無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿機理離散元模擬研究

楊偉軍，張維鑫，朱臨瑞

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

現(xiàn)有施工中有大量軟弱復(fù)雜地基需要進行灌漿加固。灌漿技術(shù)以其施工設(shè)備簡單、工期短、施工中產(chǎn)生的損耗小及操作人數(shù)少等優(yōu)點，已成為中國水利、巖土、礦井、煤炭及交通等工程施工使用的一項重要技術(shù)[1-2]。

巖土材料因長期經(jīng)受地質(zhì)構(gòu)造的影響，與普通工程材料相比，其具有結(jié)構(gòu)非連續(xù)、不均勻及各向異性等特點，導致用基于唯象理論的傳統(tǒng)宏觀力學方法建立起來的有限元巖土材料模擬結(jié)果與實際情況存在著較大的偏差。Cundall[3]提出離散單元法，為針對具有不連續(xù)、非均質(zhì)、各項異性和非連續(xù)的巖體力學性能開展數(shù)值模擬提供了便利。劉振興[4]通過 TECPLOT后處理軟件對劈裂灌漿進行了數(shù)值模擬。宿輝[5]等人基于流固耦合原理，對砂性土層灌漿過程中顆粒接觸力的變化及漿液擴散規(guī)律進行了模擬。郭廣磊[6]運用PFC2D軟件，對黏土中壓力注漿動態(tài)過程進行了模擬。孫鋒[7]等人通過PFC2Dfish，建立流動方程和壓力方程，將不同灌漿壓力、不同土體性質(zhì)下的漿液壓力擴散分布和劈裂裂縫的發(fā)展情況進行了對比。張友葩[8]等人應(yīng)用FLAC3D軟件，針對注漿墻厚坡體的破壞狀態(tài)、不同位置的位移變化情況及坡體的整體穩(wěn)定性進行了模擬分析。區(qū)別于傳統(tǒng)的靜壓注漿和高壓旋噴灌漿，無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿技術(shù)是靜壓灌漿和高壓旋噴灌漿相結(jié)合產(chǎn)生的新型灌漿技術(shù)。由于灌漿過程深藏于地下，包含著滲透、擠密及擠劈等多種復(fù)雜的作用，裂縫的發(fā)生和發(fā)展無法直接觀測[9]。作者擬采用離散元顆粒流PFC2D軟件，對無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿過程進行細觀模擬，研究灌漿壓力和灌漿持續(xù)時間對灌注效果的影響。與現(xiàn)場鉆孔取芯試驗相結(jié)合，研究無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿技術(shù)的灌漿機理。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 砂性土顆粒細觀參數(shù)及邊界條件的確定

采用顆粒流PFC2D5.0軟件，建立砂性土地層的二維數(shù)值模擬模型。該模型為20 m×20 m的正方形，在顆粒模型中心以1 m為半徑，刪除圓內(nèi)部顆粒來模擬鉆具在砂性土層中鉆灌形成的孔洞，通過控制 P-given參數(shù)來控制灌漿壓力。土體顆粒為理想圓形顆粒狀，顆粒半徑服從均勻分布。顆粒的細觀參數(shù)為：顆粒半徑≥0.35 m；粒徑比1.66；顆粒密度2 750 kg/m3；平行粘結(jié)模量15×109Pa；摩擦系數(shù)0.1；法向接觸粘結(jié)強度20×106Pa；切向接觸粘結(jié)強度20×106Pa。被灌地層原狀土體離鉆孔較遠邊界位置的土體因不受灌注擾動，不會發(fā)生移動、旋轉(zhuǎn)，因此可將該模型建成四面墻體，且將墻體四周邊界顆粒設(shè)為固定，不會發(fā)生轉(zhuǎn)動或者線性移動，上、下邊界設(shè)置為不透水層。

選取接觸粘結(jié)模型來模擬顆粒間沒有明顯粘結(jié)力的砂性土材料，該模型的強度由切向粘結(jié)強度和法向粘結(jié)強度來共同掌控。

1.2 流固耦合的實現(xiàn)

