黃土高速鐵路路基注漿擴散范圍模型試驗研究

溫 浩，張先軍，蔡德鉤，岳 茂，于佳琪，瞿立明

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.中國國家鐵路集團有限公司 工程管理中心，北京 100844；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；4.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756)

黃土在我國西北地區廣泛分布,作為區域性特殊土,黃土具有濕陷性、水敏性等特點,黃土病害整治一直以來都是工程界關注的重點[1]。隨著我國經濟建設的發展,黃土地區鐵路建設迅速發展,寶蘭、鄭西、大西等鐵路線的建設對黃土高速鐵路(以下簡稱“高鐵”)路基的建設提出了更高的要求。黃土結構存在大孔隙、垂直節理等特征,在干燥時,黃土強度較高,但在降雨、振動等外界作用時強度降低,存在沉降等病害問題[2]。注漿加固技術作為路基病害整治技術,在軟土地區應用廣泛[3],但由于黃土力學性能復雜,注漿技術參數難以獲得,最優的注漿方案不易確定。因此,黃土高速路基注漿技術參數亟待開展系統、深入的研究。

高鐵路基沉降控制一直都是研究的熱點[4-5],眾多學者對注漿加固技術展開了研究。周文皎等[6]、張玉芳等[7]開展鋼花管分段注漿現場原型試驗,研究表明注漿形成的“樹根狀”加固體有效提高了周圍土體的抗剪強度。陶偉明等[8]對聚氨酯復合注漿材料的研究表明其在富水砂礫地層的封堵及抗沖刷性能優異。黃大維等[9]開展隧道側部注漿模型試驗,發現注漿擴散模式可分為滲透-擠密-劈裂、擠密-劈裂-滲透兩種。羅小博等[10]開展西北濕陷性黃土地基劈裂注漿現場試驗,研究表明注漿加固后的地基承載力提高近3倍。王騰[11]基于D-P修正準則,給出適用于濕陷性黃土劈裂注漿注漿壓力計算方法。馬連生等[12]基于斷裂力學,給出了黃土劈裂注漿過程中裂紋擴展方式。汪優等[13]基于FLAC-PFC耦合方法對盾構施工壁后注漿過程進行數值仿真,研究表明盾尾注漿對地表沉降控制有顯著效果。Zhang等[14]使用PFC2D對黃土注漿擴散過程進行模擬,研究表明最終形成的漿脈呈Y形。Li等[15]基于連續擴散凝固數值仿真(SDS)方法,對不同流速下漿液擴散過程進行模擬。Yan等[16]基于FDEM,對裂隙巖體注漿過程中漿液遷移、漿液-巖體相互作用、裂縫擴展進行研究。綜上所述,已有研究表明注漿加固可以有效提升土體強度,對注漿過程中漿液擴散模式也有較多研究,但對漿液擴散過程中關鍵參數的研究較少。

基于此,本文基于黃土高鐵路基注漿模型試驗,使用Edem-Fluent耦合技術進行注漿數值仿真。對黃土高鐵路基注漿擴散范圍及盲區進行研究,為黃土高鐵路基設計參數的確定提供指導。

1 工程背景

大同—西安客運專線,線路全長853 km,是西部鐵路重點建設工程[1]。本文以K276+066—K276+146里程處發生不均勻沉降病害的黃土路基為研究對象。既有路基自上而下依次為級配碎石、改良土、三七灰土,厚度均為0.5 m。該段自2015年7月出現下沉,累計最大沉降達50 mm以上。動力觸探等表明道心、路肩存在地層不密實的情況。

2 模型試驗概況

2.1 試驗原材料

本文選取現場典型黃土土樣,參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[17],測得試樣含水率為12.28%,土樣級配曲線見圖1。試樣顆粒級配主要集中在1～10 mm,計算得到Cu=5.78>5,1

圖1 顆粒級配曲線

2.2 注漿試驗裝置

本文采用的注漿試驗系統主要包括模型箱體和注漿機。模型箱體主要包括加固肋、土體介質、有機玻璃板。為防止注漿過程中發生堵管,選擇高壓橡膠管來輸送漿液。箱體為正方體,邊長為1.2 m,體積約為1.73 m3,主要材質為有機玻璃板及角鋼。箱體頂部預留直徑60 mm的圓孔,用于插入注漿管?？紤]到注漿過程中產生的振動可能會導致注漿管傾斜,需對注漿管進行固定。

注漿管采用鋼花管,外徑為6 cm,內徑為5.4 cm,全長為130 cm。在距注漿管底部10 cm處設置4排注漿孔,每1排距離為10 cm,每排設置6個直徑為1.6 cm的注漿孔。鋼花管設計見圖2。

圖2 注漿管設計(單位:cm)

本試驗采用成都杰瑞達公司生產的型號為JRD200螺旋泵注漿機,外形尺寸為1.9 m×0.58 m×0.785 m(長×寬×高),料斗容積為130 L。注漿壓力為0～3 MPa,其輸送距離在水平方向可達180 m以上,在垂直方向可達60 m,出漿量可達1 500～2 500 L/h,壓力、流速均可調。

