1牛顿流体注浆模型

1 ) Baker针对牛顿流体在裂隙内的辐射流动，采用平直、光滑、等开度的平行板裂隙模型，假定注浆压力和流量恒定不变，导出了层流关系式。

2 )刘嘉材研究了二维光滑裂隙中牛顿流体的流动规律，根据牛顿摩阻力定律，推导出了扩散半径与注浆时间的表达式。可用来计算浆液的扩散半径和灌浆时间，也可根据扩散半径求所需的注浆压力。

3)张良辉考虑粗糙度和地下水粘性阻力的影响推导了牛顿流体灌浆时间与扩散半径关系的公式。

4)郑玉辉考虑地下水的影响推导得出了考虑流体粘度变化的公式及倾斜裂隙注浆浆液扩散公式。

1.2宾汉流体注浆模型

1 ) G Lombard根据力的平衡，导出了在开度为b（原文为2t)的裂隙中浆液的最大扩散半径。2)Wittke根据注浆压力变化梯度与浆液屈服强度的变化梯度之代数和为零，建立了平衡方程，推导出了宾汉流体在等厚光滑裂隙中的扩散距离。3 )H·B加宾考虑了浆液重力密度及裂隙倾斜角度的影响，推导出了宾汉流体扩散在裂隙中的距离。4 ) OHO.卢什尼科娃得出了对多条开度不一致的裂隙同时灌浆时的扩散半径与各参数间的关系。5)杨晓东等}推导出了当宾汉流体在裂隙中作低雷诺数的平而径向层流运动时，忽略浆体的流动惯性和重力作用的流动基本方程。6 } H assler·L用渠道网络代替裂隙而，将二维辐射流简化为一维直线流，得出在单条渠道内浆液的运动方程。7)郑长成考虑了裂隙倾角和方位角的影响，将浆液粘度时变性参数做了简化，且提出了“等效水力开度”的概念，得出了浆液最大扩散半径的公式。8)阮文军考虑粘度时变性推导了牛顿流体和宾汉流体的注浆扩散模型，在推导宾汉流体时考虑了流核的存在，在浆液的影响参数方而考虑的比较全而，公式中引用了郑长成的等效水力开度。9)葛家良针对隧道围岩结构而注浆，假定水泥浆动力粘度和动切力服从杨晓东等提出的公式，忽略惯性力的影响，考虑了粘度时变性的影响，建立了浆液在二维结构而中扩散的GJL模型。10 )郑玉辉基于频率水力隙宽的研究和宾汉流体渗流规律的建立，考虑地下水影响半径针对宾汉流体建立了裂隙注浆扩散模型。

2模型试验研究现状

1奥地利进行了单裂隙中浆液流动过程的模拟试验。试验采用了3种不同的模型，第1种模型是将浇筑好的2 m× 1 m×1 m的混凝土块用特殊的方法将其劈裂，对劈裂后的裂缝进行注浆模型试验，建立注浆流量、注浆压力及渗透距离之间的关系;第2种模型是利用2块直径为1. 4 m，厚度为0. 3 m的混凝土块构成模拟裂隙，并在模型的中间钻孔进行注浆，使浆液在裂缝中呈轴对称流动，并测得不同间距下裂隙流量、注浆压力及浆液粘度之间的关系;第3种模型是用2块2. 0 m×3. 0 m厚的钢板拼成裂隙，并在给定的粗糙度下进行注浆，分析裂隙粗糙度对浆液流量及扩散半径的影响。

2)中国水利水电科学研究院研制了平板型注浆试验台，通过试验建立了牛顿流体在水平

光滑裂隙而内的扩散方程，得出了扩散半径与注浆压力、浆液粘度及注浆时间之间的关系。

3 )杨米加等对单一裂隙岩体和裂隙网络岩体注浆渗流模拟实验，分析和总结了裂隙岩体注浆渗流中的一般规律，并讨论了影响注浆渗流工程的各种因素;从考虑岩体裂隙的随即性和复杂性，同时服从一定分布(正态，均匀，分形分布灭并结合浆液的流变性能，得出了随机裂隙岩体的注浆渗流规律。

