基于顆粒流方法的土體壓密注漿細觀機理

周子龍，趙云龍，陳釗，杜雪明，吳志波

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基于顆粒流方法的土體壓密注漿細觀機理

周子龍1，趙云龍1，陳釗2，杜雪明1，吳志波1

(1. 中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙，410083；2. 廣西交通規劃勘察設計研究院，廣西南寧，530029)

為揭示高壓注漿過程中漿液的擴散規律與壓密效果，運用顆粒流方法對不同注漿壓力、不同土體黏結力、不同土體摩擦因數下漿泡半徑以及注漿效果的細觀規律和機理進行分析。采用顆粒流fish語言建立注漿過程模型，采用伺服機制施加不同注漿壓力模擬注漿過程。研究結果表明：隨著注漿壓力增大，注漿點周圍的土體不斷被壓縮，孔隙率變小，且0.5 m內土體最易受影響，變形速率最快；與此同時，注漿壓力增大，周圍土體的附加應力不斷增加；對于特定的土體條件，都存在1個最佳注漿壓力；土體顆粒之間的黏結力對于漿液擴散的影響較大；土體黏結力較小時，注漿后漿泡半徑隨注漿壓力增大變化明顯，但當黏結力較大時，漿泡尺寸基本不隨注漿壓力變化，即土體黏結力較大時，壓密注漿效果大大削弱；土體顆粒之間摩擦因數的變化對注漿效果影響不大。

壓密注漿；顆粒流；細觀機理

注漿技術是巖土工程中一種極為重要的施工方法，被廣泛應用于礦山充填、巷道圍巖維護、公路路基處理等方面，按照漿液對土體的作用機理可分為壓密注漿、劈裂注漿、滲透注漿等[1]。其中壓密注漿是目前應用最廣泛的一種注漿方法，該方法的工程效果已受到工程界的廣泛認可[2?7]，但人們對壓密注漿過程中漿液與土體的細觀作用機理還不十分清楚。一些學者對壓密注漿進行了研究，如：鄒金峰等[8]將注漿過程視為無限土體中的圓孔擴展問題，從能量守恒的角度，推導出極限注漿壓力的理論解答；巨建勛[9]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；鄒健等[10?11]研究了壓濾效應對壓密注漿的影響，改善了傳統的壓密注漿擴散理論；唐智偉等[12]采用FLAC3D分析了壓密注漿對地層的抬升機制。整體上看，現有研究主要集中在理論和數值分析2個方面，其中理論解析方面均采用向周圍土體施加各向同性膨脹力的方法，但在實際壓密注漿過程中，漿液與土體存在不均勻接觸；數值分析方面則未考慮漿液與土體的內部作用過程，以致一些微觀機理未能有效揭示。離散元法是近幾年興起的一種巖土數值模擬方法，用其建立的模型可以較好地體現巖土介質的內部顆粒組成，既能模擬顆粒的流動性，又可實現土粒與土粒、漿液與土粒間的不均勻接觸和相互侵入。為此，本文作者利用該方法對不同注漿壓力作用下漿體對土體壓密的動態過程和規律進行研究，以便揭示其內在規律和機理。

1 壓密注漿作用機理

壓密注漿法是指將較稠的漿液通過鉆孔強行擠向土體，并在注漿點附近形成近似球形或者柱形漿泡，通過漿泡來擠壓被注載體鄰近土體的一種施工方法[7](見圖1(a))。在漿泡形成過程中，漿泡的半徑隨著注漿壓力的增大而增大，如圖1(b)中曲線I所示；同時，對于給定的上覆土層，導致土層上抬所需的注漿壓力與漿泡的半徑或者水平投影面積有關，兩者之間的關系如圖1(b)中的曲線Ⅱ所示。

通過現場觀測發現，土體壓密注漿后在距離漿泡0.3~1.8 m處有擠壓作用，在此范圍內，距離漿泡越遠，擠密作用越弱。在不均勻地基中，漿泡呈現不規則形狀，漿液總是擠向不均地基中的薄弱土區，從而使該處土體增強。