巖土體的水力劈裂及灌漿過程是滲流場與應(yīng)力場的流固耦合過程[10]。該模型通過引入流體“域”和流體“管道”來模擬流體作用，如圖1所示。流體“域”為一組黑色顆粒，通過指針將所有“域”互相聯(lián)系起來。其體積的大小與周圍通道間隙的大小和數(shù)量有關(guān)，“域”中的壓力隨著耦合計算的進行不斷變化，并以體積力的形式不斷施加至各顆粒上，以此形成耦合機制。用位于顆粒接觸處且相切于2個顆粒的黑色“管道”來模擬固體顆粒中流體的水流通道，通道間隙的大小與顆粒間相互接觸的法向位移成正比，顆粒的連接破壞和位移直接影響到通道間隙。流體管道相當于一個平板通道，通道長度為 L，孔徑為 a。單位厚度在垂直平面方向上管道內(nèi)的流量[11]為：

式中：q為單位時間體積內(nèi)平板縫隙內(nèi)的流量；Kf為縫隙內(nèi)的水力傳導系數(shù)；Q2-Q1為相鄰兩個流體域的壓力差。

實現(xiàn)流固耦合的步驟為：①設(shè)置滲流狀態(tài)。通過接觸的張開與閉合或接觸力的變化，實現(xiàn)通道間隙的變化。②設(shè)置應(yīng)力狀態(tài)。通過改變區(qū)域的力學特性來改變其中的壓力。③設(shè)置細觀耦合力。區(qū)域孔隙壓力對其周邊土顆粒有推移作用。在計算流體對顆粒的作用時，流體對顆粒的作用力是以流體域為單位進行計算的。在此流體域內(nèi)的顆粒受到的流體作用力等于流體域內(nèi)壓力與顆粒顯露于流體域內(nèi)面積的乘積。反之，顆粒也會影響流體的流速，從而實現(xiàn)流固耦合。

圖1 流固耦合示意Fig. 1 Schematic diagram of fluid solid coupling

流體域細觀參數(shù)為：水頭壓力1.0×106Pa；滲透系數(shù)1.0×10-5；域的表觀體積1.0 mm3；一個域的管道數(shù)量2個；傳導系數(shù)1.0×10-5m/s；流體域體積模量1.0×106kPa；管道直徑1.0 mm；時間步長 1.0×10-2s。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 灌漿壓力對水力劈裂的影響分析

采用顆粒流模擬砂性土層中的灌漿過程，分別施加低壓3 MPa、高壓20 MPa和9 MPa 3種壓力并將其結(jié)果進行對比。從細觀層面觀察裂縫的發(fā)生、發(fā)展，對灌漿持續(xù)時間和灌漿壓力的影響規(guī)律進行了分析。

隨著時間的增長，中心孔向外不斷輸出恒定灌漿壓力。由于地層土顆粒的不均勻性和物理力學性質(zhì)的差異，因此土體的劈裂點為隨機產(chǎn)生的薄弱點處。在20 MPa灌漿壓力作用下，裂隙發(fā)育狀態(tài)如圖2所示。

圖2 在20 MPa灌漿壓力作用下的裂隙發(fā)育狀態(tài)Fig. 2 Crack development of 20 MPa grouting pressure

在3 MPa灌漿壓力作用下，前期未產(chǎn)生出明顯的劈裂裂縫產(chǎn)生，12 s后有一微小極短的裂縫在灌漿孔邊緣出現(xiàn)。

在9 MPa灌漿壓力作用下，3 s時距離灌漿孔前端出現(xiàn)裂縫。隨著作用時間的增加，漿脈向外延伸，灌漿范圍逐漸增大，第一條主裂縫逐漸清晰并在側(cè)枝有第二條裂縫產(chǎn)生的趨勢，最終裂縫定格在“X型”狀態(tài)。

在20 MPa灌漿壓力作用下，開始時灌漿孔周圍已經(jīng)出現(xiàn)密集的劈裂裂縫，裂縫發(fā)展迅速且突然，后期模型對角線方向大量的裂縫連接、貫通形成粗壯的大型裂縫。

