土體劈裂注漿的細觀機理研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029)

土體劈裂注漿的細觀機理研究

蔡寧生

(廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029)

為了揭示劈裂注漿的作用機理，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生以及漿液的擴散規律。運用PFC2D內置的fish語言，建立注漿的復雜模型，通過伺服控制施加注漿壓力從而模擬劈裂注漿。模擬結果表明：隨著注漿時間的增加，土體首先在豎直方向上出現劈裂縫，然后發生水平方向的二次劈裂；當注漿壓力為0.2～0.5MPa時，土體的劈裂主要發生在半徑1.0m范圍內；注漿壓力>0.7MPa時，土體劈裂的范圍達到半徑1.5m。

土體；劈裂注漿；PFC2D；顆粒流；細觀力學模擬；機理；研究

0 引言

注漿技術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勢而被應用到礦山充填，巷道圍巖維護，公路路基的處理等[1-3]各個方面，注漿技術尤其是高壓注漿技術在巖土工程中的應用越來越廣[4-5]，因而，對壓力注漿土體改性機制的研究是一個非常重要而又具有實際意義的課題。

一些學者已經從數值模擬和試驗方面對劈裂注漿做了相關的研究，如吳順川、孫峰[6-7]等對壓力注漿進行了細觀模擬，對注漿方法從微觀上進行了合理解釋；巨建勛等[8]建立了壓密注漿的柱形擴散模型，并采用有限元的方法對壓密注漿的作用機理進行模擬，得到漿液的擴散半徑以及極限注漿壓力的變化規律。但采用傳統的有限元模擬流體[9-11]側重于注漿效果的模擬，不能研究注漿過程中漿液的動態擴散以及劈裂縫的產生和發展。基于散體介質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，可以將漿液假設為由無數細小顆粒組成，在一定的壓力作用下可以發生流動并與土體發生相互作用，從而模擬漿體進入土體并發生劈裂的作用。

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態擴散過程以及注漿過程中劈裂縫的產生和發展，并得出相應的規律，從而揭示劈裂注漿的內在機理。

1 劈裂注漿作用機理

劈裂注漿是漿液在壓力作用下先后克服地層的切應力和抗拉強度，使其在垂直于最小主應力的平面上發生劈裂，漿液便沿此劈裂面滲入和擠密巖土體，并在其中進一步與土體發生相互作用，擠壓劈裂土體并發生化學反應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 土體劈裂面的應力圖

土體的側壓力系數較小，一般先會產生縱向劈裂，如圖1所示，土體在注漿壓力P作用下首先發生縱向初次劈裂，然后發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注漿的數值模擬研究不多，特別是從土體顆粒與漿液相互作用的角度進行的分析報道比較少見。PFC2D[12-13]是一款利用顯式差分算法和離散元理論開發的用來研究顆粒集合體(粒子系統)微/細觀力學行為的程序。它從介質的基本料子結構角度考慮介質的基本力學特性，適用于研究粒狀集合體的流動、大變形、破裂和破裂發展問題，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 模型以及計算參數的選取

漿液與土體的參數選取如表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

數值分析基本參數見表1～2：

表1 數值模擬土體參數表

2.2 建模過程以及分析方案

建模過程如下：

(1)在矩形區域通過設置墻體，然后生成一定數目的顆粒；

(2)通過半徑膨脹法擴大顆粒的半徑，填充整個模型；

磁翻板液位計應用廣泛，工況復雜。由于大部分磁翻板液位計安裝在環境惡劣的室外，經常會遭受風吹雨淋，如果采用防護等級為IP54的磁翻板液位計，很難阻止水汽、灰塵的侵入，磁翻板液位計的顯示面板容易發霉污損、翻旗(也叫翻片)，受阻時無法正常反轉，從而出現顯示故障。

(3)通過擴大半徑或者是縮小半徑使模型的內部內鎖力達到一個較小值；

(4)消除懸浮顆粒，然后賦予顆粒之間的摩擦系數以及粘結強度；

(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，用于監測周圍土體孔隙率的變化，通過得出相關的數據，揭示注漿過程的作用機理。

3 注漿結果分析

3.1 壓力注漿過程中劈裂縫的擴展

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

(a)時步20 000

(b)時步40 000

(c)時步80 000

由圖3可看出，隨著注漿時步的增加，土體裂隙不斷以注漿點為中心，向周圍擴展。當注漿時步為20 000時，劈裂縫主要集中在以注漿點位中心半徑0.5 m范圍內，并產生一條豎直方向上的劈裂縫，但裂隙的數目較少；隨著注漿時步的增加，劈裂縫不斷向周圍擴展，當注漿時步達到40 000時，劈裂縫開始水平發展；當注漿時步達到80 000時，在水平方向以及豎直方向上均產生大量裂隙，且在以注漿點位中心1.5 m范圍內均有大量劈裂縫產生。隨著注漿時步的增加，漿液顆粒與土體顆粒的接觸面積增大，漿液不斷擠壓土體，使得土體發生破壞。注漿壓力較小時，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。這與實際工程中得出的規律相同，即土體注漿過程中，由于其側壓力系數較小，首先在水平方向上發生劈裂，然后在豎直方向發生二次劈裂。

3.2 不同注漿壓力作用下漿液的擴散以及周邊土體孔隙率變化

由圖4中看出，當注漿壓力為0.2 MPa和0.5 MPa時，以注漿點為中心，半徑1.0 m和1.5 m范圍內土體孔隙率變化不大，半徑0.5 m范圍內土體孔隙率變化最明顯，表現為孔隙率迅速增大然后減小，說明注漿壓力較小時，漿液與土體的作用范圍主要集中在0.5 m范圍內，半徑0.5 m范圍內土體產生大量裂隙，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范圍內孔隙率有所下降，說明這個范圍內土體處于一個壓密的過程。當注漿壓力>0.7 MPa時，1.5 m范圍內孔隙率在小幅下降后迅速增加，說明土體在1.5 m范圍土體產生大量劈裂縫，微裂隙擴展到半徑1.5 m范圍內，漿液的有效擴散半徑達到1.5 m，使得孔隙率迅速增加。說明注漿的過程是一個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 結語

本文在簡要分析劈裂注漿機理的基礎上，分析不同的注漿壓力作用下，注漿過程中劈裂縫的產生以及漿液的擴散過程，得出以下結論。

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

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

(3)劈裂注漿是一個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