注浆技术广泛的应用于边坡工程、地基工程、堤坝工程和地下工程等,主要用于防水、加固和纠偏。渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆是三种较为常用的注浆形式,由于注浆工程的模糊性、隐蔽性、随机性和复杂性等特征,导致对浆液扩散和预测控制等问题的认识还不够深入,也使得注浆理论滞后于工程实践。因此,有必要对注浆过程中的浆液扩散规律、预测控制方法等进行研究,可为注浆工程设计和施工提供参考,促进注浆技术的科学化、可控化和精细化。本文首先对注浆材料浆液特性和渗透系数等效计算方法进行理论分析,为试验方案设计和注浆效果评价提供依据。然后研制三个功能不同的室内模型试验装置,以水泥基浆液为注浆材料分别开展了土体中渗透注浆的浆液扩散规律和有效扩散距离计算、压密注浆的土压力衰减规律和注浆效果评价,以及劈裂注浆的浆液扩散模式和浆脉形态、参数变化表征和预测控制方法等方面的研究。主要的研究成果如下:(1)通过影响因素和空间过程两个方面分析黏性土的渗透机制,基于渗透等效原则,参照粗粒土渗透系数经验计算方法并引入参数“等效孔隙比”建立了黏性土渗透系数的等效计算方法,实现了粗细粒土渗透系数计算的统一。结果表明:相比黏性土渗透系数Mesri方程,太沙基、柯森-卡门渗透系数的等效计算方法可用于粗细粒土渗透系数的计算。研究结果可为土体渗透性评价和浆液材料的渗透系数计算提供依据。(2)研制“一维渗透注浆试验装置”,考虑孔隙率、水灰比、注浆压力和注浆时间四个主要影响因素进行正交试验,得到了浆液渗滤扩散的时空规律,建立了有效扩散距离的计算式。结果表明:1)渗滤作用具有时空效应,浆液渗流量和密度随时间呈线性减小,土体中浆液的实际水灰比随扩散距离呈线性增大。考虑浆液渗滤效应的渗透系数是注浆时间和扩散距离的函数。2)有效扩散距离与四个影响因素的函数关系呈幂函数型,相比理论模型提高了计算精度。研究结果可为浆液水灰比和注浆孔间排距的设计提供依据。(3)研制“压密注浆圆筒试验装置”,开展不同注浆压力下的压密注浆试验,获得了土压力随时间和位置的衰减规律,给出了土压力随位置的变化式、影响半径和注浆压力的关系式,提出了压密注浆效果评价的参数“填充率”,建立了基于土体压缩模型的有效加固范围的计算方法。结果表明:1)土压力的衰减具有时空效应,随时间呈非线性和阶段性变化、随位置呈幂函数变化,可通过“衰减参数”对其衰减程度进行表征。衰减过程包括增加段、缓降段、突降段和稳定段,前三个过程的临界点分别对应浆液难以注入和停止注浆。2)影响半径和注浆压力的关系呈对数型,有效加固范围可通过剩余孔隙率计算式、土压力随位置的变化式、渗透系数等效计算式和抗渗性临界判据联合求得。研究结果可为注浆工艺和注浆孔间排距的设计提供依据。(4)研制“劈裂注浆平面应变模型试验装置”,考虑土体密实度和注浆深度两个影响因素开展注浆试验,得到了不同试验工况下的浆脉形态、几何特征和扩散过程,然后分析了浆液扩散模式、浆液扩散特征和浆脉形态生成机制。结果表明:1)浆液扩散模式在松散土中呈非均匀或均匀压密型、在稍密土中呈压密-冲剪型、在中密土中呈压密-劈裂型、在密实土中呈压密-顶升型,初步判定可通过注浆方法的调控实现浆液扩散模式、扩散方向和注浆效果的改变。2)浆脉种类包括压密型、冲剪型、劈裂型、充填型。其中,劈裂型和充填型浆脉一般均呈非对称形。劈裂缝一般不对称,而顶升缝比较对称,它们的形状分别呈“凹形”和“凸形”。研究结果可为注浆工艺设计、注浆效果评价和注浆机理研究提供依据。(5)通过对劈裂注浆过程参数变化的分析,归纳总结了注浆压力、浆液流量和地表位移的变化特征和现象表征,说明了浆液扩散形式和注浆参数变化之间的对应关系,建立了浆液压密-劈裂扩散的预测控制方法。结果表明:1)扩散形式可通过注浆参数变化进行初步判定,再通过“地表位移最大增量点的位置移动”进行最终判定。扩散方向和扩散位置可分别通过“位移零增量点”、“位移最大增量点”进行确定。2)建立的“位移增量法”可用来预测浆液的扩散轨迹,预测结果和试验结果较吻合,角度预测偏差为-17.3%～33.7%,水平扩散距离预测偏差为-16.7%～5.7%。研究结果可为实现注浆技术的科学化、可控化和精细化提供依据。