岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (S1): 751-760.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0700

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单裂隙内浆液基本流动规律的理论、试验、模拟对比分析

李博1, 2,刘蓉蓉1,邹良超3   

  1. 1. 绍兴文理学院 岩石力学与地质灾害浙江省重点实验室,浙江 绍兴 312000;2. 同济大学 地下建筑与工程系,上海 210092; 3. 瑞典皇家理工学院 可持续发展与环境工程系,瑞典 斯德哥尔摩 SE-100 44
  • 收稿日期:2023-05-31 接受日期:2023-10-13 出版日期:2024-09-18 发布日期:2024-09-21
  • 通讯作者: 邹良超,男,1987年生,博士,研究员,主要从事水文地质方面的研究工作。E-mail: lzo@kth.se
  • 作者简介:李博,男,1981年生,博士,教授,主要从事岩体水力耦合特性方面的研究工作。E-mail: libotj@tongji.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.42011530122,No.42077252)。

Theoretical, experimental and numerical analysis of fundamental flow laws of grout in single rock fractures

LI Bo1, 2, LIU Rong-rong1, ZOU Liang-chao3   

  1. 1. Key Laboratory of Rock Mechanics and Geohazards of Zhejiang Province, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000, China; 2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 210092, China; 3. Department of Sustainable Development and Environmental Engineering, Royal Institute of Technology, Stockholm SE-100 44, Sweden
  • Received:2023-05-31 Accepted:2023-10-13 Online:2024-09-18 Published:2024-09-21
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (42011530122, 42077252).

摘要: 工程中广泛使用的水泥浆液是一种非牛顿流体,在裂隙内扩散时表现出复杂的宏观非线性渗流特征,在细观流场上也因屈服应力的作用呈现出柱塞流等特殊流动现象。配制符合Herschel-Bulkley(H-B)模型的模拟浆液,利用粒子图像测速(particle image velocity,PIV)技术开展平直裂隙内的可视化渗流试验,同时求解H-B-P(H-B-Papanastasiou)方程开展浆液渗流有限元数值模拟。基于平直裂隙中单相屈服幂律流体渗流解析解,从理论、试验、模拟相结合的角度分析了平直裂隙内注浆压力与流速的非线性关系;通过对流速剖面图的对比,分析了H-B流体的柱塞流特征;通过与Bingham模型的对比证明了H-B流体更符合实际浆液流动规律。通过原创的可视化测试手段验证了理论和数值模型,提出了参数取值依据,对提升复杂工程岩体中的注浆工艺具有参考价值。

关键词: 注浆, Herschel-Bulkley流体, 平直裂隙, PIV, 柱塞流

Abstract: Cement grout, commonly applied in engineering, is a type of non-Newtonian fluids, which exhibits complex macroscopic nonlinear flow characteristics when diffusing in fractures and presents special structures such as plug flow due to the existence of yield stress. This study involved preparing artificial grouts following the Herschel-Bulkley (H-B) model and conducting visualization grouting tests on flat fractures using particle image velocity (PIV) measurements. Grout flow numerical simulations were performed using the finite element method (FEM) to solve the H-B-P (H-B-Papanastasiou) equations. The nonlinear correlation between pressure gradient and flow rate was theoretically, experimentally, and numerically analyzed and confirmed using the analytical solution of the single-phase yield-power-law for fluid flow in flat fractures. Plug flow features of H-B fluids were examined by comparing velocity profiles obtained through various methods. Comparison with the Bingham model proved that the H-B model aligns better with real grout flow. This study comprehensively verified the theory and numerical model based on an originally developed visualization method and laying the groundwork for parameter determination, which may help improve the grouting technique in complex engineering rock masses.

Key words: grouting, Herschel-Bulkley fluid, flat fracture, PIV, plug flow

中图分类号: TU46+2
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