2.3 試驗步驟

模型采用逐層填筑、人工夯實的方法進行制作,模型至少填筑2/3。填筑過程中通過換刀法測試干密度,以此控制壓實度,保證填筑土樣的均勻性。在模型填筑過程中,預先將注漿管放置于模型箱中央。模型填筑完成后,在箱體頂部設置螺栓及管套用于加固注漿管。注漿試驗裝置見圖3。

圖3 注漿試驗裝置

模型箱填筑完成后,使用輸漿管連接注漿機與模型箱。輸漿管、模型箱、注漿機采用內螺紋進行連接,保證緊密性,防止產生漏漿和堵漿。

考慮到模型箱的尺寸,本次注漿試驗的每次注漿量都采用相同體積的流量,即總流量均為0.1 m3。本次試驗使用1排共計6個孔進行注漿,即對單排孔漿液的擴散范圍進行研究。本試驗選擇0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa共5個注漿壓力作為加載工況。

2.4 注漿試驗結果分析

2.4.1 擴散半徑

在漿液凝固之后,將注漿加固體挖出,發現隨著注漿壓力的增加,漿液的擴散范圍逐漸增大,劈裂效果越明顯。對不同注漿壓力下加固體的漿脈長度進行測量。不同注漿壓力下注漿體的擴散范圍數據見表1,加固體長度統計曲線見圖4。

表1 單排孔注漿加固體測量數據

圖4 加固體漿脈長度

由圖4可知,隨著注漿壓力的增大,漿液的擴散范圍逐漸擴大,加固體長度與注漿壓力的關系近似呈冪指數形式。不同的注漿壓力下漿液擴散寬度差別不大,加固體寬度范圍為5.5～8.4 cm。0.5 MPa下的漿液擴散寬度為8.4 cm,可能是由于注漿壓力過大造成的。

2.4.2 注漿前后強度對比

參照文獻[17],對黃土試樣及注漿體進行直剪試驗。直剪試驗選取的注漿體為黃土和水泥漿液相互滲透形成的混合物。

不同垂直應力下未注漿試樣以及漿液混合物的剪切位移-剪切力關系曲線見圖5。由圖5可知,在不同垂直應力下,混合物的強度顯著提高。由上述所得未注漿土體和注漿混合體τmax-σ關系曲線見圖6。由圖6可知,計算得到未注漿土體的內聚力為41.65 kPa,內摩擦角為26°,黃土-漿液混合物的內聚力為71.8 kPa,內摩擦角為27.7°。前述分析表明水泥漿液經過滲透、擠壓與土體相互耦合作用形成的混合土物,相比于未注漿土體強度有著顯著的提升。

圖5 未加固、加固土體剪切位移-剪切力關系曲線

圖6 未注漿土體和混合土樣τmax-σ關系曲線

3 數值仿真

3.1 Edem-Fluent耦合簡介

目前針對高鐵無砟軌道路基注漿數值仿真分析軟件主要使用Ansys和PFC2D,但兩者在模擬流體時存在局限性。為充分考慮流體和土顆粒之間的相互作用,本文選用有限元軟件Fluent與離散元軟件Edem進行耦合計算。在耦合計算中,Fluent用于模擬分析注漿液體的流動,Edem用于模擬分析土體顆粒在漿液作用下的運動。Edem-Fluent耦合能夠全面準確地模擬顆粒與流體之間的相互作用,能夠考慮流體對顆粒的作用力以及顆粒對流體的阻力。

本文采用的Edem-Fluent耦合計算方法主要包括以下4步:①在Fluent中收集Edem中顆粒的相關信息,包括速度、位置、數量等;②在Fluent進行流場計算直至收斂;③將Fluent計算得到數據傳輸至Edem中,進行動力學計算;④Edem中顆粒會產生新的位置、速度等基本量,以動量形式導入Fluent中,計算至收斂。將上述4個步驟循環一次為一個時步。耦合模擬流程見圖7。

圖7 耦合模擬流程

模型尺寸為60 cm×60 cm×10 cm(長×寬×高)。注漿管半徑為4 cm。在注漿管距箱底4 cm處,對稱開6個注漿孔,注漿孔半徑為1 cm。模型四周為墻體,防止顆?！疤映觥薄ｎw粒與墻體的力學參數選用默認值,并在其中填入等半徑為2 mm的黃土顆粒,共填入615 273個顆粒。模擬0.12、0.17、0.22、0.27、0.41、0.51 MPa共6個注漿壓力作用下接觸力鏈的破壞。模型中每隔5 cm設置一個監測圓,共記5個,從內到外編號依次為1～5,選用Hertz-Mindlin黏結模型對土體進行模擬。參照文獻[18-19],黃土試樣力學參數見表2。

表2 黃土試樣力學參數

參照文獻[18,20-22],模型微觀力學參數見表3。本文采用0.6∶1的純水泥漿液對其進行數值模擬分析,在Fluent中設置其漿液密度為1 760 kg/m3,結合資料和水泥漿液材料,動力黏度取值0.06 kg/(m·s),顆粒間靜摩擦系數為0.53。

