非水反應類高聚物注漿材料對岩體作用機理研究

《非水反應類高聚物注漿材料對岩體作用機理研究》是依託鄭州大學，由鐘燕輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：非水反應類高聚物注漿材料對岩體作用機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鐘燕輝
• 依託單位：鄭州大學

項目摘要

膨脹性高聚物注漿材料已廣泛套用於地下工程圍岩加固和防滲處理，但對其注漿機理仍缺乏深入的理論和試驗研究。本項目針對這一狀況，通過開展高聚物材料在岩體裂隙中的注漿模擬試驗，研究注漿壓力、裂隙張開度和粗糙度等因素對高聚物漿液擴散形態、擴散範圍的影響，建立高聚物在裂隙中的擴散模型；基於聚合反應原理和微觀氣泡生成理論，結合高聚物注漿材料膨脹特性試驗，研究漿液密度隨圍壓和反應時間的變化規律，揭示高聚物材料的膨脹機理；基於粘性流體力學理論，建立高聚物在裂隙中流動並伴隨膨脹和固化過程的流體力學模型和相應的仿真分析方法；通過對高聚物在裂隙中擴散過程的模擬再現，研究高聚物對岩體的滲透、擠密和填充機理。本項目旨在通過試驗和理論分析揭示非水反應類高聚物注漿材料對岩體的作用機理，為深入研究高聚物注漿技術在地下工程圍岩加固與防滲處理中的套用提供理論依據。

結題摘要

非水反應類高聚物注漿材料已廣泛套用於地下工程圍岩加固和防滲處理，但對其注漿機理卻不明確。本項目通過模型試驗、理論分析和數值模擬等手段，系統研究了非水反應類高聚物材料對岩體的作用機理。取得的研究成果如下：1、研製了高聚物材料膨脹力測試裝置和岩體裂隙高聚物注漿模擬試驗裝置，為開展高聚物材料在岩體裂隙中的注漿試驗提供了試驗平台。2、基於上述裝置，開展了高聚物材料在裂隙岩體中注漿模擬試驗。①對高聚物材料膨脹壓力隨時間變化的研究發現，高聚物材料的膨脹過程可分為四個階段：膨脹力作用不明顯階段、膨脹力快速增長階段、膨脹力緩慢增長階段、膨脹力下降階段；②對高聚物材料膨脹壓力與密度的關係研究發現，高聚物材料的膨脹力和密度之間的關係規律隨著反應時間的增長而逐漸增強。高聚物材料密度越大，最大膨脹力越大；③首次得到了不同注漿量、裂隙開度下高聚物材料在裂隙中的擴散距離，以及高聚物預聚體反應固化時間與溫度的變化規律，據此可通過調節預聚體溫度控制高聚物材料的反應時間和擴散距離。這些研究成果為高聚物注漿技術的實際工程套用提供了重要依據。3、基於線彈性斷裂力學、斷裂動力學理論及高聚物膨脹力的時變特性，對高聚物對岩體的劈裂過程進行了研究，建立了高聚物材料在岩體單裂隙中的擴散模型，得到了高聚物注漿過程中裂隙尖端應力強度因子隨時間的變化規律。分析了裂隙開度與漿液擴展速率對裂隙尖端應力強度因子的影響，發現在同等條件下隨著漿液擴展速率的增加，裂隙尖端應力強度因子有增大的趨勢。4、基於高聚物膨脹特性試驗結果和粘性流體力學理論，利用Seam單元法分段施加荷載實現了高聚物在裂隙中擴展填充過程的仿真分析。研究發現：在高聚物注漿過程中，裂隙開度對裂隙尖端應力強度因子的影響較小，高聚物漿液擴展速率對裂隙尖端應力強度因子的影響較大，隨著擴展速率的增加，裂隙尖端應力強度因子有增大的趨勢。 項目組經過三年攻關，圓滿完成了各項預期目標。發表論文8篇（其中6篇被EI收錄），獲授權中國發明專利和美國發明專利各1項，培養碩士研究生3名（其中2人已順利畢業，1人在讀）。項目研究成果獲河南省科技進步一等獎1項，並在多項隧道滲漏水防治工程中得到套用。