劈裂注漿加固土體的數值模擬和試驗研究

朱明聽，張慶松，李術才，劉人太，張連震

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劈裂注漿加固土體的數值模擬和試驗研究

朱明聽，張慶松，李術才，劉人太，張連震

(山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南，250061)

針對目前有關土體劈裂注漿加固機理方面的研究，并未區分注漿擠密作用、漿脈骨架作用對于土體強度影響的問題，通過三軸壓縮數值分析與室內試驗研究注漿擠密作用和漿脈骨架作用對被注土體黏聚力、內摩擦角及在不同圍壓條件下的壓縮強度及變形的影響規律，獲得土體劈裂注漿加固效果的主控因素。研究結果表明：漿脈嵌入土體內部，破壞了土體的完整性及非均質性，且土體與漿脈的力學性質差異性較大，當兩者發生較大相對位移時，將導致顯著的非協調變形；漿脈邊緣存在應力集中，首先出現破壞并逐漸向土周邊發展，最終相互搭接形成宏觀破壞面；注漿擠密作用是提高土體強度的主控因素，限制液擴散范圍，提高注漿壓力，強化注漿擠密作用是保證注漿加固效果的關鍵。

土體加固；注漿擠密作用；漿脈骨架作用；三軸壓縮；數值分析

在隧道掘進、礦山開挖及水利水電工程建設過程中經常會遭遇土質地層。由于土質地層往往具有強度低、遇水弱化等不良性質，在工程擾動作用下極易發生圍巖坍塌失穩、突水涌泥等災害，嚴重時形成較大工程事故，致使工程停滯，造成較大的經濟損失[1?4]。實踐表明，劈裂注漿是地下工程中土體加固的最有效手段之一。國內外研究者對漿液擴散模式、注漿壓力、注漿材料及注漿量等參數均進行了大量研究與探 討[5?8]。目前，注漿技術及其施工工藝已較為成熟，并且有很多成功的實例，但有關劈裂注漿加固機理方面的研究多是定性結論，并未明確給出注漿加固主控因素[9?12]。劈裂注漿對土體的加固作用可概括為以下2點[13?18]：一是漿脈相互搭接并形成漿脈骨架網絡，對于周邊土體起到骨架支撐作用；二是土體在注漿壓力擠密作用下，自身強度提高。在漿液凝固前，漿液在注漿壓力作用下劈裂土體，注入土體內部，這在一定程度上破壞了土體的原始結構，降低了土體強度；在漿液凝固后，漿脈骨架對于土體變形具有一定的限制作用，這在一定程度上增強了土體強度：漿脈骨架作用對土體強度的影響由上述2個方面的因素綜合決定。在土力學研究領域，人們針對土體的抗剪強度(內摩擦角、黏聚力)與土體的密度、含水率之間的關系開展了較多研究。許旭堂等[19?21]的研究結果表明：隨著土體密度增大，其黏聚力與內摩擦角增大；隨著土體含水率減小，其黏聚力與內摩擦角均增大。注漿加固機理是注漿參數設計的關鍵理論依據，直接影響到注漿工程量、注漿工期及注漿加固效果。若將漿脈骨架作用作為注漿參數設計的依據，宜選用低黏度漿液，從而在較低注漿壓力下獲得較大漿液擴散范圍；若將注漿擠密作用作為注漿參數設計的依據，宜選用黏度較大的漿液，從而在限制漿液擴散范圍的條件下獲得較高注漿壓力。由于注漿加固效果的主控因素不明確，因此在生產實踐中土體劈裂注漿加固參數設計多是基于工程經驗，往往導致注漿參數的設計針對性較差，注漿效果不易保證，經濟性較差。針對上述問題，本文作者采用數值三軸壓縮分析與室內三軸壓縮試驗相結合的方法，研究土體自身強度、漿脈空間分布對于試樣抗壓強度及變形特征的影響規律，獲得土體劈裂注漿加固效果的主控因素。

