微细岩体裂隙中黏性流体流动规律及注浆过程模拟研究

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岩体地基中存在大量不规则的微细裂隙,工程中通常采用注浆手段对其进行封堵。通常,裂隙网络性质、设备注浆压力,以及灌浆本身流变特性是对微细岩体裂隙中黏性流体流动产生影响的三大最主要因素。由于地下工程的隐蔽性,采用试验方法定量研究这些因素对注浆过程的影响存在较大难度。另外,由于数值模拟尚没有解决裂隙网络随机建模、裂隙浆液流动规律等问题,采用该方法进行研究也存在一定挑战。为模拟不同裂隙网络性质、不同注浆压力和不同浆液黏度下,粗糙岩体裂隙中非牛顿流体的运动状态,本文从单一裂隙中流体的扩散研究出发,在考虑裂隙网络表面粗糙程度和硅溶胶流变及时变特性的基础上,建立了微细岩体裂隙的三维随机网络模型,并运用仿真软件COMSOL Multiphysics对裂隙中黏性流体的流动和注浆过程进行了模拟和研究。主要研究内容如下:(1)探究硅溶胶的流变和时变特性。采用宾汉姆本构方程描述新鲜状态下,硅溶胶剪切应力和剪切应变的关系,运用NDJ-8S数字旋转黏度计,对其流变性参数——屈服应力和黏度进行了测量;另外,制备一份等量硅溶胶溶液,测定不同时间点的黏度数值,对其进行拟合,得到硅溶胶的黏度与水化时间的关系曲线。(2)引入参数分形维数D和特征尺度参数G,对粗糙裂隙中宾汉姆流体的流量公式进行修正,并通过单一微细裂隙进行可行性验证。为了表征和描述裂隙表面的粗糙程度,基于Weierstrass-Mandelbrot(W-M)分形函数,引入D和G对流量公式中的两个参数(孔径和水力坡降)进行修正;将不同压力下单一裂隙中硅溶胶的单宽流量与理论单宽流量值进行对比,验证W-M的分形理论的正确性。(3)建立微细岩体裂隙网络模型,并对其宏观特性进行定量研究。通过开源软件dfn Works定义单个裂隙的孔径、形状、迹长及其概率密度分布模型等参数,生成若干组用于数值模拟研究的离散裂隙网络(DFN)模型;基于已有研究,对裂隙网络的等效渗透系数和连通性参数进行计算,以定量描述其宏观特性。(4)基于生成的三维随机网络模型,探究微细裂隙中的注浆过程。设计三组工况,基于COMSOL Multiphysics分别研究不同的裂隙网络(即不同的等效渗透系数和连通性参数)、注浆压力和浆液黏度对微细岩体裂隙中黏性流体流动的影响。
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