表3 黃土試樣微觀力學參數

3.2 數值仿真結果分析

0.51 MPa注漿壓力下,模型整體接觸力鏈破裂圖以及注漿孔平面土體接觸力鏈的破壞見圖8。將黃土的注漿孔平面接觸力鏈的破壞圖導入到相應的軟件中,繪制包絡圖,統計得到不同注漿壓力的注漿體擴散范圍數據,將模型試驗得到的擴散范圍和數值仿真結果進行對比,結果見圖9。由圖9可知,兩者差別較小,且增長趨勢與冪指數相似。

圖8 0.51 MPa下接觸力鏈破壞

圖9 模型試驗與數值仿真對比

前述黃土數值模擬計算模型,共建立了5個監測圓柱,對其力鏈數據進行輸出并進行統計,繪制每個監測圓中所斷裂的力鏈數比重,見圖10。由圖10可知,注漿壓力為0.12 MPa時,變化幅度最小,注漿壓力為0.51 MPa時,變化最大。表明注漿壓力越大,土體間的微觀作用力作用更加分散,在漿液劈裂方向上,注漿壓力是呈消散分布的,注漿壓力越大,注漿壓力消散速度越慢,從宏觀層面上來講,表現為漿液劈裂長度的變化。

圖10 接觸力鏈分析

4 注漿擴散及盲區推導

4.1 注漿擴散理論

根據試驗現象以及數值仿真結果,漿液擴散范圍曲線見圖11。將漿液擴散范圍曲線分段進行離散化,可得到不同段曲線的坐標。參照郭晉豪[23]的研究,將一個注漿孔注漿漿液擴散范圍的上半部分曲線分為:曲線1、曲線2。曲線1為對數曲線,曲線2為圓曲線的一部分。分別對兩段曲線進行擬合,可得到漿液擴散范圍的曲線方程。計算所需坐標由試驗及數值仿真得到。

圖11 漿液擴散范圍曲線

最終得到的曲線方程為

( 1 )

式中:x1、y1分別為注漿管、射漿孔半徑;x2、y2為兩曲線連接處的坐標;p為注漿壓力,MPa;R為土體微觀層面接觸力鏈破壞范圍半徑。

通過計算可得到0.27、0.41、0.51、1.00、2.00 MPa注漿壓力下擴散范圍曲線,見圖12。由圖12可知,0.27 ～0.51 MPa注漿壓力下漿液擴散范圍與數值分析一致,在此基礎上對1.00、2.00 MPa的注漿壓力進行預測。

圖12 軟土體漿液擴散區域驗證與預測

將理論計算、數值模擬、室內模型試驗得出的黃土注漿漿液擴散半徑進行統計,見表4。3種不同方法得到的漿液擴散范圍的數據相差不大,擴散半徑的變化規律一致,驗證了理論計算與數值仿真的正確性。

表4 3種方法得到的漿液擴散半徑驗證 mm

4.2 注漿擴散盲區推導

前述給出了黃土注漿漿液擴散范圍計算公式,但在漿液的擴散過程中存在盲區,由于鋼花管開孔等原因,這部分土體漿液未能擴散過去,因此需要對擴散盲區邊界進行推導。在擴散范圍之外為注漿盲區,其示意見圖13。

圖13 注漿盲區示意

為簡化推導過程,取兩個葉片作為研究對象,見圖14。首先推導曲線3。通過計算得出上、下部曲線的對稱軸與x軸夾角為30°,注漿孔圓心坐標為(-35.5,0),擴散半徑為R,對稱軸方程、外圍擴散半徑圓的方程分別為

圖14 局部注漿盲區范圍

( 2 )

(x+35.5)2+y2=R2

( 3 )

取對稱軸上一點(0,20.5),此點為上、下部曲線中心對稱點,令

( 4 )

則式( 4 )關于對稱軸對稱的方程為

( 5 )

a、b為曲線中心對稱點,令a=0,b=20.5,得到上部曲線3的表達式,即

( 6 )

由此,上部圓曲線4部分的表達式為

( 7 )

結合式( 6 )、式( 7 )得到上部整體曲線的表達式。式( 1 )、式( 6 )、式( 7 )相結合即為注漿擴散盲區的邊界表達式。

5 結論

本文以大西高鐵沿線典型濕陷性黃土路基為研究對象,設計完成了黃土注漿模型試驗,使用Edem-Fluent耦合技術進行注漿數值仿真,對注漿參數進行研究,得出以下結論:

1)模型試驗結果表明,隨著注漿壓力的增大,漿液的擴散范圍逐漸擴大,加固體長度與注漿壓力的關系近似冪指數。注漿后土體強度明顯提升。

2)數值仿真結果表明,漿液在土體中擴散的本質是注漿壓力在土體中的消散過程。注漿壓力較大時,壓力在土體介質中消散得慢,宏觀表現為擴散半徑較大。

3)通過理論推導得出了黃土注漿擴散范圍與注漿壓力之間的計算式,符合模型試驗與數值仿真結果,在此基礎上得出了注漿壓力與注漿盲區理論表達式。