黃土劈裂注漿過程數值模擬研究

張杰 ZHANG Jie

（中鐵隧道局集團有限公司，廣州 511458）

0 引言

城市地鐵工程采用淺埋暗挖法穿越地層時，必然會造成深層土體及地表不同程度的沉降變形，甚至影響地鄰近既有建（構）筑物的結構安全[1-2]。而為了控制隧道暗挖施工引起的土體沉降變形，保障既有建（構）筑物的安全和地鐵隧道安全施工，通常對隧道穿越地層進行劈裂注漿超前加固[3-4]。但劈裂注漿屬于隱蔽工程，易受注漿參數、注漿工藝、施工環(huán)等因素的影響，現(xiàn)有關于劈裂注漿漿液擴散過程方面的研究并不完善。

由于土體具有離散、非連續(xù)的特性，相較于有限元法而言，以PFC 軟件為代表的離散單元法在注漿機理方面的研究和應用更為廣泛。鄭剛等[5]基于離散單元法，提出在劈裂注漿裂縫產生后通過較小漿液顆粒填充來模擬注漿過程中漿液的侵入。秦鵬飛[6]運用PFC2D 軟件，研究了不良地質體劈裂漿脈最終形態(tài)及顆粒的位移情況，并初步研究了不同漿液黏度、不同地質條件對注漿效果的影響。Zhang 等[7]研究了流體注入干燥致密顆粒介質的過程，以及流體粘度和材料特性對漿液擴散的影響。Yu 等[8]采用離散元方法模擬了松軟煤層的注漿劈裂過程，研究了煤層原生裂隙對注漿效果的影響。耿萍等[9]研究了在多孔注漿條件下，注漿孔布置、注漿順序對注漿效果的影響。然而，目前關于黃土劈裂注漿中從劈裂縫產生至漿脈擴展整個動態(tài)過程的研究較少。

采用PFC2D 離散元軟件建立了西安地區(qū)黃土劈裂注漿的數值模型，對黃土劈裂注漿中劈裂縫的產生與擴展的全過程進行研究，并分析劈裂注漿過程中土體應力場、孔隙率的變化規(guī)律。此外，研究了注漿壓力對于漿脈擴展形態(tài)的影響規(guī)律。

1 計算模型

1.1 計算模型的建立

為了模擬研究黃土劈裂注漿的整個發(fā)展過程和漿脈的幾何分布規(guī)律，采用PFC2D 顆粒離散元軟件建立模型，模型尺寸為4m×4m，內部充填密實的顆粒單元模擬實際的土層結構，計算模型如圖1 所示。注漿孔位于模型正中心位置，模型四周設立“墻”單元形成模型的邊界，并通過“伺服系統(tǒng)”調整墻的移動實現(xiàn)對顆粒進行適當壓縮，改變顆粒間的作用力，獲得可設定的側向約束力。

圖1 計算模型

1.2 模型參數

在PFC 軟件中，使用的是細觀參數，而非宏觀物理力學參數，且兩者沒有直接聯(lián)系。不同的細觀參數模擬出的土體物理力學性能不同。因此，選取合理的細觀參數尤為重要。本文以室內黃土土工試驗結果為基礎，取用西安地鐵四號線黃土試樣，黃土的物理力學參數如表1 所示，黃土的細觀參數如表2 和表3 所示。

表1 黃土物理力學參數

表2 黃土的細觀參數

表3 流體域的細觀參數

2 結果分析

2.1 黃土劈裂注漿過程

為研究黃土劈裂注漿漿液擴散全過程，數值模擬中注漿壓力從0.05MPa 開始逐級遞增，每一級增量為0.05MPa且在每級注漿壓力下穩(wěn)定一段時間，直至注漿壓力達到0.35MPa。

圖2 給出了劈裂注漿過程漿液擴散情況，其中青色圓表示注入漿體的壓力，紅色線段表示黃土顆粒間的粘結被破壞形成的劈裂縫，黑色圓圈分別為半徑為0.5、1.0、1.5和2.0m 的4 個測量圓。從圖2 可以看出，當注漿壓力小于等于0.2MPa 時，此時由于注漿壓力較小，漿液對土體有擠密作用但不能劈裂土體；注漿壓力增加至0.25MPa 時，由于部分土體顆粒所受外力超出顆粒間的粘結強度，漿液開始劈裂土體，出現(xiàn)了第一條劈裂縫，穩(wěn)定壓力注漿一段時間，漿液繼續(xù)劈裂土體形成了第一條主漿脈。隨著注漿壓力的增加，漿液在第一條主漿脈通道逐漸飽和，在注漿孔周圍發(fā)生了二次劈裂，產生了新的漿脈分支；注漿壓力達到0.35MPa 時，多條主漿脈最終形成如圖2 所示的漿脈分布形態(tài)，起到支撐土體的骨架作用。

