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在我国交通基础设施大规模建设及“一带一路”等背景下,隧道及地下工程不良地质灾害控制已成为重要研究课题。富水砂层具有胶结能力差、强度低、透水性强等特征,常常引发突水涌砂、流砂、隧道塌方、地表塌陷及地下水枯竭等严重工程与环境问题。富水砂层灾害控制已成为制约地下工程安全的瓶颈,注浆治理材料与注浆理论成为富水砂层灾害控制亟需解决的关键科学制约。针对富水砂层水文地质特征及对注浆材料性能需求,本文采用水泥熟料、脱硫石膏、粉煤灰、钢渣、矿渣作为主要原材料,研发了富水砂层新型高效超细注浆材料EMCG(Effective Micro-fine Cement-based Grout),通过粒径优化、物理活化、化学激发等系列方法,提高浆液水化活性、砂层可注性与加固有效性。通过矿物分析、理论推导、室内试验、注浆模拟试验及现场试验,研究了注浆材料性能、砂层可注性、浆液扩散规律及加固效果。形成了EMCG材料工业技术与现场工艺,在青岛地铁砂层加固工程中成果应用,取得了良好的效果。本文主要研究内容与创新性研究成果为: (1)对浆液性能进行了实验研究,实现了EMCG浆液性能的有效动态调控。结合实际注浆工程对浆液性能高标准要求,研究了原材料组分、外加剂加入量、水灰比等因素对新型浆液流动性能、粘度流变性能、析水稳定性能、初终凝时间及双液抗水冲刷性能的影响规律,初步确定了EMCG浆液最优配比范围,确保了其具有流变性能好、泵送稳定、凝胶时间可控等优点。 (2)对浆液结石体性能进行了室内实验研究,实现了EMCG结石体性能的有效动态优化。结合注浆工程对浆液结石体性能高标准要求,研究了原材料组分、水灰比、养护龄期、外加剂加入量、细度等因素对浆液结石体力学性能(抗折抗压强度)、抗渗性能、抗水溶蚀性能、体积稳定性能、抗侵蚀性能等的影响规律,分析了EMCG注浆材料水化机理(水化矿物与结石体微观结构),并对比分析了不同注浆材料结石体性能差异,结合浆液性能,最终确定了EMCG最优配比范围,确保了最优配比EMCG结石体具有水化胶凝活性高、抗渗抗蚀微膨胀、高强高断裂韧性、耐久性高等优点。 (3)确定了不同注浆材料、砂层颗粒细度、砂层密实度、黏土含量、水灰比及注浆压力因素对砂层渗透扩散效果的影响规律,获得了注浆效果性能指标的主控因素。分析了浆液砂层三种可注性状态,建立了EMCG砂层加固效果性能指标(力学增强与抗渗性)与浆液参数、养护龄期、黏土含量间定量关系。通过分析加固体加载破坏形态及应力-应变曲线特征,获得了砂层注浆加固体破坏模式。 (4)实现了浆液砂层中一维可视化柱状扩散,分析了不同类型浆液砂层长距离扩散有效性,分析了EMCG浆液砂层不同距离扩散加固机理。分析了砂层浆液渗透扩散压力分布规律,量化了EMCG砂层加固效果性能指标与浆液扩散距离间的关系,通过分析EMCG砂层不同扩散距离处加固体破坏形态、应力-应变曲线、不同时刻裂缝扩展特征,获得了不同扩散距离处砂层注浆加固体破坏模式。 (5)实现了富水砂层地层注浆可视化扩散加固模拟,分析了EMCG浆液砂层地层空间注浆扩散与加固机理。分析了EMCG砂层空间可视化扩散形态,划分了EMCG砂层扩散加固模式,获得了地层内部应力场与注浆参数的动态演化规律,建立了砂层注浆EMCG起劈判据与劈裂扩散浆液流动方程。 (6)深入分析了浆-岩界面微观胶结加固机理。提出了EMCG、超细水泥浆-岩界面过渡区加固机理,获得了二者浆-岩胶结与加固的本质差别。分析了浆-岩界面过渡区矿物分布特征,获得了浆-土、浆-岩-土界面微观胶结与加固机制,得到了黏土降低加固体力学强度的本质原因。 (7)基于材料生产工艺与工业粉碎机理,形成了EMCG材料工业技术与工艺体系,实现了EMCG材料工业试验生产,并在青岛地铁R3号线富水砂层加固工程中成果应用,现场开挖表明,取得了良好的治理效果,有效提高了地层整体性与稳定性,验证和完善了论文研究成果。