土體劈裂注漿的細(xì)觀機(jī)理研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

土體劈裂注漿的細(xì)觀機(jī)理研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

為了揭示劈裂注漿的作用機(jī)理，文章基于散體理論的顆粒流方法，采用PFC2D軟件分析了不同注漿壓力作用下注漿過程中劈裂縫的產(chǎn)生以及漿液的擴(kuò)散規(guī)律。運(yùn)用PFC2D內(nèi)置的fish語言，建立注漿的復(fù)雜模型，通過伺服控制施加注漿壓力從而模擬劈裂注漿。模擬結(jié)果表明：隨著注漿時(shí)間的增加，土體首先在豎直方向上出現(xiàn)劈裂縫，然后發(fā)生水平方向的二次劈裂；當(dāng)注漿壓力為0.2～0.5MPa時(shí)，土體的劈裂主要發(fā)生在半徑1.0m范圍內(nèi)；注漿壓力>0.7MPa時(shí)，土體劈裂的范圍達(dá)到半徑1.5m。

土體；劈裂注漿；PFC2D；顆粒流；細(xì)觀力學(xué)模擬；機(jī)理；研究

0 引言

注漿技術(shù)是巖土工程中一種極為重要的施工方法，由于其可以局部施作，顯示出巨大的施工和成本優(yōu)勢(shì)而被應(yīng)用到礦山充填，巷道圍巖維護(hù)，公路路基的處理等[1-3]各個(gè)方面，注漿技術(shù)尤其是高壓注漿技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用越來越廣[4-5]，因而，對(duì)壓力注漿土體改性機(jī)制的研究是一個(gè)非常重要而又具有實(shí)際意義的課題。

一些學(xué)者已經(jīng)從數(shù)值模擬和試驗(yàn)方面對(duì)劈裂注漿做了相關(guān)的研究，如吳順川、孫峰[6-7]等對(duì)壓力注漿進(jìn)行了細(xì)觀模擬，對(duì)注漿方法從微觀上進(jìn)行了合理解釋；巨建勛等[8]建立了壓密注漿的柱形擴(kuò)散模型，并采用有限元的方法對(duì)壓密注漿的作用機(jī)理進(jìn)行模擬，得到漿液的擴(kuò)散半徑以及極限注漿壓力的變化規(guī)律。但采用傳統(tǒng)的有限元模擬流體[9-11]側(cè)重于注漿效果的模擬，不能研究注漿過程中漿液的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散以及劈裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。基于散體介質(zhì)理論的離散元法作為一種新型的研究方法為研究劈裂注漿過程提供了新的思路，可以將漿液假設(shè)為由無數(shù)細(xì)小顆粒組成，在一定的壓力作用下可以發(fā)生流動(dòng)并與土體發(fā)生相互作用，從而模擬漿體進(jìn)入土體并發(fā)生劈裂的作用。

通過采用離散元仿真軟件PFC2D，可以分析不同注漿壓力條件下漿液在土體中的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過程以及注漿過程中劈裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，并得出相應(yīng)的規(guī)律，從而揭示劈裂注漿的內(nèi)在機(jī)理。

1 劈裂注漿作用機(jī)理

劈裂注漿是漿液在壓力作用下先后克服地層的切應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，使其在垂直于最小主應(yīng)力的平面上發(fā)生劈裂，漿液便沿此劈裂面滲入和擠密巖土體，并在其中進(jìn)一步與土體發(fā)生相互作用，擠壓劈裂土體并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)加固和形成作為骨架的漿脈。土體的劈裂既來自于注漿壓力的作用，也來自于漿液顆粒與土體顆粒之間的相互作用。

圖1 土體劈裂面的應(yīng)力圖

土體的側(cè)壓力系數(shù)較小，一般先會(huì)產(chǎn)生縱向劈裂，如圖1所示，土體在注漿壓力P作用下首先發(fā)生縱向初次劈裂，然后發(fā)生水平方向上的二次劈裂；此外，漿液填充到裂隙中不斷與土體發(fā)生相互作用劈裂土體。

