富水粉细砂层盾尾同步注浆滤饼生长速率研究.pdf
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1、第 20 卷 第 8 期2023 年 8 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 8August 2023富水粉细砂层盾尾同步注浆滤饼生长速率研究宋洋1,王宏帅2,李昂2,王鑫3,肖作明3,杜春生4,李志新4(1.辽宁工程技术大学 建筑与交通学院,辽宁 阜新123000;2.辽宁工程技术大学 土木工程学院,辽宁 阜新123000;3.中交三公局 第一工程有限公司,北京101304;4.中铁四局集团 第五工程有限公司,江西 九江332000)摘要:受富水粉细砂层渗滤效应影响,盾尾同步注浆过程中浆液会
2、在盾尾处生成滤饼从而阻碍地下水对浆液的冲蚀。为探究富水粉细砂层盾尾同步注浆滤饼生长速率与水灰比及注浆压力之间的关系,基于圆管束理论、动量守恒定律、质量守恒定律,考虑地层渗滤效应及浆液黏度时效性影响,建立滤饼生长速率理论方程,并定义滤饼生长平均加速度ar衡量滤饼生长速率变化快慢,自主研发一维渗透柱试验装置,比较不同水灰比及注浆压力下滤饼生长速率试验值与理论值,以验证理论方程的合理性。结果表明:随着注浆时间持续进行,滤饼生长速率曲线呈先加速增长再缓慢增长趋势。水灰比一定时,注浆压力越大,滤饼生长速率及厚度越大,滤饼生长持续时间越短。注浆压力一定时,水灰比越小,滤饼生长速率及厚度越大,滤饼生长持续时
3、间越短。工程实际中应适当增大注浆压力并减小浆液水灰比,以确保滤饼在迅速生成的同时并具有一定的厚度。通过比较滤饼生长平均加速度试验值及理论值可以推断出,以0.4 MPa的注浆压力在孔隙率为0.36的富水粉细砂层中进行盾尾同步注浆时,水灰比控制在0.80.85范围内可确保滤饼能够迅速生成,从而使浆液能够充分填充盾尾间隙,减小地表沉降。研究成果对富水粉细砂层盾尾注浆施工具有一定的工程意义。关键词:渗滤效应;滤饼生长速率;滤饼生长平均加速度;渗透柱试验;水灰比;注浆压力中图分类号:TU415 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)08-2974-
4、13Study on the growth rate of filter cake of shield tail synchronous grouting in water rich fine sand layerSONG Yang1,WANG Hongshuai2,LI Ang2,WANG Xin3,XIAO Zuoming3,DU Chunsheng4,LI Zhixin4(1.School of Architecture and Transportation,Liaoning University of Engineering and Technology,Fuxin 123000,Ch
5、ina;2.School of Civil Engineering,Liaoning University of Engineering and Technology,Fuxin 123000,China;3.CCCC San Gong Bureau First Engineering Co.,Ltd.,Beijing 101304,China;4.The Fifth Engineering Co.,Ltd.,of China Railway Fourth Bureau Group,Jiujiang 332000,China)Abstract:Affected by the infiltrat
6、ion effect of the water-rich fine sand layer,the slurry generates a filter cake at 收稿日期:2022-09-02基金项目:国家自然科学基金资助项目(51974146,52174078);辽宁省高等学校创新人才支持计划资助项目(21-1071);辽宁省自然科学基金资助项目(2019-ZD-0042)通信作者:宋洋(1982),男,辽宁丹东人,博士,从事岩土与地下工程研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221719第 8 期宋洋,等:富水粉细砂层盾尾同步注浆滤饼生长速率研究t
7、he tail of the shield during the synchronous grouting process of the shield tail,thereby hindering the erosion of the slurry by groundwater.In order to explore the relationship between the growth rate of filter cake and water-cement ratio and grouting pressure in shield tail synchronous grouting in
8、water-rich fine sand layer,based on the theory of circular tube bundle,the law of conservation of momentum and the law of conservation of mass,the theoretical equation of filter cake growth rate was established by considering the effect of formation percolation and the timeliness of slurry viscosity