土顆粒間初始應(yīng)力為0 MPa，不同灌漿壓力作用下的土體應(yīng)力如圖3所示。施加低壓時，模型應(yīng)力除孔口應(yīng)力稍大外，整體分布較為均勻，灌漿壓力主要用來克服土顆粒間的粘結(jié)強度；施加高壓時，拉應(yīng)力從灌漿孔向外呈現(xiàn)遞減趨勢且最大應(yīng)力以“X型”狀態(tài)分布，約在四邊中點位置處土顆粒的拉應(yīng)力出現(xiàn)負值，此處的土顆粒處于受擠壓狀態(tài)。

圖3 不同灌漿壓力作用下的土體應(yīng)力Fig. 3 Stress diagram of soil under different grouting pressures

灌漿壓力和灌漿持續(xù)時間將是影響裂隙程度和灌漿范圍的重要因素。灌漿持續(xù)時間由旋轉(zhuǎn)速度和提升速度控制，因此，在設(shè)計固結(jié)樁體尺寸時，應(yīng)合理設(shè)置旋噴速度、提升速度和灌漿壓力。灌漿壓力越大，高壓射流的能量和流速越大，高壓射流的破壞能力越強，灌漿作用的范圍越大。但若灌漿壓力過大，則影響灌漿效果。灌漿持續(xù)時間過短，裂隙發(fā)育程度低，固結(jié)體成型不佳，灌漿作用的范圍變小，樁體尺寸達不到設(shè)計要求。若灌漿持續(xù)時間過大，過量的漿液滯留在土體內(nèi)，造成返漿、冒漿，浪費資源，增加成本，嚴重的將引發(fā)地面抬動等不良狀況。

2.2 灌漿壓力對孔隙率的影響分析

在3 MPa和20 MPa灌漿壓力的作用下采用無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿技術(shù)時孔隙率的變化分別如圖4所示。

圖4 在不同灌漿壓力作用下的孔隙率變化曲線Fig. 4 Porosity change of different grouting pressures

在3 MPa灌漿壓力作用下，土體首先被壓縮，孔隙率降低。隨后，漿液隨壓力滲透到孔壁土體內(nèi)部，孔壁土體開始吸收一部分漿液中置換出的原狀土體內(nèi)部的空氣和自由水，孔隙率有所上升。滲透作用所產(chǎn)生的漿液置換出的空氣和自由水的量很小，孔隙率上升得并不顯著。若繼續(xù)施加灌漿壓力，漿液的流動性會變小，漿液所遇到的阻力不斷增大，漿液在流動過程中壓力損失逐漸增大。當滲透作用進行到一定深度時，漿液所受阻力逐漸趨于某一穩(wěn)定值，漿液的滲透作用即停止，孔隙率保持平穩(wěn)不再上升。整個低壓灌漿過程以擠密和滲透作用為主。

在20 MPa高壓灌漿壓力下，漿液通過漿泡對土體孔隙等部位起到壓密作用，土顆粒出現(xiàn)背離灌漿孔的位移，迫使一定區(qū)域內(nèi)土體被擠密，砂性土顆粒被急劇壓縮，孔隙率快速減小。但當灌漿壓力較大、漿液能量大于土體結(jié)構(gòu)強度臨界值時，在地層接觸張力較大的土顆粒連接處會產(chǎn)生剪切力，使土體產(chǎn)生水力劈裂，漿液沿著軟弱面進行劈裂流動。裂縫快速發(fā)生、發(fā)展，漿液隨劈裂裂縫進入土體內(nèi)部，土體的空間置換率加大，孔隙率逐漸增大，孔隙率曲線回升。隨著作用時間繼續(xù)增長，孔隙率繼續(xù)增大，曲線陡峭。整個高壓灌漿前期出現(xiàn)“高壓擠密”作用，后期以“高壓擠劈”作用為主。

2.3 孔壓變化分析

不同灌漿壓力作用下的孔壓變化曲線如圖5所示。X方向孔壓(孔壓變化與設(shè)定的監(jiān)測指針方向相反，呈現(xiàn)負值變化)曲線分為3個部分：①孔壓增加階段；②孔壓調(diào)整階段；③孔壓穩(wěn)定階段。