1 漿脈空間分布特征分析

水泥作為注漿材料具有結石體強度高、抗滲性好、材料來源豐富、價格低廉、注漿工藝簡單、漿液無毒等優點，現已成為土體注漿加固工程中應用最為廣泛的注漿材料。水泥的最大粒徑變化范圍為60~100 μm，比表面積為幾百至3 000 cm2，就這種粒徑而言，水泥基漿液難以通過滲入進入土體，主要通過劈裂方式進入土體。大量的土質地層注漿實踐表明，水泥漿液在土體內主要以劈裂方式進行擴散[22]。圖1所示為江西省蓮花縣永蓮隧道F2斷層破碎帶注漿工程開挖揭露漿脈。由圖1可知：漿脈與土體層面清晰，難以觀察到漿液滲透現象。

圖1 實際工程揭露漿脈

圖2 漿脈空間分布示意圖

2 注漿加固機理數值分析

采用有限差分軟件FLAC3D及摩爾?庫侖準則分析土體試樣(試樣中無漿脈分布)及漿脈試樣(試樣中分布漿脈)在不同圍壓條件下的強度和變形的影響規律以及漿脈骨架作用對于土體內摩擦角、黏聚力的影響。

2.1 數值分析原理

在土體力學參數相同條件下，對比分析土體試樣與漿脈試樣的強度及變形特征，獲得漿脈骨架作用對于注漿加固效果及土體內摩擦角、黏聚力的影響。在漿脈空間分布相同條件下，分析土體力學參數對于漿脈試樣的強度及變形特征的影響，獲得注漿擠密作用對于注漿加固效果的影響。

2.2 漿脈與土體相互作用分析

在漿液固化過程中，漿液與土體接觸交界處發生的化學反應如下：漿液中多余的Ca2+與土體中的Na+發生交換；漿液中多余的硅酸離子與土體中數目較多的鈣和鎂等交換性陽離子反應，生成難溶性或不溶性硅酸鹽。為此可將注漿加固土體劃分為土體、漿脈及漿?土過渡區這3種單元。漿脈與土體通過漿?土過渡區相互作用。為了模擬漿脈與土體之間的相互作用，將漿?土過渡區等效為數學模型[23?24]，如圖3所示。其中：S為Coulomb滑塊；s為剪切剛度；s為抗拉強度；n為法向剛度。

圖3 漿?土過渡區計算模型

2.3 計算參數

2.3.1 土體及漿脈力學參數

隨著漿液持續注入，注漿壓力持續升高，注漿擠密作用逐漸增強，土體干密實度增大、含水率降低。當土體干密度增加時，土顆粒之間相互作用力增強，促使土體強度提高；當土體含水率降低時，土的基質吸力及土顆粒之間的黏接作用力增大，促使強度提 高[19?21]。依據土體壓縮模量，土體可劃分為低壓縮土(s＞15 MPa)、中壓縮土(4 MPa＜s＜15 MPa)及高壓縮土(s＜4 MPa)[25]。由于壓縮模量與土體的擠密程度密切相關，因此土體壓縮性可表征土體注漿擠密程度。漿脈及不同注漿擠密程度土體的計算參數如表1所示。

2.3.2 漿?土過渡區力學參數

漿?土過渡區黏聚力、內摩擦角及抗拉強度介于其兩側土體與漿脈之間。由于剪切破壞、拉破壞發生在抗剪強度最小、抗拉強度最小處，因此，漿?土過渡區黏聚力、內摩擦角及抗拉強度均取最小值，即與土體相同，其余參數均取經驗值。漿?土過渡區計算參數如表2所示。

2.3.3 計算模型及邊界條件

計算模型為直徑為50 cm，高度為100 cm的圓柱體，其內部分布8條漿脈，漿脈空間分布示意圖如圖4所示。單條漿脈長×寬×厚度為3 cm×3 cm× 0.3 cm。漿脈空間分布較為均勻，漿脈體積率為10.4%，可較好地表征漿脈分布較為理想的注漿加固土體。計算模型頂面與底面為速度邊界，每一計算時步位移為10?7m，側面為壓力邊界(施加圍壓)。

