عنوان پایان‌نامه
ارزیابی رفتار رئولوژیکی تزریق سیمانی و نفوذ آن در درزه سنگی
- رشته تحصیلی
- مهندسی معدن-استخـراج معدن
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2697;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 64212
- تاریخ دفاع
- ۰۴ مرداد ۱۳۹۳
- دانشجو
- علی میرزازاده
- استاد راهنما
- عباس مجدی, محمدحسین خسروی
- چکیده
- در سال های اخیر روش های متفاوتی از قبیل روش های تجربی، تئوری و عددی برای ایجاد مدل رفتاری سیال در شکستگی های سنگی بکار برده شده است. اولین مطالعات که از سال 1868 آغاز شد، مربوط به حرکت آب که سیالی نیوتنی شناخته می شود، در درزه بوده است. از آنجاییکه سیماناب سیالی غیر نیوتنی با خصوصیات جریانی متفاوت است نمی توان از نتایج این مطالعات در مورد حرکت آن در درزه استفاده کرد. از سال 1985 بطور جدی مطالعاتی در مورد طول نفوذ آمیزه تزریق سیمانی در درزه سنگی صورت گرفته که در مجموع نواقصی در مورد آنها مطرح است. از مهمترین این نواقص نپرداختن به موضوع خواص رئولوژیکی آمیزه سیمانی تزریق و زبری سطوح درزه می باشد که برای ساده سازی مدل های ارائه شده از آنها چشم پوشی شده است. در مجموع سه عامل بر فرآیند تزریق تاثیر گذار است، که خواص رئولوژیکی آمیزه ی تزریق مربوط به خواص ذاتی آمیزه تزریق و زبری سطوح درزه مربوط به عوامل زمین شناسی و ژئوتکنیکی می باشد. عامل سوم که در تزریق نقش مهمی را ایفا می کند، شرایط فنی و طراحی تزریق است. در این تحقیق ابتدا انواع سیالات و مدل های بررسی خواص رئولوژیکی آنها، بخصوص سیالات غیرنیوتنی مورد بحث قرار گرفته است. سپس خواصی از سیمان که در بحث مطالعات رئولوژیکی و آزمایشات مربوط به آن موثر است، بررسی شده است. در سمت بعد المانی از سیماناب مورد تحلیل قرار گرفته و با حل معادلات تعادل مربوط به آن تنش های وارده تعیین شده اند. با حل معادلات دیفرانسیلی مربوط به این المان، معادله ی سرعت و تغییرات کرنش برشی سیماناب با توجه به مقاومت تسلیم آن بررسی شد، به شکلی که در نهایت معادله ی پروفیل سرعت حرکت سیماناب در بین دو سطح صاف حاصل شد که اساس ایجاد رابطه ی مکعب برای سیالات غیرنیوتنی بود. در ادامه نتایج حاصل شده با فرضیات در نظر گرفته شده و با ایجاد نمودار های تغییرات سرعت در نقاط مختلف پروفیل سرعت آمیزه ی تزریق، مورد بررسی قرار گرفته است. سپس پارامترهایی که در معادلات پروفیل سرعت حرکت آمیزه موجود بودند، تحت تحلیل حساسیت قرار گرفته و اثر هریک بر نفوذ آمیزه ی تزریق مورد بررسی قرار گرفته است. با بررسی روابط تئوریکی ارائه شده برای افت فشار سیالات غیرنیوتنی در مجرای فرض شده، پارامترهای موثر در افت فشار آمیزه ی تزریق در درزه شناخته شده است. اثر هریک از پارامترهای مشخص شده بر افت فشار آمیزه ی تزریق مورد بررسی قرار گرفته ولی به خاطر مواجهه با حل معادلات پیچیده در ادامه روشی در قالب یک فلوچارت برای محاسبه ی افت فشار آمیزه ی تزریق در درزه ی سنگی با زبری طبیعی پیشنهاد شده است. این روش بر اساس قانون مکعب بوده و برای این منظور رابطه ی مکعب برای سیالات غیر نیوتنی با استفاده از معادله ی توصیف کننده ی رفتار رئولوژیکی آمیزه ی تزریق، بدست آمده است. این رابطه که بین جریان سیال غیرنیوتنی و گرادیان فشار آن می باشد با نتایج شبیه سازی عددی که تحت نرم افزار FLUENT صورت گرفته، اعتبار سنجی شده و در نهایت نتایج حاصل شده از این روش که یک نوع شبیه سازی حرکت سیماناب در درزه بوده، با نتایج مدل های ارائه شده توسط لمباردی و لو و کرافورد و مدل پیشنهاد شده در همین تحقیق، در قالب یک نمودار مقایسه شده اند. با توجه به نتایج حاصل شده در مورد نمودار افت فشار آمیزه تزریق در درزه سنگی، با بررسی دقیق تر پروسه ایجاد نمودار افت فشار در درزه، فشاری که آمیزه تزریق در جهت نرمال به دیواره درزه وارد می کند، در ادامه بدست آمده و در قالب جدولی گردآوری شده است. در این قسمت می توان فشاری که آمیزه در طول تزریق به دیواره درزه وارد کرده را تخمین زد. هدف اصلی این تحقیق بررسی، شناخت و ارزیابی پارامترهایی است که بتوان با استفاده از آن ها، رفتار سیال تحت شرایط مختلف را در درزه ای با شرایط