(a) 壓密注漿示意圖；(b) 應力變化

Ⅰ—注漿壓力與漿泡半徑的關系；Ⅱ—抬升壓力與漿泡半徑的關系。

圖1 壓密注漿示意圖和應力變化

Fig. 1 Sketch and stress variation of compaction grouting

2 注漿模型與分析方案

目前人們對注漿的數值分析研究并不多，王立中等[13?15]對注漿模擬進行了研究，但從土體顆粒與漿液顆粒相互作用的細觀機理角度進行的分析較少。本文采用離散元顆粒流程序PFC2D[16?17]，將注漿材料與土體看作由若干細小顆粒組成，通過顆粒間的相互接觸模擬漿液與土體之間的相互作用。

2.1 模型與計算參數選取

注漿所用漿液的參數以及土體顆粒的參數選取如下：最大粒徑為5 mm；最小粒徑為5 mm；摩擦因數為0.001；顆粒法向接觸剛度為6.5 MN/m；顆粒法向剛度與切向剛度比為1.0。土體參數見表1。

土體模型的長×寬為16 m×10 m，注漿點的深度為6.0 m，注漿孔的直徑為100 mm。生成的模型如圖2(a)所示，注漿點局部放大圖如圖2(b)所示。

(a) 整體圖；(b) 注漿點局部圖

2.2 分析方案

通過軟件內置的Fish語言，實現如圖2所示的注漿模型，同時在注漿孔周圍布置測量圓，通過監測相關結果，從而得出不同的條件下漿泡的半徑、注漿點周圍土體孔隙率以及周圍土體應力等參數的變化規律。具體分析方案如下。

1) 不同注漿壓力影響。選取注漿壓力為0.2，0.5，0.7和1.0 MPa，土體參數選取表1中方案1，分析不同注漿壓力作用下漿泡半徑、周圍土體應力以及孔隙率的變化。

2) 不同土體顆粒黏結力影響。注漿壓力選取0.7 MPa，土體參數選取表1中方案2，分析隨著土體顆粒之間黏結力的增加，漿泡半徑、周圍土體應力以及孔隙率的變化。

3) 不同土體顆粒摩擦因數影響。注漿壓力選取0.7 MPa，土體參數選取表1中方案3，分析隨著土體顆粒之間摩擦因數的增加，漿泡半徑、周圍土體應力以及孔隙率的變化。

3 不同條件下注漿結果分析

3.1 注漿壓力對壓密注漿的影響

利用注漿漿液參數、表1中方案1的漿液和土體參數，對0.2，0.5，0.7和1.0 MPa等注漿壓力下的孔隙度進行分析，可獲得注漿點周圍土體孔隙率的變化，從而反映土體被壓密的程度。圖3所示為不同注漿壓力下土體孔隙率變化曲線。從圖3可以看出：在注漿點0.5 m半徑范圍內，土體孔隙率變化最明顯；隨著注漿時步增加，土體孔隙率不斷減小，但當注漿時步大于2.0×105時，孔隙率基本保持不變，即注漿完成；在離注漿點較遠的1.0 m和1.5 m半徑范圍內，當注漿壓力較小時，土體孔隙率受影響較小；當注漿壓力大于0.7 MPa時，該區域土體受到較大壓密作用。不過，當注漿時步大于2.0×105后，土體孔隙率趨于恒定，意味著注漿基本完成。從土體孔隙率的變化規律可見：當注漿壓力較小時，由于漿液與土體接觸面積較小，土體被壓密的范圍較小；隨著注漿壓力增大，漿液顆粒與土體顆粒的接觸面積增大，漿液顆粒不斷擠壓土體顆粒，使得周圍土體發生破壞并被不斷壓縮，且范圍越來越大；每個注漿壓力都對應1個最佳作用半徑，如在本文的土體參數條件下，當注漿壓力小于0.5 MPa時，最佳注漿半徑為0.5 m左右；當注漿壓力為1.0 MPa時，最佳注漿半徑可達1.5 m。

