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user: 3. 计算结果与分析 3.1. 模型试算计划 本次仿真有四项任务，分别探讨孔道长度、压浆料粘度、灌浆压强对压浆密实度的影响以及超长孔道最小灌浆压强。 研究孔道长度对压浆密实度的影响时，需要对不同长度的孔道模型进行多次试算，包括30 m，60 m，90 m，120 m，150 m，180 m，210 m，240 m，270 m，300 m，330 m，360 m共12种长度的管道。压浆料粘度为施工中现场测出的粘度值为0.9 Pa∙s，灌浆压强为施工中常用的0.75 MPa。 研究压浆料粘度对压浆密实度的影响时，需要对不同粘度的孔道模型进行多次试算，包括粘度为0.5 Pa∙s，0.6 Pa∙s，0.7 Pa∙s，0.8 Pa∙s，0.9 Pa∙s，1.0 Pa∙s，1.1 Pa∙s，1.2 Pa∙s，1.3 Pa∙s，1.4 Pa∙s，1.5 Pa∙s，10 Pa∙s等情况。孔道长度选择210 m，灌浆压强选择为施工中常用的0.75 Mpa。 研究灌浆压强对压浆密实度的影响时，需要对不同灌浆压强的孔道模型进行多次试算，规范对超长孔道的灌浆压力要求不要超过1.0 Mpa，而且过高的压力会造成浆液能量过大、人工操作易失误、管道接口易漏浆等问题，所以试算选择的灌浆压强为0.5 MPa，0.55 MPa，0.6 MPa，0.65 MPa，0.7 MPa，0.75 MPa，0.8 MPa，0.85 MPa，0.9 MPa，0.95 MPa，1 MPa等情况。孔道长度选择210 m，压浆料粘度为施工中现场测出的粘度值为0.9 Pa∙s。 研究超长孔道最小灌浆压强时，会通过对不同长度的超长孔道，比如360 m，330 m，300 m等孔道的多次试算，给出适合此长度的孔道最小灌浆压强，并给出推荐注浆压力。 3.2. 孔道长度对压浆密实度的影响 不同孔道长度情况下的数值计算时，当出浆口连续出浓浆时，可认为压浆结束。 由图4可以看出，孔道越长，压浆的密实度越小。当孔道为30 m，60 m，90 m，120 m时，压浆密实度的减少效果并不明显，当孔道长度达到210 m，压浆密实度急剧降低。原因是孔道长度较短时，流体能量相对充足，随着孔道长度变长，入口能量不足，流体流至管道后部流速偏小，即使最终可以完成压浆，也会出现压浆时间过长、部分气泡无法被水泥浆带出的情况，导致压浆密实度不高。 图5为灌浆压强为0.75 Mpa、水泥浆粘度为0.9 Pa∙s时，流体流动到一定时间以后无法继续流动时，330 m长度孔道不同位置的体积云图。 由图5可以看出，越接近管道出口，气泡分布越多。在280 m处，孔道倾斜向下的位置，流体呈自重流动状态，说明水泥浆流到此处时，入口压强对流体的推动力已经不充足。因此，对于330 m管道，0.75 MPa的灌浆压强已经不足。 3.3. 压浆料粘度对压浆密实度的影响 由表1可以看出，在孔道长度为210 m，灌浆压强为0.75 MPa时，在粘度为0.5 Pa∙s至1.5 Pa∙s的范围内，随着压浆料粘度的增长，所需压浆时间不断变长，最终压浆密实度不断变小，但是变化幅度较小。压浆料粘度从0.5 Pa∙s变化至1.5 Pa∙s时，压浆时间的变化幅度大约为50 s，而压浆密实度变化幅度约0.5%。 图4. 孔道长度与压浆密实度的关系曲线图 原因是规范对压浆料的水灰比有限制，在此条件下，压浆料粘度范围为0.5 Pa∙s至1.5 Pa∙s，相对较小，在水泥浆流动过程中，由粘度导致的能量损耗也相对较小。 为了更好地研究压浆料粘度对压浆密实度的影响，另试算了一个粘度较大的模型。该模型孔道长度为210 m，灌浆压强为0.75 MPa时，粘度为10 Pa∙s，水泥浆流至190 m处时，入口处的压强无法继续推动水泥浆向出口流动。图6为水泥浆无法继续流动时，孔道不同位置的体积云图。 图5. 