圖5 不同灌漿壓力作用下的孔壓變化曲線Fig. 5 Variation of pore pressure under different grouting pressures

從圖5中可以看出，3種灌漿壓力都有明顯的增長階段，壓力越大的孔壓增長段越長。低壓下曲線很快進入水平階段。表明：后期隨著灌漿時間的增長，土顆粒受到擾動之后進行應(yīng)力調(diào)整，微整后在新的位置達到平衡狀態(tài)，漿液對土體的作用不再進一步發(fā)生。而高壓下曲線后段雖走勢不再增長，但一直維持水平震蕩狀態(tài)。表明：在強灌漿壓力作用下，土顆粒發(fā)生了較大的位移，原始結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞、失穩(wěn)，孔壓在短期內(nèi)很難達到一個穩(wěn)定的數(shù)值。

由波動段可知：灌漿壓力愈小的土體孔壓曲線回升較大，土體回彈及漿液回流現(xiàn)象愈明顯。在灌漿過程中，應(yīng)注意監(jiān)測孔內(nèi)應(yīng)力的變化。這樣，既能取得良好的灌注效果又能防止灌漿壓力過大引起的土體失穩(wěn)及地面抬動。在灌漿結(jié)束后，不要立即停止灌漿，應(yīng)適當延長灌漿循環(huán)，使?jié){液在施壓狀態(tài)下持續(xù)一段時間，做好孔口封閉工作，防止遠端漿液向孔內(nèi)回流。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

湖南某防洪堤修建于20世紀50～80年代。現(xiàn)狀堤頂高程為36.0～37.3 m，堤基高程約為29.0 m。2017年洪水過后，需對以往老舊擋墻和擬建建筑基礎(chǔ)進行防滲加固處理。由于其特殊的地理位置，決定引進無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿技術(shù)作為該工程基礎(chǔ)。該防滲加固灌漿處理技術(shù)為：自上而下采用脈沖量≤0.2 L/沖次、脈沖壓≤3 MPa進行鉆灌固孔。自下而上采用≥20 MPa的噴擠壓力進行高壓旋噴，噴擠灌入量250 L/段(1.0 m)。該工程地層結(jié)構(gòu)為：①填土，由建筑垃圾碎磚塊碎瓦片、煤渣、黏性土、砂礫石以及樹根等物質(zhì)無規(guī)律雜亂堆積，未經(jīng)分層碾壓密實；②黏性土，為沖擊堆積物，中黏性土、粉質(zhì)黏土和局部黏土質(zhì)粉土組成，有時為較純的黃色、淺黃色或褐黃色黏性土，有時含淤泥質(zhì)而呈灰褐色或淺灰黑色；③砂礫層，本區(qū)域砂礫層沉積無規(guī)律粒徑變化較大，有細砂、中砂、粗砂、砂礫以及圓礫等幾種砂和碎石土，層位不穩(wěn)定，多呈現(xiàn)透鏡體狀產(chǎn)出。

3.2 灌漿效果檢測

在成樁28 d后，選取K0-506.600～K0-508.800與K0-510.800～K0-513.000區(qū)段間樁進行樁頭開挖和取芯檢測，測量觀察固結(jié)體的外觀性狀及質(zhì)量，同時，測量樁身直徑。樁頭的開挖及組成如圖6所示。系統(tǒng)、定量地分析樁身的均勻性有助于進一步認識樁體的構(gòu)成情況與破土機理[12]。