4郝哲等和GOTHALLR等通过模型试验研究了注浆时浆液对裂隙变形的影响及其劈裂作用，得出了裂隙开度变化公式及扩展压力公式。

5李华茂等通过模型试验研究了椭圆形裂隙注浆时裂隙宽度、注浆压力、水灰比、注浆时间对浆液扩散距离和注浆量的影响。

6徐志鹏研制了最高可耐压36 MPa高压裂隙注浆试验台，实现了压力等参数的自动监测，并利用该试验台进行了单裂隙高压注浆试验。

3数值模拟研究现状

1郝哲等利用蒙特卡洛法模拟岩体裂隙分布，根据山东莱芜铁矿谷家台矿区现场注浆实践，编制开发出一套反映裂隙岩体中注浆扩散情况的计算机模拟程序。2杨米加等在裂隙结构模拟的基础上，建立了裂隙网络非牛顿流体的渗流模型，并应用所建立的分析模型进行注浆渗透过程模拟，建立了确定注浆参数的一般方法，还讨论了裂隙岩体注浆过程中的渗流和应力祸合问题，分析了应力和渗流祸合对注浆过程的影响。

3)阮文军建立了用于岩体裂隙的稳定性浆液注浆扩散模型，开发了计算机程序，该程序可以计算任意时刻的注浆扩散范围、裂隙内某点处注浆压力随时间的变化情况，从而了解浆液粘度、裂隙等效水力半径、裂隙倾角、注浆压力、地下水静水压力对注浆扩散范围的影响规律。并通过两个工程实例的对比结果证明了这一注浆扩散模型的计算结果符合工程实际。4)罗平平等7结合宾汉流体在单一光滑倾斜裂隙内的流动公式，建立了空间岩体裂隙网络的宾汉浆液渗流和裂隙变形祸合模型，利用开发的数值模拟程序对裂隙网络注浆进行了模拟和分析。

5)赵林用AUTOCAD VBA编写的岩体结构而网络模拟程序，对具有不同分维数的裂隙岩体进行了模拟注浆，并对注浆参数敏感性进行了分析。

4存在的不足及发展方向

4.1存在的不足

1 )在注浆扩散模型方而:从研究现状来看，各位学者在进行注浆扩散模型的理论推导时都进行了不同的简化;在推导过程中没有考虑裂隙粗糙度的变化及裂隙的弯曲;大都建立在单裂隙或几条裂隙的基础上进行理论推导。

2 )在模型试验方而:高压环境下注浆的研究还比较浅，没有涉及到高压环境注浆时浆液的扩散规律研究;模型试验中考虑影响注浆效果的因素不够全而。

3 )在数值模拟方而:裂隙介质注浆数值模拟方而的研究还处于起始阶段，很多研究还不够深入，例如注浆过程中注浆压力对裂隙变形的影响、注浆体在注浆过程中的应力应变关系及变化规律等。

4. 2发展方向

虽然关于裂隙介质注浆方而的研究已经有了长足的发展，但是仍存在上述不足，结合这些不足，提出以下几个发展方向:

1)网络裂隙的注浆扩散模型。在工程实践中，注浆的介质的裂隙往往是具有一定规律性且呈网络状，而口前关于注浆扩散模型的理论推导往往是针对单一裂隙或几条裂隙，这只能为工程实践起到一定的参考作用而无法指导工程时间，因此网络裂隙的注浆扩散模型方而有待于加强研究。

2 )高压环境下模型试验。在我国很大一部分地区都而临着高地压环境，而高压环境下注浆浆液在裂隙中的扩散距离和低压环境下注浆是否相同，其扩散规律是否相同，这些都对注