【摘 要】
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由注浆工程实践与理论研究表明:砾石土层孔隙曲折效应对砾石土层的注浆效果具有非常重要的影响。然而,目前的渗透注浆机理尚未考虑砾石土层孔隙曲折效应对渗透扩散过程的作用。本文采用文献查阅与分析、理论推导、计算机编程与试验研究相结合的研究方法,以在我国分布广泛的砾石土层与目前注浆实践工程中常用的幂律型水泥浆液（水灰比（W/C）为0.50-0.70的水泥浆液）为研究对象,开展基于砾石土层孔隙曲折效应的幂律流
【基金项目】
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国家自然科学基金中智国际合作重点项目（41861134008）； 云南省重点研发计划项目（202003AC100002）； 云南省基础研究计划面上项目（202001AT070043）；
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由注浆工程实践与理论研究表明:砾石土层孔隙曲折效应对砾石土层的注浆效果具有非常重要的影响。然而,目前的渗透注浆机理尚未考虑砾石土层孔隙曲折效应对渗透扩散过程的作用。本文采用文献查阅与分析、理论推导、计算机编程与试验研究相结合的研究方法,以在我国分布广泛的砾石土层与目前注浆实践工程中常用的幂律型水泥浆液（水灰比（W/C）为0.50-0.70的水泥浆液）为研究对象,开展基于砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机理的研究,并对结石体进行了固结效应研究。本文取得了如下研究成果:（1）以迂曲度理论与幂律流体流变方程为基础,建立了考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体渗流运动方程。（2）在结合考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体渗流运动方程与幂律流体在多孔介质中的柱形渗透扩散模型的基础上,从理论上推导了考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机理,并说明了其适用范围与相关参数确定方法;并依据当前文献中开展的渗透注浆模型试验对考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机理进行了理论验证。（3）依托多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics平台与达西定律,建立了基于砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机理的三维数值模拟模型。（4）利用建立的三维数值模拟开展了水灰比为0.5,0.6与0.7的幂律型水泥浆液在砾石土体中渗透注浆过程的数值模拟。（5）通过对比理论分析、模型试验与数值模拟结果验证了考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机理。研究结果表明:采用考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机理的三维数值模拟可成功地模拟幂律流体在考虑孔隙曲折效应的砾石土层中的渗透扩散形态;依据考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机理得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值较不考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机理公式得到的扩散半径理论计算值、数值模拟值更接近模型试验值。由此可见,本文探索的考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆机理较不考虑砾石土层孔隙曲折效应的幂律流体柱形渗透注浆扩散机理公式更能反映幂律流体在砾石土层中的渗透注浆扩散规律。（6）通过分别对取自玉楚高速某隧道K24+702开挖掌子面区域内的强-中风化硅质板岩与幂律型水泥浆液对其形成的结石体开展了点载荷试验与单轴压缩试验研究,进而对比分析它们的强度来定量评价幂律型水泥浆液在强-中风化硅质板岩中形成的结石体固结效应。研究结果表明:强-中风化硅质板岩结石体单轴抗压强度较未形成结石体的强-中风化硅质板岩的点载荷强度具有明显的提升,其结石体强度增长绝对值超过3.8 MPa,甚至最大增长超过13MPa;结石体强度增长率的提升幅度为195%～665%。由此可见,幂律型水泥浆液加固强-中风化硅质板岩具有较好的工程实践效果。本文取得研究成果,不仅能够弄清砾石土层孔隙曲折效应对幂律流体在砾石土层中渗透扩散过程的影响,对流体力学与渗透注浆理论体系的发展和完善具有一定的理论意义;而且可为砾石土层的实践注浆工程提供理论支撑与技术参考,对解决砾石土层的防灾减灾难题也具有一定的实践意义。
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