“化学注浆扩散机理的透明土试验研究”项目针对注浆工程的隐蔽性以及常规模拟实验不能实时观测浆液扩散的缺陷，实现了注浆过程的可视化研究。 本研究采用的透明土技术是利用具有相应折射系数的石英和孔隙流体制成的一种透明模型材料，经过反复试验测试，本项目选取熔融石英做为透明砂、溴化钙溶液做为孔隙流体。研究表明该透明材料可以较好地模拟天然砂的岩土工程特性，特别是其渗透特性。 本项目开发建立了一套透明土注浆光学观测系统和注浆实验设备，基于透明土实验技术和立体颗粒图像追踪技术（SPTV）实现了颗粒状材料注浆过程中化学浆液扩散的可视化研究。并建立了透明裂隙模拟装置，对单裂隙动水化学浆液注浆扩散过程进行了可视化研究。 孔隙介质透明土化学注浆实验结果表明，注入静水孔隙介质中的浆液边界随时间呈明显的是球面扩散，扩散半径扩展符合马格（Maag）公式。 通过标准砂与透明砂土的颗粒流数值模拟和室内土工试验结果分析可知，这两种砂土的微观组构特征和宏观力学响应基本一致，认为采用颗粒流原理模拟透明砂土实验是可行的，透明砂土可以代替标准砂进行室内试验模拟研究。 透明单裂隙注浆装置，研究了单裂隙动水化学注浆的扩散规律和影响因素。注浆堵水效果受水流流速影响最大，受浆液凝胶时间的影响次之，受注浆量和裂隙开度的影响相对较小。水流流速大或浆液凝胶时间短时适合用大泵量注浆而浆液凝胶时间长时适合用小泵量注浆；凝胶时间短时用小泵量注浆，会导致浆液的扩散面积不足而使堵水效果无法满足设计要求。 本项目在国内外首次利用透明土结合光学测试技术实现注浆过程中水力劈裂裂隙的产生、发展和浆液扩散、凝固的可视化，进一步阐明了土体注浆过程中化学浆液扩散机理，以及动水条件下单裂隙化学注浆堵水效果的影响因素，对实际工程有指导意义。 2100433B

注浆工程的隐蔽性以及常规模拟实验不能实时观测浆液扩散的缺陷，给注浆理论的进一步发展造成了很大的障碍。因此，注浆过程的可视化研究显得尤为迫切和必要。.本项目将开发建立一套透明土注浆光学观测系统和注浆实验设备，基于透明土实验技术和立体颗粒图像追踪技术（SPTV）来实现注浆过程中化学浆液扩散的可视化研究。透明土是利用具有相应折射系数的硅粉和孔隙流体制成的一种透明模型材料；立体颗粒图像追踪技术是一种先进的图像处理技术，用来处理空间中同步相机获取的图像，以跟踪颗粒的空间位置变化，获得土体内部三维变形和裂缝的发展。.本项目将在国内外首次利用透明土结合光学测试技术实现注浆过程中水力劈裂裂隙的产生、发展和浆液扩散、凝固的可视化，并利用工程实测结果和数值模拟与模型实验相互印证，阐明土体注浆过程中化学浆液扩散机理，指导工程实际。

