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  • 水力耦合下水砂潰涌特性及防治試驗

    論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
    論文字數:52522 論文編號:sb2022033112251945717 日期:2022-04-07 來源:碩博論文網
    本文是一篇工程碩士論文,本文針對富水砂層工程建設中的水砂潰涌災害,通過對所設計制作的模型系統模擬水力耦合下多工況多因素水砂潰涌發生的過程研究,獲得了一些規律。

    第一章  緒論

    1.1 選題背景及研究意義
    二十一世紀以來,隨著基礎建設和人類活動空間的不斷發展,地下工程建設越來越多,工程地質條件日益惡劣復雜,工程病害日漸凸顯,人類無法避免地遭遇著眾多復雜的地質問題。巨厚富水砂層下的隧道建設與采礦工程中出現的水砂潰涌即是嚴重的災害之一。
    水砂潰涌是指地層形成涌水通道后,通道上方的砂體處于臨空狀態,隨著砂中水的快速流出,涌水通道上方的砂體顆粒在自身重力和上覆水砂壓力耦合作用下隨著涌水首先潰出,當通道裂隙較小時,顆粒在通道裂隙周圍形成土拱,只發生小規模潰砂。當通道大于某一寬度時,砂顆粒不能夠形成穩定土骨架而大量潰出,水砂耦合下水流通道逐漸擴大,水砂流速加快,致使更多的砂土顆粒被水帶出,以致大規模災害性水砂潰涌發生,過程駭人、危害極大。
    水砂潰涌的發生必須具備以下條件:①物源,即需要存在水砂潰涌的水砂來源;②空間,即需要存在水砂涌入的空間(隧道、巷道和采空區等);③動力源,即需要存在促使水砂潰涌發生的動水壓力;④通道,即需要存在水砂涌入空間的通道(裂隙、洞口和斷層等)。
    重慶石柱至黔江高速公路七曜山隧道建設過程中先后發生多起突泥突水災害,日均涌水突泥量達 2.3×104 m3[1]。鐘家山隧道在施工過程中累計發生 7 次突泥,突泥總量超 2.4×104 m3,突泥口上方山頂出現深度 15~32 m、面積約 1800 m2的塌陷[2]。廈深鐵路梁山隧道開挖至軟弱帶時發生突水突泥,累計涌泥量約 3×104 m3,造成隧道淤積,致使地表發生深度 20 m、面積 200 m2的塌陷[3]。上海四號線聯絡通道處承壓水沖破土層發生流砂,最終坍塌范圍約 274 m,造成防汛墻沉陷、地面建筑物傾斜甚至坍塌[4]。年洞隧道施工期間兩個月內發生 6 次突泥突砂造成塌方,累計淤積泥沙約2.45×104 m3[5]。江西省吉蓮高速永蓮隧道在施工過程中出現直徑 1 m 左右的突水突泥通道口,連續發生 8 次突水突泥,突水突泥總量約 6.7×104 m3[6]。
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    1.2 研究現狀及存在問題
    1.2.1 水砂潰涌研究現狀及存在問題
    針對富水砂層下淺埋薄基巖工作面水砂潰涌問題眾多學者開展了大量研究。隋旺華等[12-15]對突水潰砂過程中砂顆粒狀態進行深入分析,研究了水力坡降、能量演化、裂隙傾角及開度在水砂潰涌啟動中的作用機制。郭惟嘉等[16,17]研制了采動覆巖水砂潰涌災害模擬試驗系統,再現了覆巖水砂潰涌災害孕育、發展及發生的全過程。許延春等[18-20]從裂隙發展規律及松散層砂土顆粒特征探討了潰水潰砂機理。Wang 等[21]設計了一套可改變圓形漏孔尺寸的地下工程漏砂(水)可視化試驗系統,研究了泄漏口直徑和土層厚度對涌砂和砂土沉降的影響,得到了不同工況下砂土的流動規律。Liu 等[22]設計了考慮顆粒損失的應力控制滲流試驗裝置,并進行了一系列滲流試驗,探究了巖溶充填介質失穩引起的水砂突水破壞機理和演化特征,以及軟土密實度、水力壓力和圍壓對失穩過程的影響。Chen 等[23]建立了力學模型,開展了物理試驗,對松散層中不同粘土含量下的水砂潰涌機理展開研究,得出隨著粘土含量提高潰涌發生可能性減弱。Yang 等[24]通過建立砂水運移試驗系統展開水砂混合流體在多孔骨架中起裂運移的研究,提出水砂混合流體初始運動的臨界速度受粒徑和外界應力的影響較大,水砂混合流體的運動特性在很大程度上取決于水砂粒間的相互作用。張敏江等[25]通過模擬試驗探究弱膠結砂層的水砂突涌機理,提出造成弱膠結砂層移動和破壞的主要因素是水動力條件。蔡光桃[26]通過模型試驗研究了采煤冒裂帶上的松散土層發生滲透變形破壞的類型和機理,得到其滲透變形破壞時的臨界水力坡度與各粒徑砂物理力學性質和裂隙縫寬等的關系。張士川等[27-29]通過不同初始水壓下裂隙內水砂潰涌進行模擬試驗,得到其發生各階段的水砂運移特征以及其他物理量變化特征。楊偉峰[30,31]利用自行設計的試驗裝置,研究了突水涌砂時孔隙水壓力在裂縫通道中的變化特征及裂隙通道內水砂混合涌流的特征。李利平[32-34]通過模型試驗模擬了煤礦開采和隧道工程中的水砂潰涌災害演化過程并對其發生機理進行了探究。天津大學的鄭剛教授[35,36]對粒徑、裂隙開度下潰砂過程及地表沉陷形狀函數進行了研究。
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    第二章  傳感器標定試驗