9、,and the average acceleration ar of filter cake growth was defined to measure the change rate of filter cake growth rate.A one-dimensional permeation column test device was developed independently.The rationality of the theoretical equation was verified by comparing the experimental value of filter
10、cake growth rate with the theoretical value under different water-cement ratio and grouting pressure.The results show that as the grouting time continues,the filter cake growth rate curve first accelerates and then slowly increases.When the water-cement ratio is constant,the greater the grouting pre
11、ssure,the greater the growth rate and thickness of the filter cake,the shorter the growth duration of the filter cake;when the grouting pressure is constant,the smaller the water-cement ratio,the greater the growth rate and thickness of the filter cake,and the shorter the growth duration of the filt
12、er cake;in engineering practice,the grouting pressure should be appropriately increased and the slurry water-cement ratio should be reduced to ensure that the filter cake is rapidly generated and has a certain thickness.By comparing the test value and theoretical value of the average acceleration of
13、 the growth of the filter cake,it can be inferred that when the grouting pressure of 0.4 MPa is used for synchronous grouting of the shield tail in the water-rich fine sand layer with a porosity of 0.36,the water-cement ratio is controlled in the range of 0.80.85 to ensure that the filter cake can b
14、e quickly generated,so that the slurry can fully fill the shield tail gap and reduce the surface settlement.Research results on water-rich powder.The research results have some engineering significance for shield tail synchronous grouting in water-rich fine sand layer.Key words:percolation effect;fi
15、lter cake growth rate;average acceleration of filter cake growth;permeation column test;water cement ratio;grouting pressure 随着我国地铁盾构技术的广泛应用,盾构施工所面临的地质条件日亦复杂。盾构穿越富水粉细砂层时,盾尾注浆浆液会随着地下水的流动而被冲蚀从而导致盾尾间隙无法及时充填,造成地表沉降过大。注浆浆液中的固体颗粒受到砂土孔隙壁吸附、拦截,逐渐沉积并封堵砂土孔隙,即发生渗滤效应。受渗滤效应影响,浆液中的固体颗粒在土体表面堆积并形成层状水泥泥膜,若干层水泥泥膜逐渐累积
16、后形成具有一定厚度的滤饼,如图1所示。滤饼开始生成后,浆液颗粒将不能继续在土层中发生渗透扩散,随着浆液压力的持续作用,滤饼将以孔压形式存在的浆液压力转化为有效应力作用于土体骨架,挤压土体并稳固地层,浆液扩散阶段也随之转变为压密扩散,如图 2所示。实际上,滤饼的尽早形成可在盾尾间隙中形成一道止水屏障,有效地封堵地下水,减小地下水对浆液的冲蚀作用,使得注浆浆液能够迅速填充盾尾间隙,有效控制地表沉降,因此探究滤饼生长速率对盾构施工安全保障具有极其重要的工程价值。长期以来,学者们对渗滤效应影响下浆液扩散机制展开研究,朱光轩等1在研究砂层劈裂注浆时认为浆液会在砂土孔隙通道壁表面生成滤饼,浆液压力则通过滤
17、饼层传递至土体,并基于有限元瞬态移动网格(ALE)算法求得滤饼生长厚度。周中等2将浆液黏度时空效应引入渗滤效应下盾尾同步注浆浆液渗透扩散方程,结果表明,考虑浆液黏度时空效应能够更加准确地模拟浆液扩散模式。熊磊晋3通过对富水粉细砂层注浆浆液可注性进行研究,提出新型富水粉细砂层可注性标准,揭示了富水粉细砂层浆液渗透扩散的动边界规律。张连震等4基于毛细管组理论,建立了考虑浆液黏度时空效应的一维渗透注浆扩散模型,并2975铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月验证了其准确性。王朝亮等5基于达西定律及弹性力学理论对考虑压滤效应浆液压密扩散模式展开研究,建立了浆液球形压密扩散理论公式,并对土