表1 土體參數

注漿壓力/MPa：(a) 0.2；0.5；(c) 0.7；(d) 1.0

以注漿點為中心的半徑/m：1—0.5；2—1.0；3—1.5。

圖3 不同注漿壓力下周邊土體孔隙率的變化

Fig. 3 Porosity changes of surrounding soil under different grouting pressures

在壓密注漿過程中，周圍土體應力的變化也能從另一方面反映土體的壓密程度。離散元法可以通過測量圓監測周圍土體應力的變化，得出周圍土體應力的變化規律。表2所示為不同注漿壓力下注漿點周圍土體的應力分布情況。由表2可以看出：隨著注漿壓力增加，以注漿點為中心0.5 m半徑范圍內土體的應力變化最明顯，1.0 m內應力變化次之，1.5 m內應力變化最小，已趨于原始土應力。

隨著注漿進行，周圍土體被不斷壓密并產生應力，漿液的持續注入受到阻止并在注漿點附近形成漿泡。圖4所示為不同注漿壓力下注漿完成后漿泡形態。從圖4可以看出：隨著注漿壓力增大，漿泡的半徑不斷增大；當注漿壓力為0.2 MPa時，漿液主要集中在注漿管附近，并沒有明顯的漿泡出現，說明當注漿壓力較小時，漿液擠壓土體作用較小，漿液僅在注漿口附近局部滲入土體；當注漿壓力大于0.5 MPa時，出現明顯的不規則漿泡，這與張忠苗等[18]進行室內壓密注漿試驗得出的漿泡形狀一致。同時，隨著注漿壓力增大，漿泡半徑增大。圖5所示為漿泡半徑與注漿壓力之間的關系曲線，該曲線變化趨勢與圖1(b)中的曲線Ⅰ變化趨勢一致。

表2 周圍土體附加應力的變化

注：為距離注漿點的距離。

3.2 土體黏結力對壓密注漿的影響

利用注漿漿液參數、表1中方案2的土體參數，注漿壓力選取0.7 MPa進行分析，獲得顆粒黏結強度為1.0×104，5.0×104和1.0×105N時土體中漿泡半徑變化規律，如圖6所示。

注漿壓力/MPa：(a) 0.2；(b) 0.5；(c) 0.7；(d) 1.0

圖5 漿泡半徑與注漿壓力的關系

由圖6可以看出：土體之間的黏結力對于注漿的效果影響較明顯；在相同注漿壓力作用下，當土體之間的黏結力較小時，漿泡的半徑較大，如圖6(a)所示；當土體之間的黏結力較大時，漿液主要集中在注漿管附近，沒有明顯的漿泡出現，如圖6(c)所示。

對于不同土體顆粒黏結力的情況，周圍土體孔隙率的變化如圖7所示。從圖7可以看出：當土體黏結力較小時，壓密注漿效果較好；當土體黏結力較大時，對壓密注漿不利。以注漿壓力為0.7 MPa時為例，土體黏結力為1.0×104N，在注漿點近區(0.5 m半徑點)土體孔隙率從0.15左右降低為0.12左右；但當土體黏結力增大到1.0×105N時，即使在注漿點近區，土體的孔隙率仍基本不受影響，即注漿效果大大削弱。