    2.1 微型土壓力傳感器標定試驗
    微型土壓力傳感器作為結構物表面和土類介質自由場中測量土壓力的基本工具,被廣泛地應用在巖土工程模型試驗中[48]。實際應用中,一般將微型土壓力傳感器直接埋入巖土體中量測[49]。隨著對土壓力工作性狀的不斷認識和深入研究,出現了許多不可避免的問題。微型土壓力傳感器在出廠前生產廠家通常使用氣壓或液壓的方法對其進行標定以得到標定系數,但其在實際工程中所處的受力環境大多為松散的非均質介質,當介質上部受到垂直荷載時,由于其顆粒大小形態分布和力學性質的差異,應力難以均勻地傳遞到介質內部,在傳遞過程中應力水平分量將增加,產生側向應力和剪切應力,造成應力分散[50]。當介質為砂時存在介質剛度匹配問題,從而造成土壓力傳感器表面產生應力集中和應力重分布,產生拱效應,并由此引發“匹配誤差”[51-53]。
    為使微型土壓力傳感器在實際工程應用中的量測更為精準,長期以來國內外眾多學者開展了大量的研究。部分學者基于力學理論,通過建立模型探究產生誤差的根本原因,得出不同條件下的誤差計算公式并對其進行改進。韋四江等[54]通過對土壓力傳感器進行室內標定試驗分析不同介質下標定值與出廠值的差異及其誤差產生的原因。張立祥等[55,56]建立相互作用模型,得出影響標定曲線非線性的因素主要為土介質的模量變化,提出對標定系數非線性修正可有效提高量測精度。曾力等[57]結合匹配誤差理論研究分析分層介質與土壓力盒相互作用的誤差影響。也有學者通過模擬微型土壓力傳感器現場實際工作環境建立室內模型試驗,使用自制試驗設備和方法在所需環境介質中對土壓力盒進行標定,將試驗所得的標定系數與出廠值進行對比分析計算,進一步修訂換算公式。梁雨等[58]采用 ABAQUS 有限元軟件建立數值仿真模型,分析確定出標定試驗的最優工裝尺寸,并基于試驗工裝開展 2 種不同量程的雙膜式土壓力傳感器標定試驗,根據試驗所得標定結果對廠家提供標定系數進行修正;李彥坤等[59]通過砂標試驗分析單膜電阻應變式土壓力傳感器的埋設狀態對其標定結果的影響;
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    2.2 微型孔隙水壓力傳感器標定試驗
    2.2.1 試驗儀器
    為提高孔隙水壓力傳感器在后續試驗中水壓測量的精確性,對微型土壓力傳感器進行標定,因此設計加工了水標試驗裝置如圖 2.7 所示。水標試驗裝置主要包括三大部分:水標壓力室、加載系統及量測系統。
    水標壓力室采用高 100 mm、外徑 70 mm、內徑 60 mm、壁厚 5 mm 的可分離螺紋密封式高強度有機玻璃圓筒與上下有機玻璃板組成。使用亞克力膠水將可分離螺紋密封式高強度有機玻璃圓筒與上下頂板底板粘合。下底板與上頂板各設有一個開孔,孔隙水壓力傳感器導線從下底板引出并使孔隙水壓力傳感器底部距離下底板 30 mm 左右,進氣管與上頂板開孔連接,使用硅橡膠密封下底板導線開孔并固定密封上頂板進氣管以達到密封與進氣的效果??煞蛛x螺紋密封式高強度有機玻璃圓筒中間連接部分放置一個橡膠墊圈用于密封容器。進氣管與空氣壓縮機連接并在中間設置調壓閥;孔隙水壓力傳感器導線與 DH5922N 動態應變測試分析系統連接并通過計算機采集數據。采用 BWK-1 型微型孔隙水壓力傳感器,尺寸為直徑 13 mm、厚度 12.5 mm,允許超載 120% F·S。
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    第三章  室內模型試驗系統設計 ................................... 19
    3.1 室內模型試驗裝置結構及組成 .................................. 19
    3.1.1 室內模型試驗裝置設計思路 ............................ 19
    3.1.2 室內模型試驗裝置 .................................. 20
    第四章  水砂潰涌模型試驗結果分析 ................................. 31
    4.1 干燥無豎向壓力狀態下砂樣潰散規律分析 ......................................... 31
    4.1.1 潰涌臨界縫寬 .......................................... 31
    4.1.2 潰砂形態演化過程 ........................... 32
    第五章  基于真溶液理念的水砂潰涌防治技術研究 ............................ 57
    5.1 注漿材料 ...................................... 57
    5.2 真溶液固化劑優選與復配 ........................ 59