项目的背景：本项目拟考虑土钉在冻融土中峰值摩阻力的计算为主要科学问题，主要考虑数学解析建立注浆压力和上覆土压力改变条件下的土钉-土接触面模型，并进行室内外大量的试验验证，分析多个参数的变化对土钉峰值摩阻力与显摩擦系数的影响。研究内容：本项目拟针对土中压力注浆土钉的峰值摩阻力为主要研究对象，根据土钉周围的压力注浆大小分析土钉与土的界面接触机理，结合室内和现场试验研究不同注浆压力对土钉拉拔峰值摩阻力的影响，系统的分析不同饱和度与土钉峰值摩阻力的关联性，分析压力注浆和上覆土压力的变化对峰值摩阻力及显摩擦系数的影响性。重要结果：研究发现，基于小孔扩张理论和土钉-土破坏面的概念可以进行土钉峰值摩阻力计算的解析模型，结合历史试验和本项目的室内外模型试验验证，得到了不同工况下土钉峰值摩阻力和显摩擦系数随注浆压力、上覆土压力的关联规律，并发现注浆压力会和上覆土压力相互作用影响土钉的峰值摩阻力。土钉的摩擦系数对于饱和度的依赖性要明显低于对灌浆压力与上覆土压力的依赖性。土钉表面粗糙度的增加利于调动更多的土钉摩阻力，土钉的峰值摩阻力随着土钉的粗糙度因的增加而呈现线性增大。关键数据：在所有试验在松散和压实的土体重摩擦系数值随着饱和度的增加而显著地减少，饱和度的增加会减少钉土之间的粘结力，导致土钉峰值摩阻力显著降低。土钉表面粗糙度的增加利于调动更多的土钉摩阻力，土钉的峰值摩阻力随着土钉的粗糙度因的增加而呈现线性增大。结合室内试验进行了多种适合岩土工程监测的不同种类的传感器研发，包括测量土压力、小位移、温度、倾角等的传感器，其中传感器的分辨率最高达到0.01kPa，位移传感器的分辨率达到0.01mm，压力传感器的最高分辨率达到0.002kPa，科学意义：基于本项目的土钉-土的界面接触模型，工程师可以根据基本的现场土体的力学性能参数进行不同压力注浆条件下的土钉峰值摩阻力计算，该计算模型比较简单实用，同时可以考虑利用提高土钉钉孔的粗糙度、高压力注浆来充分提高土钉的峰值摩阻力。 2100433B

春季我国北方地区土钉支护系统多因土体冻融作用可能发生破坏，冻土地区压力注浆可以增强土的密实性和抗剪强度，而提高抗拔摩阻力对土钉是采用压力注浆的核心目标。本项目拟使用理论分析与模型试验方法探索冻融土中压力注浆土钉的抗拔机理，根据室内模型试验结果分析压力注浆时长对土钉钉孔内水泥残余压力幅值的影响、土体颗粒级配与土体压实度变化对冻土中土钉峰值摩阻力的影响、冻土融化前后土钉峰值摩阻力的变化特征；使用理论分析方法建立冻土中的土钉抗拔模型，辅助以小孔扩张理论分析压力注浆土钉周围土体的应力，最终利用土钉拉拔试验结果与理论模型进行相互验证。项目成果对于明确压力注浆时土钉与冻土的接触变化机理，理解土体冻融作用对压力注浆土钉摩阻力的影响，对冻土地区的土钉系统设计具有重要的应用前景。

本项目定位于裂隙岩体水害防治这一地下工程安全防护领域较为突出的热点问题，针对高聚物注浆理论匮乏的现状，拟采用模型试验、理论分析和数值模拟相结合的方法研究自膨胀高聚物注浆材料在充水裂隙中的扩散机理。通过开展注浆模型试验，研究水压力、裂隙开度、注浆量、时间等因素对浆液扩散形态、范围的影响；以试验结果为依据，基于聚合反应机理和粘性流体力学理论，建立高聚物在充水裂隙中的扩散模型；基于计算流体动力学理论，采用FVM离散高聚物-水两相流动系统的控制方程，用Levelset方法追踪两相流体移动界面，用SIMPLER算法迭代求解动量离散方程及压力、速度修正方程，建立高聚物在充水裂隙中膨胀扩散的仿真分析方法；以试验数据为基准，修正仿真模型参数和边界条件；通过对高聚物流动填充过程的模拟再现，研究流场分布特征，探讨浆液与水的相互作用，剖析各因素对浆液扩散行为的影响规律，揭示高聚物在充水裂隙中的运移机制。