圖6 樁頭開挖及組成Fig. 6 Excavation and composition of the pile head

中心位置處水泥含量均勻，交接良好。芯樣呈短柱狀，成型良好，向外的水泥漿液占比逐漸減少，取芯顯示出水泥漿液與土體顆粒的混合固結(jié)體，此部分為高分水泥漿液對土體沖切摻攪作用的結(jié)果。25 cm處水泥漿液含量減少，芯樣呈短柱狀，局部未成型，此部分為高壓噴射漿液對土體擠密、劈裂作用的結(jié)果。樁徑在650～900 mm之間，旋噴樁整體質(zhì)量良好，水泥漿液與土顆粒膠結(jié)良好。固結(jié)體中土顆粒占 50%～60%，原有土體與灌漿漿液均對固結(jié)體強度具有很大的影響。現(xiàn)場試驗測得：在黏性土中，形成的固結(jié)體無側(cè)限抗壓強度為1～5 MPa；在砂性土中，形成的固結(jié)體無側(cè)限抗壓強度為 5～15 MPa。

3.3 無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿原理分析

用無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿新技術(shù)進行松軟地層防滲或加固灌漿時，全孔采用脈沖壓≤3 MPa漿液鉆灌一體灌漿工藝對松軟地層全孔進行鉆灌，漿液滲透擠密孔壁土體，達到防滲和提高土體黏聚力的效果，后續(xù)高壓旋噴灌漿局部自封并起到固壁作用，防止塌孔。到達設(shè)計深度后進行高壓旋噴灌漿，距離灌漿孔近處噴射速度和能量較高。當脈沖動壓大于土體結(jié)構(gòu)的破壞極限時，土體結(jié)構(gòu)受到噴射動壓、沖擊力、脈動負壓及空穴效應(yīng)等共同作用，產(chǎn)生凹陷并沖散，與灌漿材料混合并到達高壓噴射流中，對松軟地層進行高壓噴射沖切摻攪灌注。距離灌漿孔遠端的漿液動壓和速度逐漸衰減，遠端軸向動壓遠小于噴嘴處原始動壓，其能量衰減巨大。漿液與旋噴機具形成活塞密封效應(yīng)，沿著高壓噴射流方向仍能產(chǎn)生較大的壓力，在軟弱破裂面處產(chǎn)生剪切力，對松軟地層復(fù)合進行高壓擠密和高壓劈裂灌注。

在無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿中，為了能夠準確確定灌漿設(shè)計施工參數(shù)，經(jīng)模型計算與工程應(yīng)用分析，得到影響固結(jié)體尺寸的因素有：①高速水噴流的噴射壓力；②噴嘴的提升速度；③噴嘴的旋轉(zhuǎn)速度；④地質(zhì)材料的物理力學性質(zhì)等。

4 結(jié)論

基于二維離散元顆粒流數(shù)值模擬，建立灌漿模型，分別對比不同灌漿壓力和灌漿持續(xù)時間下灌漿裂縫的發(fā)生、發(fā)育程度，結(jié)合工程實踐研究，得出的結(jié)論為：

1) 采用離散元 PFC2D軟件進行砂性土灌漿細觀模擬，在恒定灌漿壓力下，拉應(yīng)力在土顆粒中呈“X型”分布，對角線之間呈現(xiàn)較大的壓應(yīng)力。灌漿孔周圍的應(yīng)力最大，漿脈密集，由灌漿孔向外。隨著應(yīng)力的減小，漿脈逐漸變細。當應(yīng)力小于顆粒間的法向粘結(jié)強度和切向粘結(jié)強度時，劈裂結(jié)束。

2) 灌漿持續(xù)時間的長短和灌漿壓力的大小決定了裂隙發(fā)育程度和灌漿范圍的差異。在灌漿過程中，應(yīng)注意監(jiān)測灌漿壓力。在灌漿結(jié)束后，不要立即停止灌漿，使?jié){液在壓力狀態(tài)下維持一段時間，并做好封口裝置。

3) 結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場取芯試驗，得出無返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿機理為：鉆灌一體階段漿液滲透并壓密土體，起到固壁作用，防止塌孔；在高壓噴射階段，漿液在高壓沖切摻攪、高壓擠密以及高壓擠劈作用下破土成樁，所形成的水泥土摻攪體、高壓擠擴體及高壓擠劈體等復(fù)合灌漿固結(jié)體的質(zhì)量均勻且成型良好。

地層水環(huán)境與水壓對灌漿機理的影響、不同的地層的對應(yīng)灌漿壓力還有待作者后續(xù)進行深入研究。