طبیعی مطالعه کرده و بدانوسیله بتوان طول نفوذ سیال در درزه ها را به صورت مدلسازی و شبیه سازی محاسبه نمود. در نهایت روش های موجود محاسبه طول نفوذ سیال در درزه های سنگی توده سنگ ها مورد بررسی و ارزیابی مقایسه ای با دو روش ارائه شده، قرار می گیرد و در پایان نتیجه گیری مناسبی که بتوان از آن در امور ساخت و اجرای تزریق بهره گرفت، ارائه می شود. در مجموع با استفاده از مطالعات انجام شده در این پایان نامه، می توان طول نفوذ آمیزه تزریق را در درزه ای با شرایط هندسی معین تعیین کرد و فشاری که در جهت نرمال به دیواره درزه وارد می کند، تعیین کرد. کلمات کلیدی: تزریق، رفتار رئولوژیکی، شعاع نفوذ، شبیه سازی عددی
- Abstract
- For simulating a fluid flow into rock fracture various method are developed so far, including experimental, theoretical and numerical techniques. Initially in 1868 the flow of water as a Newtonian fluid into artificial joints was studied. However, grout is a non-Newtonian fluid with various flow characteristic, the result obtained from water cannot be used for it. Since 1985 serious studies on the length of injecting a mixture of cement in the rocky joints took place. There are some defects about these studies. The most important defects are that they didn't consider the rheological properties of cement mixture which is injected into a joint and the roughness of the joint surface. Totally, there are three affected factors in injection process, the rheological properties of the grout, roughness of the joint surfaces which are related to the geological and geotechnical properties and the third factor is technical conditions and design of injection that plays an important role in grouting. In the first chapter of this study, fluid types and models of rheological properties, have been discussed particularly for non-Newtonian fluids. Then the properties of the cement that influence the rheological studies and experiments were evaluated. In the second chapter an element of grout is analyzed and the stresses inflicted with solving the equations of equilibrium were determined. Solving differential equations corresponding to this element, the equation of velocity and shear strain changes due to yield resistance of grout was checked out. So the equation of velocity profiles between two flat surfaces was generated. This equation is base on the establishment of cubic law for Non-Newtonian fluid. In the third chapter, the results of the second chapter were evaluated and velocity changes charts at various parts of grout velocity profiles was created. Then the parameters were presented in velocity profile equations were analyzed and the effect of each parameter on grout injection were evaluated. In the fourth chapter pressure drop of the grout injected in the joints, was recognized by evaluating the present theoretical relationship for the Newtonian fluids pressure drop in the duct. The effect of each specified parameter was studied on pressure drop of injected grout, however for solving complicated equations, a method in the form of the flowchart for calculating the grout pressure drop in the joints with natural roughness is developed in the fifth chapter. This method is based on the cubic law and provided cubic law for non-Newtonian fluids with grout rheological behavior equation for this purpose. The relationship between non-Newtonian fluid flow and pressure gradient has been validated with the numerical simulation results of FLUENT. Finally the results were compared with Lombardi and Lou & Crawford models. Keywords: grout, rheological behavior, numerical simulation.