2 注漿模型的建立以及模擬方案

目前從離散元方面對(duì)注漿的數(shù)值模擬研究不多，特別是從土體顆粒與漿液相互作用的角度進(jìn)行的分析報(bào)道比較少見。PFC2D[12-13]是一款利用顯式差分算法和離散元理論開發(fā)的用來研究顆粒集合體(粒子系統(tǒng))微/細(xì)觀力學(xué)行為的程序。它從介質(zhì)的基本料子結(jié)構(gòu)角度考慮介質(zhì)的基本力學(xué)特性，適用于研究粒狀集合體的流動(dòng)、大變形、破裂和破裂發(fā)展問題，本文采用二維顆粒流程序PFC2D[12-13]，將漿液和土體看作由若干顆粒組成的集合體，通過顆粒與顆粒之間的相互作用來模擬漿液與土體之間的相互作用。

2.1 模型以及計(jì)算參數(shù)的選取

漿液與土體的參數(shù)選取如表1和表2所示。模型的尺寸為16 m×10 m，劈裂注漿的深度為6.0 m，注漿孔的直徑為100 mm。生成的模型如圖2所示。

圖2 注漿模型圖

數(shù)值分析基本參數(shù)見表1～2：

表1 數(shù)值模擬土體參數(shù)表

2.2 建模過程以及分析方案

建模過程如下：

(1)在矩形區(qū)域通過設(shè)置墻體，然后生成一定數(shù)目的顆粒；

(2)通過半徑膨脹法擴(kuò)大顆粒的半徑，填充整個(gè)模型；

磁翻板液位計(jì)應(yīng)用廣泛，工況復(fù)雜。由于大部分磁翻板液位計(jì)安裝在環(huán)境惡劣的室外，經(jīng)常會(huì)遭受風(fēng)吹雨淋，如果采用防護(hù)等級(jí)為IP54的磁翻板液位計(jì)，很難阻止水汽、灰塵的侵入，磁翻板液位計(jì)的顯示面板容易發(fā)霉污損、翻旗(也叫翻片)，受阻時(shí)無法正常反轉(zhuǎn)，從而出現(xiàn)顯示故障。

(3)通過擴(kuò)大半徑或者是縮小半徑使模型的內(nèi)部內(nèi)鎖力達(dá)到一個(gè)較小值；

(4)消除懸浮顆粒，然后賦予顆粒之間的摩擦系數(shù)以及粘結(jié)強(qiáng)度；

(5)用同樣的方法在注漿管中生成顆粒，并在注漿管的頂部采用fish編寫的伺服函數(shù)施加注漿壓力。

注漿壓力選取0.2 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa以及1.0 MPa，同時(shí)在建模的過程中在注漿孔周圍布置測量圓，測量圓的半徑為0.5 m、1.0 m、1.5 m，用于監(jiān)測周圍土體孔隙率的變化，通過得出相關(guān)的數(shù)據(jù)，揭示注漿過程的作用機(jī)理。

3 注漿結(jié)果分析

3.1 壓力注漿過程中劈裂縫的擴(kuò)展

注漿壓力是影響漿體在土體中擴(kuò)散的重要條件，壓力注漿過程中隨著注漿時(shí)間步的增加，漿體周圍裂隙擴(kuò)展情況如圖3所示。

(a)時(shí)步20 000

(b)時(shí)步40 000

(c)時(shí)步80 000

由圖3可看出，隨著注漿時(shí)步的增加，土體裂隙不斷以注漿點(diǎn)為中心，向周圍擴(kuò)展。當(dāng)注漿時(shí)步為20 000時(shí)，劈裂縫主要集中在以注漿點(diǎn)位中心半徑0.5 m范圍內(nèi)，并產(chǎn)生一條豎直方向上的劈裂縫，但裂隙的數(shù)目較少；隨著注漿時(shí)步的增加，劈裂縫不斷向周圍擴(kuò)展，當(dāng)注漿時(shí)步達(dá)到40 000時(shí)，劈裂縫開始水平發(fā)展；當(dāng)注漿時(shí)步達(dá)到80 000時(shí)，在水平方向以及豎直方向上均產(chǎn)生大量裂隙，且在以注漿點(diǎn)位中心1.5 m范圍內(nèi)均有大量劈裂縫產(chǎn)生。隨著注漿時(shí)步的增加，漿液顆粒與土體顆粒的接觸面積增大，漿液不斷擠壓土體，使得土體發(fā)生破壞。注漿壓力較小時(shí)，由于漿液與土體接觸面積較小，土體的破壞范圍較小。隨著注漿壓力的增大，土體被壓縮破壞，微裂隙連通形成主裂隙。這與實(shí)際工程中得出的規(guī)律相同，即土體注漿過程中，由于其側(cè)壓力系數(shù)較小，首先在水平方向上發(fā)生劈裂，然后在豎直方向發(fā)生二次劈裂。