圖2 劈裂注漿過程漿液擴散示意圖

圖3 為注漿過程中土體x 方向應力分布圖。從圖3 可以看出，在注漿的初始階段，土體未出現(xiàn)劈裂，拉應力集中在注漿孔周圍，如圖3（a）；當壓力達到啟劈壓力，土體被劈裂并形成縱向劈裂縫，劈裂縫的兩端出現(xiàn)兩個拉應力集中區(qū)，而垂直于劈裂縫的兩側也出現(xiàn)了兩個壓應力集中區(qū)，如圖3（b）；繼續(xù)注漿，新的劈裂縫不斷形成在拉應力集中區(qū)，拉應力區(qū)也隨著劈裂縫尖端的發(fā)展而變化，如圖3（c）；當注漿壓力繼續(xù)增加時，漿液在原有的劈裂縫基礎上再次劈裂土體，形成新的漿脈分支，而新漿脈分支的發(fā)展與土體應力相關，如圖3（d）。另一方面，由于劈裂縫中漿液對土體的擠密作用，大部分未劈裂土體都受到壓實作用，特別是緊鄰注漿孔且未發(fā)生劈裂的土體，此處最大壓應力從20kPa 逐步增加到237kPa，也說明了注漿對于周圍土體的壓實作用是伴隨著注漿進程同時發(fā)生的。

圖3 注漿過程土體x 方向應力分布圖

圖4 是注漿過程中土體孔隙率變化曲線圖。由圖可知，在初次劈裂之前土體孔隙率基本不變。當達到啟劈壓力（0.25MPa）且產生劈裂縫后，孔隙率才開始逐漸增加，但增長幅度較小，說明此階段漿液填充劈裂縫的空間并不多。土體孔隙率的顯著增加發(fā)生在土體二次劈裂甚至多次劈裂之后，且孔隙率增大速度逐漸加快，這說明越來越多的土體空間被漿液填充，且填充速度也逐漸加快。

圖4 注漿過程土體孔隙率變化曲線

2.2 注漿壓力對漿液擴散的影響

為了研究不同注漿壓力下漿液的擴散規(guī)律，在保持其他參數不變的情況下，模擬得到了初始注漿壓力分別為0.30MPa、0.35MPa、0.40MPa 和0.45MPa 的漿液擴散情況。圖5 為不同注漿壓力下漿液擴散范圍。從圖5 可以看出，隨著注漿壓力的增大，漿脈分支的數量也隨之增多，尤其是在0.30MPa 至0.40MPa 這一壓力區(qū)間，漿脈的分支從2條增加到6 條。

圖5 不同注漿壓力下漿脈分布圖

圖6 為不同注漿壓力下土體孔隙率變化曲線。由圖可知，當注漿壓力為0.3MPa 時，注漿孔周圍土體的最終平均孔隙率達24%，即注漿率為1%，而當注漿壓力為0.45MPa時，注漿孔周邊最終平均孔隙率達28%，即注漿率達5%，劈裂注漿效應明顯提高了注漿孔周邊土體的孔隙率，表明注漿壓力的增大提高了漿液的注入量。隨著注漿壓力的增大，漿脈分支數量和注漿孔周邊漿液注入量也隨之增加，但不能忽略當注漿壓力過大時注漿孔周邊及漿脈分支之間的土體更容易被破壞。所以在工程實踐中，合理選擇注漿壓力的大小，既能控制漿脈數量又能減小土體破壞范圍，如當注漿壓力為0.35MPa 時，漿脈數量較多，且土體破壞范圍相對較小。

圖6 不同注漿壓力下土體孔隙率變化曲線

3 結論

由于劈裂注漿過程的隱蔽性和復雜性，漿液在土體中的擴散全過程不易得到。采用PFC2D 離散元軟件，研究了黃土劈裂注漿中劈裂縫的產生與擴展的全過程，以及注漿壓力和圍壓等因素對于漿脈擴展形態(tài)的影響規(guī)律。結論如下：①再現(xiàn)了劈裂注漿漿液擴散全過程，當注漿壓力達到啟劈壓力時，土體開始劈裂；注漿壓力持續(xù)增大，新的漿脈分支出現(xiàn)，各漿脈持續(xù)擴展。整個劈裂注漿的過程，土體孔隙率在初始劈裂后增加緩慢，在土體二次劈裂后增加明顯。②劈裂縫尖端形成拉應力集中，而劈裂縫的擴展主要是由劈裂縫尖端的拉應力引起。③注漿壓力對漿脈的擴展影響明顯，隨注漿壓力的增大，漿脈分支的數量增多，注漿孔周邊土體孔隙率增大。