    第五章  基于真溶液理念的水砂潰涌防治技術研究

    5.1 注漿材料
    隨著注漿技術的日漸成熟,國內外隨處可見其在實際工程中的應用。就國內而言,隨著經濟和交通運輸的快速發展,鐵路隧道、地鐵工程以及煤礦巷道等的建設不斷增多,注漿技術將持續在市場應用中占有舉足輕重的作用,同時為了更好地適應千變萬化的工程實際,還需進一步加強對注漿技術、注漿設備、注漿工藝以及漿液材料的研發與投入。
    合理漿材的選擇決定了注漿的加固效果與注漿施工過程的效率,同時也對施工的經濟可行性及工程進度有較大影響。因此需要根據施工現場具體要求、地質條件、漿液特性、注漿工藝及施工成本等各種因素綜合考慮,選擇較為安全、經濟、高效的漿材。
    注漿材料主要可分為顆粒類與溶液類注漿材料[65]。顆粒類注漿材料主要由顆粒材料經混合配制而成,例如各類水泥漿材。溶液類漿材,即化學漿材,主要由幾種化學試劑按照一定比例配制而成,混合后發生化學反應并生成具有一定強度的凝膠固結體。
    通過對以上兩類注漿材料中各種注漿材料性質進行總結分析,不完全統計如表5.1。從表 5.1 可以發現各種注漿材料都有其各自的優缺點,故在實際工程應用中需要根據實際情況挑選適宜該工程環境的注漿材料。
    工程碩士論文參考
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    第六章  結論與展望

    6.1 主要結論
    以富水巨厚砂層下的隧道建設與采礦工程中出現的水砂潰涌災害為工程背景,自主設計可視化水力耦合下水砂潰涌室內模擬試驗裝置。根據對試驗數據的分析,探討了水砂兩相流運移特征以及潰砂啟動機制,并采用真溶液固化劑對其進行防治。主要結論如下:
    (1)對微型土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器進行標定。試驗采用配重砝碼堆載的方式對微型土壓力傳感器在不同粒徑的石英砂、不同埋設角度、靠背類型以及干濕環境條件下的標定,得到其標定系數。通過水標試驗對孔隙水壓力傳感器進行標定試驗,實測孔隙水壓力比理論計算孔隙水壓力小一些,其標定系數為 1.08696 可用于后續模型試驗。
    (2)自主研制了可視化水力耦合下水砂潰涌室內模擬試驗裝置,包含室內試驗模型箱與加載系統、數據采集和實時監測系統和水砂收集計量系統三大部分,具有可變縫寬、變地應力、變水壓力的功能。
    (3)研究五種單一粒徑砂樣分別在干燥無豎向壓力、干燥施加豎向壓力、水力耦合下水砂潰涌潰散規律,記錄分析每組試驗的臨界縫寬。經分析,在干燥狀態時,砂樣粒徑在 0.075~0.83 mm 之間的不同粒徑砂層潰涌的臨界縫寬介于 2~5 mm,其中0.18~0.38 mm 粒徑的砂層臨界縫寬最小,為 2 mm,即最易發生潰涌,大于或小于這一粒徑的砂潰涌臨界縫寬隨粒徑增大或減小而增大。應力狀態對各粒徑臨界縫寬影響不大,但存在隨應力增大縫寬小幅減小的趨勢,即應力越大潰涌過程相對較劇烈。水力耦合作用時,當豎向壓力施加到 0.2 MPa、水壓力施加到 0.1 MPa、裂隙縫寬達到 2 mm 時開始發生潰水潰砂,潰涌過程極快。
    (4)以潰砂過程出現的破壞面為界限將潰砂過程砂體分為主動沉降區和隨動沉降區,砂體由破壞面外隨動沉降區自上而下流入破壞面內主動沉降區潰出裂隙。通過擬合二次曲線繪制砂體破壞面拋物線表征得知,砂樣粒徑對破壞面的形狀影響較大,當粒徑較小時,破壞面形狀要相對較窄;同等粒徑和臨界縫寬下,水力耦合下砂體破壞面開口比干燥無豎向壓力大,而比干燥狀態下施加豎向壓力開口小很多。干燥狀態下砂體最終沉陷坑呈近倒三角形態,坑邊斜率隨粒徑的減小而增大,即沉陷坑越深;而水力耦合作用下砂體呈現垂直塌陷特征。
    參考文獻(略)

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