表1 土體與漿脈計算參數

注：JM為漿脈；DYS為低壓縮性土體；ZYS為中壓縮性土體；GYS為高壓縮性土體。

表2 漿?土過渡區計算參數

圖4 漿脈空間分布示意圖

2.4 試驗結果分析

2.4.1 應力?應變分析

由圖5可知：土體試樣與漿脈試樣應力差異隨應變增大而逐漸增大，這說明隨著應變增大，漿脈骨架作用對于土體強度影響逐漸增加；土體試樣與漿脈試樣強度較為接近，且均隨土體壓縮性降低而提高，這說明注漿擠密作用可顯著提高試樣強度，漿脈骨架作用對其影響較小。經分析，其原因如下：1) 漿脈嵌入土體內部，這在一定程度上破壞了土體的完整性及均質性，且土體與漿脈力學參數差異顯著，其非協調變形隨漿脈試樣變形增大而增大；2) 在荷載作用下，漿脈邊緣存在較大的集中應力，故漿脈邊緣首先產生破壞并逐步向周邊發展，逐漸形成宏觀破壞面，最終導致漿脈試樣整體性破壞。

2.4.2 峰值抗壓強度及抗剪參數分析

表3所示為漿脈試樣在不同圍壓條件下的峰值抗壓強度。通過表3中的數據繪制一系列摩爾應力圓可得到漿脈試樣黏聚力及內摩擦角，土體試樣與漿脈試樣抗剪強度參數如表4所示。

σ3/kPa：(a) 100；(b) 200；(c) 300

表3 漿脈試樣峰值強度

表4 土體試樣與漿脈試樣抗剪強度參數

由表4可知：漿脈骨架作用可提高土體黏聚力，減小其內摩擦角。經分析其原因為：漿脈骨架對于周邊土體變形具有一定的限制作用，當剪切面兩側土體具有相對滑動的趨勢時其初始滑動阻力增大，故脈骨架作用可提高土體黏聚力；漿脈嵌入土體內部，這在一定程度上破壞了土體的完整性及均質性且土體與漿脈的力學參數具有顯著差異性，當剪切面兩側土體相對滑動時具有相互分離的趨勢，相當于減小了剪切面接觸面積，故漿脈脈骨架作用導致土體內摩擦角減小。

2.4.3 軸向應變?橫向應變曲線分析

2.4.4 塑性區分析

圖7(a)~(c)與圖7(d)~(f)所示分別為土體試樣與漿脈試樣塑形區演化過程。由圖7(a)~(c)可知：土體試樣塑性區由周邊向內部發展。由圖7(d)~(f)可知：漿脈邊緣首先出現塑性區，隨著荷載的增加逐漸向土體內部發展，最終相互搭接形成宏觀破壞面。這說明漿脈邊緣存在較大集中應力，故漿脈邊緣首先破壞。

3 注漿加固機理室內試驗驗證

3.1 試樣制作

試樣取自江西省蓮花縣永蓮隧道F2斷層破碎帶注漿工程，將采集來的圍巖取芯、加工成直徑為50 mm、高度為100 mm的標準圓柱體試樣，如圖8所示。所有的試樣均取自同一條漿脈周邊，以保證土體自身力學參數較為一致。

σ3/kPa：(a) 100；(b) 200；(c) 300

(a)~(c)土體試樣塑性區演過過程；(d)~(f) 漿脈試樣塑性區演化過程

Fig, 7 Evolution process of plastic zone of specimens

圖8 三軸壓縮試樣

3.2 永蓮隧道F2斷層破碎帶注漿工程概況

永蓮隧道為分離式隧道，長約 2 500 m，穿越F2及多條次生斷層，其影響范圍內為全風化的頁巖夾強風化砂巖孤石，巖體結構破碎松散，基本無自穩能力，加之斷層內補給水源豐富，具有承壓水特征，揭露后涌水、涌泥量大。2012?07?02—2012?08?19，鐘家山隧道進口左洞共發生 8 次大規模突水、突泥，累計涌出淤泥約 17 000 m3，嚴重影響了隧道正常施工。針對永蓮隧道突泥和塌方情況及F2斷層地質特點分析，采用帷幕注漿治理與塌穴塌腔充填相結合的綜合治理方法。永蓮隧道原狀土基本物理參數如表5所示。

3.3 測試方法

試驗設備采用山東大學和長春朝陽壓力機廠聯合研制的多功能巖石三軸儀。首先施加圍壓，然后采用軸向位移控制方式進行加載，加載速率為0.5 mm/min，加載期間實時記錄軸向應力、圍壓、軸向位移和徑向位移。