18、体径向、切向有效应力变化规律进行研究。王小龙等6通过测定不同注浆参数下测斜管变形,间接研究了水泥水玻璃双液在地层中的扩散规律。对于滤饼生长理论及试验研究,MCKINLEY 等7通过展开大量室内一维砂土渗透试验,总结出在恒 定 注 浆 压 力 条 件 下 的 滤 饼 生 长 厚 度 方 程。WANG等8基于浆液渗透柱试验,通过改变浆液粘度及添加粗粒材料探究其对滤饼形成的影响,研究结果表明粗颗粒材料的添加使得滤饼更易生成。张辰等9通过自主研发设计加压脱水效果智能化监测试验系统开展煤泥加压脱水效果试验,并对生成的滤饼进行微观分析,从而求得滤饼孔隙率。姚公弼10对滤饼标准形成时间和测定方法展开研究,并
19、用滤饼标准形成时间对物料过滤性能进行分析,研究结果表明,过滤介质阻力对滤饼标准生成时间具有显著影响。ABOOSADI11通过开展过滤试验并提出修正参数,对滤饼厚度理论方程进行优化,减小了原公式的计算误差。RAHEEM等12基于美国石油协会(API)模型对滤饼生成过程中浆液滤失量进行研究,并将浆液固结考虑至公式中,通过与常规模型进行计算对比及室内试验得出,考虑浆液固结效应的滤饼生长浆液滤失方程更能准确模拟试验值。XU 等13通过渗透柱试验,并对滤液进行乙二胺四乙酸(EDTA)滴定试验,测试浆液在砂土地层中滤失量,从而确定水泥滤饼浆液颗粒含量,试验结果表明,过大的注浆压力会加速形成水泥滤饼。以上学
20、者虽然对渗滤效应下浆液扩散机理及生成的滤饼质量展开大量研究,但对于滤饼生长速率理论模型却鲜有研究。本文基于浆液颗粒质量守恒定律推导出盾尾注浆滤饼生长速率方程,并通过一维渗透柱试验验证公式准确性。1 滤饼生长速率方程建立1.1浆液在土层中渗透速度v基于圆管束理论,将土体孔隙假设成由若干毛细管通道组成,浆液在土层孔隙中的渗透扩散即为浆液在毛细管中的流动14,通过质量守恒定律及浆液微元体受力平衡求得浆液在毛细管道中的渗透速度,由于公式中考虑地下水的作用,因此本文所建立公式仅适用于富水粉细砂地层,为确保公式简洁、合理,做出如下假设:1)浆液为不可压缩性流体,浆液在毛细管道中以层流形式流动,且浆液流型始
21、终为Bingham流体,不随时间发生改变。2)砂土颗粒均匀分布,考虑渗滤效应的影响,假设浆液颗粒在孔隙中拥堵后,毛细管通道截面始终呈圆形。3)不考虑浆液自重及浆液在扩散过程中的摩阻力,即整个系统不受外力作用,遵循动量守恒定理。如图3即为浆液在毛细管道中流动示意图,建立如图所示r-L坐标系,取图中所示微元体进行受力分析,浆液扩散压力为p,浆液剪切应力,pw为静水压力,r0为管道半径,l为浆液渗透扩散距离,如式(1)所示。对浆液微元体进行受力平衡分析有:(p+pw)r2-(p+pw+dp)r2=2dl(1)化简为:=-r2dpdl(2)Bingham流体方程为:=0+(t)(3)其中:为浆液剪切速
22、率,且=-dvdr。将式(3)代入式(2)有:图1滤饼生长过程Fig.1Filter cake growth process2976第 8 期宋洋,等:富水粉细砂层盾尾同步注浆滤饼生长速率研究dvdr=0-(t)=1(t)()0+r2dpdl(4)式中:0为Bingham流体屈服应力;(t)为浆液黏度时效性函数,且(t)=0eBt,其中0为浆液初始黏度,B为黏度时变参数,由浆液黏度时效性试验确定。根据Bingham流体定义可知,浆液流动存在起始压力梯度,当 Bingham流体0时,浆液可在毛细管道中流动,即管道中存在一个流核半径rp,处于rprr0部分的浆液可以发生相对运动,处于0rrp部分的
23、浆液无相对流动,将0代入式(2)中,求得流核半径:rrp=-20()dpdl-1(5)对 式(4)积 分 并 代 入 边 界 条 件r=r0,v=0,可得:v=-1(t)0(r0-r)+(r20-r2)4dpdl(rprr0)vp=-1(t)0(r0-rp)+(r20-r2p)4dpdl(0rrp)(6)对浆液微元体法向求积分,求得浆液平均流速:v=1r00r0vdr=2r203(t)-dpdl-302r0-12()0r03()dpdl-2(7)为简化计算,忽略高阶无穷小量,将式(7)化简为:v=-2r203(t)1+302r0()dpdl-1dpdl(8)根据 Dupuit-Forchhei
24、me 关系15:v=v,求出浆液在地层中的扩散速度v:v=v=-2r203(t)1+302r0()dpdl-1dpdl(9)式中:为地层孔隙度,可由式(10)确定:=1-s(1+w)(10)其中:为土体容重;s为土颗粒容重;w为地层含水率。dp/dl为浆液扩散压力梯度,假设浆液扩散距离近似线性衰弱16,且浆液扩散范围0dll,则可将其化简为:dpdl=-Dpl=-p0-pwl(11)其中:p0为注浆压力;l为浆液在土层中扩散距离,图2渗滤效应下浆液扩散模式Fig.2Slurry diffusion mode under percolation effect图3浆液在管中流动示意图Fig.3Sc
25、hematic diagram of slurry flow in the pipe2977铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月即浆液渗透扩散距离。当浆液渗透扩散至一定距离后,堆积在土层表面的浆液颗粒开始形成水泥泥膜,根据郑斌等17对Carman-Kozeny方程的研究可知,维持不可压缩性流体在足够长距离内保持层流的压降可以表示为:-pl=k1(t)(1-n)2vn3d210(12)式中:n为浆液颗粒堆积后的地层孔隙率;d10为土层中占比 10%对应的土颗粒直径;k1取为试验拟合常数;CARMAN取为180。将式(11)和(12)代入式(9)中可得考虑渗滤效应的Bingham流
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