3.3 土體顆粒間摩擦因數對壓密注漿的影響

利用注漿漿液參數、表1中方案3的土體參數，選取注漿壓力0.5 MPa進行分析，可獲得土體顆粒摩擦因數為0.1，0.3，0.5和0.7時注漿過程中土體參數的變化情況，見圖8。從圖8可以看出：在不同土體顆粒摩擦因數下，注漿完成后漿泡形態區別不明顯，漿泡半徑為0.5 m左右。這說明顆粒之間的摩擦因數對于壓密注漿效果影響不大。不同土體顆粒摩擦因數條件下注漿后土體孔隙率和應力的變化情況如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10可以看出：當土體顆粒之間摩擦因數發生變化時，周圍土體的孔隙率和應力均在某一數值附近小幅度波動，這進一步說明土體顆粒之間的摩擦因數對于漿液的壓密作用影響較小。摩擦因數的增加使得漿液顆粒與土體顆粒之間的摩擦力增加，但一般來說，注漿壓力相對于摩擦力來說較大，因此，這種摩擦力在注漿過程中發揮的作用有限，這與孫峰 等[14]進行土體劈裂注漿過程的細觀模擬研究所得出的結論相同，即摩擦因數對劈裂縫形成時期的影響規律不是很明顯，其原因主要是土體峰值以前的強度特性是由顆粒間的接觸連接強度決定；而顆粒間的摩擦因數只影響峰值后的變化趨勢。

土體黏結力/N：(a) 1.0×104；(b) 5.0×104; (c) 1.0×105

以注漿點為中心的半徑/m：1—0.5；2—1.0；3—1.5。

摩擦因數：(a) 0.1；(b) 0.3；(c) 0.5；(d) 0.7

以注漿點為中心的半徑/m：1—0.5；2—1.0；3—1.5。

以注漿點為中心的半徑/m：1—0.5；2—1.0；3—1.5。

4 結論

1) 注漿壓力是影響壓密注漿的重要因素。隨著注漿壓力增加，土體被壓密的范圍逐漸擴大，土體中的附加應力提高，漿泡半徑隨著注漿壓力增大而增大。

2) 土體黏聚力對于注漿的效果影響明顯。當土體黏結力較小時，漿液的作用范圍較大；當土體黏結力較大時，壓密注漿效果受到較大影響。

3) 不同土體顆粒摩擦因數對注漿效果幾乎沒有影響。當土體顆粒之間摩擦因數變化時，周圍土體的孔隙率和應力僅在某一數值附近小幅度波動。

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(編輯 陳燦華)

Meso-mechanism of compaction grouting in soil based on particle flow method

ZHOU Zilong1, ZHAO Yunlong1, CHEN Zhao2, DU Xueming1, WU Zhibo1

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute, Nanning 530029, China)

In order to reveal the diffusion law and consolidation effect in high pressure slurry of compaction grouting, the particle flow method was used to analyze the meso-mechanism of grouting in consideration of different grouting pressures, soil cohesion force and friction coefficient. With particle flow fish language, the grouting model was established, and the servo mechanism was used to apply different grouting pressures to simulate the grouting process. The results show that with the increase of grouting pressure, soil around the grouting point is compressed gradually, and the soil porosity becomes smaller. The soil within radius of 0.5 m around the grouting point is the most sensitive to the grouting pressure and deforms most rapidly. The additional stress of the soil around the grouting point increases with the increase of the grouting pressure. There is an optimum grouting pressure for a specific soil condition in practice. The cohesion force of soil particles has significant influence on the slurry diffusion. When the soil cohesion force is small, the radius of grouting bulbs increases with the increase of grouting pressure. When the soil cohesion force is big, grouting pressure has little effect of on the grouting bulb size. The effect of compaction grouting is undermined in this situation greatly. The friction coefficient of soil particles has little influence on the grouting performance.

compaction grouting; particle flow; meso-mechanism

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.026

U459.2

A

1672?7207(2017)02?0465?08

2016?02?08；

2016?04?12

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2015CB060200)；國家自然科學優秀青年基金資助項目(51322403)；廣西省交通廳項目(2015年)(Project(2015CB060200) supported by the National Basic Research Development Program(973 Program) of China; Project (51322403) supported by the National Natural Science Foundation for Outstanding Young Scientists of China; Project(2015) supported by Traffic Department of Guangxi Zhuang Autonomous Region)

周子龍，博士生導師，從事采礦與巖土工程災害防治研究；E-mail：zlzhou@csu.edu.cn