3.2 不同注漿壓力作用下漿液的擴(kuò)散以及周邊土體孔隙率變化

由圖4中看出，當(dāng)注漿壓力為0.2 MPa和0.5 MPa時(shí)，以注漿點(diǎn)為中心，半徑1.0 m和1.5 m范圍內(nèi)土體孔隙率變化不大，半徑0.5 m范圍內(nèi)土體孔隙率變化最明顯，表現(xiàn)為孔隙率迅速增大然后減小，說明注漿壓力較小時(shí)，漿液與土體的作用范圍主要集中在0.5 m范圍內(nèi)，半徑0.5 m范圍內(nèi)土體產(chǎn)生大量裂隙，使得空隙率增加，然后又迅速被漿液充填，使得孔隙率迅速減小；半徑1.5 m范圍內(nèi)孔隙率有所下降，說明這個(gè)范圍內(nèi)土體處于一個(gè)壓密的過程。當(dāng)注漿壓力>0.7 MPa時(shí)，1.5 m范圍內(nèi)孔隙率在小幅下降后迅速增加，說明土體在1.5 m范圍土體產(chǎn)生大量劈裂縫，微裂隙擴(kuò)展到半徑1.5 m范圍內(nèi)，漿液的有效擴(kuò)散半徑達(dá)到1.5 m，使得孔隙率迅速增加。說明注漿的過程是一個(gè)先壓密然后劈裂的過程。

(1)注漿壓力0.2 MPa

(2)注漿壓力0.5 MPa

(3)注漿壓力0.7 MPa

(4)注漿壓力1.0 MPa

圖4 不同注漿壓力作用下周邊土體孔隙率的變化曲線圖

4 結(jié)語

本文在簡要分析劈裂注漿機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析不同的注漿壓力作用下，注漿過程中劈裂縫的產(chǎn)生以及漿液的擴(kuò)散過程，得出以下結(jié)論。

(1)可以采用PFC顆粒模擬漿液與土體顆粒之間的相互作用，從而從細(xì)觀基礎(chǔ)上研究注漿機(jī)理；

(2)土體在壓力注漿作用下，隨著注漿時(shí)間的增加，首先產(chǎn)生豎直方向上的劈裂縫，然后發(fā)生水平方向上的二次劈裂；

(3)劈裂注漿是一個(gè)先壓密然后劈裂的過程，土體劈裂的范圍與注漿壓力有很大的關(guān)系。

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Meso-mechanism Research of Soil-body Fracture Grouting

CAI Ning-sheng

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to reveal the operation mechanism of fracture grouting，based on the particle flow method of dispersion theory，this article by using the PFC2Dsoftware analyzed the splitting crack generation in grou-ting process under different grouting pressure as well as the diffusion regularity of slurry.By using the built-in fish language in PFC2D，it established the complex grouting models to simulate the fracture grouting by exer-ting the grouting pressure through servo control.The simulation results showed that：with the increase of grouting time，the splitting crack first appeared in the vertical direction of soil body，with the following sec-ond splitting in horizontal direction；and when the grouting pressure is 0.2～0.5 MPa，the soil-body fracturing mainly occurs within the range of 1.0m radius；when the grouting pressure>0.7 MPa，the soil-body fractu-ring range is up to a radius of 1.5 m.

Soil body；Fracture grouting；PFC2D；Particle flow；Mesomechanical simulation；Mechanism；Research

蔡寧生，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：道路與橋梁工程。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.003

1673-4874(2015)04-0011-06

2015-03-04