一种裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法

1.一种裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将裂隙岩体注浆阶段的时长设置为 ，j =1、2、3……，将注浆阶段完成后的压力消散阶段的时长设置为 ，J =1、2、3……；（2）对所述注浆阶段进行迭代计算至该阶段结束，获得：浆液扩散半径 的收敛值 、各环形单元内边界处的浆液压力 的收敛值 、各环形单元内边界处的裂隙开度 的收敛值 ；（3）计算压力消散阶段中第 时刻浆液的黏度 和屈服应力 ；（4）基于上述步骤（3）计算压力消散阶段初始迭代状态下，即迭代次数 m =1时，浆液扩散区域内各环形单元边界处的浆液压力 ，并据此计算更新压力消散阶段浆液扩散区域内各环形单元边界处的裂隙开度 和裂隙开度变化量 ；（5）然后计算迭代次数 m ≥2时，压力消散导致的所述环形单元的体积变化量 ，然后据此计算压力消散过程浆液扩散半径 ，更新压力消散阶段最接近浆液扩散锋面的圆形边界节点编号 ；（6）计算压力消散过程中各环形单元边界处的浆液流速 以及环形单元的平均流速 ；据此计算并将环形单元边界处的浆液压力更新为 ，将环形单元边界处的裂隙开度更新为 ，将环形单元的平均裂隙开度更新为 ；（7）根据所述 进行下一迭代步的计算，得到压力消散阶段各环形单元边界处的浆液流速、浆液压力的更新值，重复步骤（5）~（6）进行迭代计算，直至控制指标收敛；（8）返回步骤（3）进行下一时刻的计算，直至浆液扩散区域各环形单元边界处流速为0，压力消散阶段计算完成。 2.根据权利要求1所述的裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，步骤（2）中对所述注浆阶段进行迭代计算包括如下步骤：（2.1）计算所述注浆阶段第 时刻浆液的黏度 和屈服应力 ；（2.2）计算所述浆阶段( j- 1)Δ t ~ j Δ t 时间段内的注浆量 G ，据此计算注浆阶段初始迭代状态的浆液扩散半径 ；然后以注浆孔为圆心，从该注浆孔的边缘为起始，以半径增量 将浆液扩散区域离散成若干环形单元，以 i ， i +1代表某个环形单元内、外边界处的编号， i =1、2、3……；（2.3）计算环形单元边界处的裂隙开度 、该环形单元的平均裂隙开度 ，并据此计算该环形单元的平均裂隙开度变化量 ， n 表示迭代计算次数；（2.4）基于所述 计算( j- 1)Δ t ~ j Δ t 时间段内环形单元裂隙变化体积 ，然后结合所述 计算后更新浆液扩散半径为 ；（2.5）计算所述浆液扩散区域内各环形单元边界处的浆液流量 及浆液流速 ，进而得到该环形单元的浆液平均流速 ；（2.6）计算浆液扩散区域内各环形单元边界处的浆液压力 ，并据此计算更新各环形单元边界处的裂隙开度 ；（2.7）用所述 替换上述步骤（4）中的 ，并重复步骤（2.3）~（2.6）进行下一迭代步计算，并迭代至控制指标收敛；（2.8）返回步骤（2）进行下一时刻的计算，直至注浆结束，获得注浆阶段结束时刻的：浆液扩散半径 的收敛值 、各环形单元内边界处的浆液压力 的收敛值 、各环形单元内边界处的裂隙开度 的收敛值 。 3.根据权利要求2所述的裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，步骤（2.1）中，所述浆液的黏度 、初始屈服应力 分别通过下列公式（1）、公式（2）计算： （1）； （2）；上述公式（1）、式（2）中，所述 为注入浆液的初始黏度， 为注入浆液的黏度随时间的增长系数；所述 为注入浆液的初始屈服应力， 为注入浆液的初始屈服应力随时间的增长系数；或者，步骤（2.2）中，所述注浆量 G 通过下列公式（3）计算，其中 q ( t )为注浆量关于时间 t 的函数； （3）；或者，步骤（2.2）中，所述浆液扩散半径 通过下列公式（4）计算： (4) ；上述公式（4）中，所述 表示浆液扩散锋面的圆形边界处编号， 为注浆岩体裂隙的初始开度， 表示 时刻的浆液扩散半径，在注浆开始时刻所述 等于注浆孔的半径 。 4.根据权利要求2所述的裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，步骤（2.3）中，所述裂隙开度 、平均裂隙开度 、平均裂隙开度变化量 通过下列公式（5）计算： （5）；上述公式（5）中，所述 表示 时刻某环形单元内边界处的裂隙开度 的收敛值；初始迭代状态下所述 ；或者，步骤（2.4）中，所述裂隙变化体积 通过下列公式（6）计算： （6）；上述公式（6）中，所述 、 分别为环形单元内、外边界的半径；所述 为注浆孔的半径，初始迭代状态下，所述 ；或者，步骤（2.4）中，所述浆液扩散半径 通过下列公式（7）计算： （7）；上述公式（7）中，所述 表示第 n 次迭代计算时各环形单元裂隙中充填浆液的体积之和；或者，步骤（2.5）中，所述浆液流量 通过下列公式（8）计算： （8）；上述公式（8）中， 代表除 对应的环形单元之外的其余环形单元的注浆量总和；所述 表示注浆孔处的浆液流量；或者，步骤（2.5）中，所述浆液流速 通过下列公式（9）计算： （9）；上述公式（9）中，所述 为各环形单元边界处的浆液流量；或者，步骤（2.5）中，所述浆液平均流速 通过下列公式（10）计算： （10）；上述公式（10）中，所述 、 分别表示某个环形单元内、外边界处的浆液流速。 