330 m长度孔道不同位置体积云图：(a) 入口处体积云图；(b) 280 m处体积云图；(c) 出口处体积云图 Table 1 Numerical results of different grout viscosit 压浆料粘度 压浆时间 压浆密实度 0.5 Pa∙s 233.24 s 97.69% 0.6Pa∙s 236.89 s 97.65% 0.7Pa∙s 241.47 s 97.62% 0.8Pa∙s 247.29 s 97.58% 0.9Pa∙s 251.24 s 97.54% 1.0Pa∙s 256.85 s 97.40% 1.1Pa∙s 262.60 s 97.43% 1.2Pa∙s 269.76 s 97.36% 1.3Pa∙s 274.41 s 97.31% 1.4Pa∙s 278.72 s 97.25% 1.5Pa∙s 284.58 s 97.17% 10 Pa∙s 无法完成压浆 表1. 不同压浆料粘度数值计算结果 3.4. 灌浆压强对灌浆密实度的影响 由图7可以看出，在压浆料粘度为0.9 Pa∙s，孔道长度为210 m情况下，灌浆压强相对较小时，灌浆压强从0.6 MPa提高至0.65 MPa时，压浆的密实度提高的幅度并不大，此时灌浆压强刚刚能使压浆料完全流出管道，但是不能更好的保证压浆质量；灌浆压强从0.65 MPa变化至0.8 MPa时，压浆密实度提升较快；当灌浆压强从0.85 MPa变化至1 MPa时，灌浆压强的提高对压浆密实度的增加影响比较小。 图6. 210 m长度孔道不同位置体积云图：(a) 170 m处体积云图；(b) 185 m处体积云图 循环压浆过程中，若注浆压力过小，会导致压浆密实度低，甚至压浆失败。随着注浆压力的提高，循环压浆的密实度会有显著的提高，但当注浆压力提高到一定程度以后，对压浆密实度的影响不明显，而且过高的灌浆压强会造成压浆设备负荷过高。因此，压浆需要适当的灌浆压强。 3.5. 超长孔道循环压浆最小灌浆压强 本次模型中通过对不同长度的超长孔道，比如120 m，150 m，180 m，210 m，240 m，270 m，300 m，330 m，360 m等进行多次试算，给出此长度孔道的最小灌浆压强和推荐灌浆压强。 压强范围为0.4 MPa至1.0 MPa，不同长度的孔道模型的灌浆压强分级计算，从1.0 MPa开始计算，每级间隔0.05 Mpa，直至显示压浆无法完成。 为提高计算精度，将最小灌浆压强每级间隔改为0.01 MP，则最后使计算成功的最小灌浆压强为此长度孔道的控制精度为0.01 MPa时的最小灌浆压强，计算结果如表2所示。 由图8可以看出，随着灌浆压强的增长，压浆密实度逐渐增大，但是灌浆压强增大到一定程度后，压浆密实度的增长逐渐平稳。因此给出灌浆压强推荐区间，此区间的下界由压浆密实度决定，要求压浆密实度不得小于97.5%，区间长度为1 Mpa。根据此定义，适合不同孔道长度的推荐灌浆压强如表3所示。 图7. 灌浆压强与压浆密实度的关系曲线图 Table 2 Minimum grouting pressure of overlength channe 孔道长度 最小灌浆压强 120 m 0.48 MPa 150 m 0.5 MPa 180 m 0.51 MPa 210 m 0.56 MPa 240 m 0.59 Mpa 270 m 0.63 Mpa 300 m 0.7 Mpa 330 m 0.82 Mpa 360 m 0.94 Mpa 表2. 超长孔道的最小灌浆压强 Table 3 Recommended grouting pressure of overlength channe 孔道长度 推荐灌浆压强 120 m 0.7 MPa~0.8 MPa 150 m 0.7 MPa~0.8 MPa 180 m 0.75 MPa~0.85 MPa 210 m 0.75 MPa~0.85 MPa 240 m 0.8 MPa~0.9 MPa 270 m 0.85 MPa~0.95 MPa 300 m 0.95 MPa~1.0 MPa 330 m 孔道过长，无法高质量压浆 360 m 孔道过长，无法高质量压浆 表3. 超长孔道的推荐灌浆压强 图8. 不同孔道长度灌浆压强与压浆密实度的关系曲线图 当孔道过长，达到330 m及360 m时，由于规范对灌浆压强的限制，在规范限制范围内的灌浆压强无法满足此类长度的高质量压浆。因此，在实际工程中，尽量减少300 m以上孔道的循环压浆。