表5 永蓮隧道原狀土基本物理參數

3.4 應力?應變曲線分析

圖 9所示為土體試樣與漿脈試樣分別在圍壓為100，200，300 kPa時的三軸壓縮應力?應變曲線。由圖9可知：土體試樣與漿脈試樣應力差異性隨應變增大而增加；土體試樣與漿脈試樣強度較為接近，這與數值分析結果相吻合。

σ3/kPa：(a) 100；(b) 200；(c) 300

土體試樣均呈現應變硬化現象，而漿脈試樣在圍壓為100 kPa時呈現應變硬化現象，200 kPa與300 kPa時呈現應變軟化特征。考慮到土體本構關系極其復雜且室內三軸壓縮試驗受到加載條件、漿脈空間分布等因素影響，而數值分析采用理想化的彈塑性土體本構模型及加載條件，故雖然通過數值分析獲得的三軸壓縮應力?應變曲線與室內試驗獲得三軸壓縮應力?應變曲線存在差異，但均能反映漿脈骨架作用試樣強度的影響。

3.5 峰值抗壓強度及抗剪參數分析

由于土體試樣具有硬化特征，故將其由彈性變形向塑性變形轉變時的應力作為峰值抗壓強度。表6所示為土體試樣與漿脈試樣在不同圍壓條件下的峰值抗壓強度。通過表6中的數據繪制一系列摩爾應力圓可得出土體試樣與漿脈試樣黏聚力及內摩擦角，如表7所示。

表6 土體試樣與漿脈試樣峰值抗壓強度

表7 土體試樣與漿脈試樣抗剪強度參數

由表7可知：漿脈試樣黏聚力大于土體試樣黏聚力，而其內摩擦角小于土體試樣內摩擦角。由此可見，漿脈骨架作用可提高土體黏聚力，降低其內摩擦角，這與數值分析結果較吻合。

4 結論

1) 漿脈邊緣存在應力集中現象，首先發生破壞并向周邊發展，最終形成宏觀破壞面。

2) 漿脈嵌入土體內部，這在一定程度上破壞了土體的完整性及均質性且兩者力學性質差異顯著，當兩者發生相對位移時，將出現較大的非協調變形。

3) 漿脈骨架作用可提高土體黏聚力，降低土體內摩擦角，但不能顯著提高注漿加固土體強度。

4) 注漿擠密作用是土體注漿加固效果的主控因素，限制液擴散范圍，提高注漿壓力，強化注漿擠密作用是保證土體注漿加固效果的關鍵。

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(編輯 伍錦花)

Numerical simulation and experimental study on soil split grouting reinforcement mechanism

ZHU Mingting, ZHANG Qingsong, LI Shucai, LIU Rentai, ZHANG Lianzhen

(Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China)

Considering that current research of soil split grouting reinforcement mechanism does not clearly distinguish between grouting compaction effect and slurry vein skeleton effect on soil strength, the effects of grouting compaction and slurry vein skeleton on cohesion, internal friction angle, compressive strength and deformation properties of soil under different confining pressures were studied by numerical analysis and laboratory tests. Hereby, main controlling factor affecting split grouting reinforcement and calculation method of grouting quantity was obtained. The results show that the embedded slurry vein destroys the soil integrity and heterogeneity. Since the mechanical properties between soil and slurry vein are significantly different, a large non-coordinated deformation occurs when the relative displacement is large. Due to the stress concentration, the plastic deformations first appear on slurry vein edges, then extends to the soil gradually, and the macro shear surface is formed when plastic deformations overlap each other. Grouting compaction effect is the main controlling factor, and controlling the grouting slurry distance, reaching the grouting engineering quantity, strengthening the grouting compaction effect are key factors to ensure the effect of grouting reinforcement.

soil reinforcement; grouting compaction; slurry vein skeleton; three axis compression; numerical analysis

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.024

U445.55+2

A

1672?7207(2018)05?1213?08

2017?05?23；

2017?06?29

國家重點研發計劃(2016YFC0801600)；國家自然科學基金資助項目(41272385)；國家青年科學基金資助項目(51309146) (Project(2016YFC0801600) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(41272385) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(51309146) supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China)

張慶松，博士，教授，從事地下工程災害防止方面研究；E-mail: zhangqingsong@sdu.edu.cn