5.根据权利要求2所述的裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，步骤（2.6）中，所述浆液压力 通过下列公式（11）、（12）计算： （11）； （12）；上述公式（11）、（12）中，所述 表示裂隙中的静水压力；或者，步骤（2.6）中，所述裂隙开度 通过下列公式（13）计算： （13）；上述公式（13）中，所述 为裂隙变形临界压力， 为岩体的法向弹性系数： ，其中D为注浆影响范围，E为岩体的弹性模量； 为注浆岩体裂隙的初始开度；或者，步骤（2.7）中，所述控制指标包括 、 ；其分别通过下列公式（14）、（15）计算： （14）； （15）；上述公式（14）、（15）中，所述控制指标 表示本次迭代与上一次迭代计算中环形单元裂隙变化体积的相对误差，所述控制指标 表示本次迭代与上一次迭代计算中第1个环形单元内边界处浆液压力变化量的相对误差；所述 ，其表示第 n 次迭代计算中，本时刻和上一时刻的第1个环形单元内边界处的浆液压力； ；或者，当所述 ， 时，视为控制指标收敛，本时刻的迭代计算完成；然后如步骤（2.8）所述：返回步骤（2.1）进行下一时刻的计算。 6.根据权利要求2所述的裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，步骤（3）中，所述 、 通过下列公式（16）计算： （16）；上述公式（16）中，所述 为注浆阶段结束时的浆液黏度， 为注入浆液的黏度随时间的增长系数；所述 为注浆阶段结束时的浆液初始屈服应力； k 𝜏 为注入浆液的黏度随时间的增长系数。 7.根据权利要求2所述的裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，步骤（4）中，所述浆液压力 通过下列公式（17）计算： （17）；上述公式（17）中，压力消散开始时刻初始迭代状态下，所述 ；因此，压力消散开始时刻初始迭代状态下所述 ， 为注浆阶段结束时环形单元边界处的裂隙开度 的收敛值， 为注浆阶段结束时的浆液初始屈服应力；或者，步骤（4）中，所述裂隙开度变化量 ；其中， 。 8.根据权利要求2所述的裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，步骤（5）中，所述体积变化量 通过下列公式（18）计算： （18）；上述公式（17）中，所述 、 、 分别表示压力消散阶段的环形单元内、外边界处浆液的扩散半径与该环形单元的平均裂隙开度变化量，所述 、 分别表示压力消散导致的裂隙内浆液扩散区域各环形单元内边界处的裂隙开度、平均裂隙开度；当 J =1时，在压力消散阶段初始迭代状态下，扩散半径分布与注浆扩散阶段相同，即 ， ；或者，步骤（5）中，所述压力消散过程浆液扩散半径 通过下列公式（19）计算： （19）；上述公式（19）中，所述 表示压力消散导致的各环形单元的体积变化量之和；所述 表示 时刻压力消散阶段初始迭代状态下的浆液扩散半径；或者，步骤（5）中，所述压力消散阶段最接近浆液扩散锋面的圆形边界节点编号 ，[ ]为向左取整符号， 表示 时刻的所述压力消散过程浆液扩散半径 的收敛值； 表示注浆孔的半径。 9.根据权利要求2所述的裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，步骤（6）中，所述压力消散过程中各环形单元边界处的浆液流速 通过下列公式（20）计算： （20）；或者，步骤（6）中，所述平均流速 通过下列公式（21）计算： （21）；或者，步骤（6）中，所述浆液压力 通过下列公式（22）、式（23）计算： （22）； （23）；或者，步骤（6）中，所述裂隙开度 通过下列公式（24）计算： （24）；上述公式（24）中，所述 为裂隙变形临界压力， 为岩体的法向弹性系数： ，其中D为注浆影响范围，E为岩体的弹性模量；或者，步骤（6）中，所述环形单元的平均裂隙开度 通过下列公式（25）计算： （25）。 10.根据权利要求2所述的裂隙岩体注浆扩散与压力消散过程的一体化计算方法，其特征在于，步骤（7）中，所述控制指标包括：本次迭代与上一次迭代计算中环形单元裂隙变化体积的相对误差 、第1个环形单元内边界处浆液压力变化量的相对误差 ，其通过下列公式（26）、（27）计算； （26）； （27）；或者，步骤（7）中所述控制指标 ， 时，视为控制指标收敛，本时刻的迭代计算完成；或者，步骤（8）中，当所述浆液扩散区域各环形单元边界处流速 时，得到计算结果：步骤（5）中所述浆液扩散半径 的收敛值 、步骤（6）中所述浆液压力 的收敛值 与裂隙开度 的收敛值 ，压力消散阶段计算结束，即本方法计算结束。