基于離散元模擬的注漿材料與混凝土界面剪切特性分析

中圖分類號：U454;TQ314.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0082-04

Analysis of shear characteristics of grouting material and concrete interface based on discrete element simulation

JIANG Yuke12，WANG Kaixuan3，LI Zhenyu4， SONG Longfei4

（1. CCCC Tunnel and Bridge（Nanjing）Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211800，China; 2.Tunnel Maintenance Technology Research Center，CCCC Infrastructure Maintenance Group Co.，Ltd.，Nanjing 211800，China;3. China Academy of Safety Science and Technology，Beijing 1Ooo12，China; 4.School of Water Conservancy and Transportation，Zhengzhou University，Zhengzhou 450o01，China）

Abstract：The interface between grouting material and tunnel segment concrete is easy to produce shear failure due to the influenceofload，dislocation，setlementandother factors.Inorderto studythe meso-process and mechanismof shear failure atthe interface between grouting material and concrete，the discrete element analysis method was used to set up 16 groups of working conditions for shear simulation，and the influence of normal stress and shear rateonthe shear characteristics of the interface was analyzed.The results showthat the shear process can be divided into elastic shear stage，plastic deformation stage，pre-peak transition stage and shear softening stage.With the increaseof shear rate，the shear strength of the interface decreases moreslowlyunder the same normal stress.At the same shear rate，the shear strength of the interface is approximately linear with the normal stress.

Key words： tunnel engineering;foamed polymer;discrete element simulation;shear strength

目前，注漿材料主要為聚氨酯、水泥漿液水泥-水玻璃類漿液[3和丙烯酸鹽4等，但受應(yīng)力松弛、管片錯臺等因素的影響，材料的防水性能大幅度下降5。針對此情況，一種膨脹率高、流動性好、反應(yīng)速率快的高聚物注漿材料在工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在宏觀方面展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。在高聚物注漿技術(shù)方面，部分學(xué)者采用理論模型和數(shù)值模擬對高聚物注漿材料的流動機理和擴散規(guī)律進(jìn)行了研究[8-1]。

國內(nèi)外學(xué)者采用離散元分析方法對節(jié)理巖石[12]土與結(jié)構(gòu)面[13、混凝土層間[4等結(jié)構(gòu)物的剪切行為進(jìn)行了研究，為層間剪切行為的模擬和破壞過程研究提供了大量方法和參考。然而，采用離散元分析方法對剪切行為進(jìn)行模擬研究的對象大多為混凝土、巖石和土顆粒等，對高聚物注漿材料本身或高聚物注漿材料與混凝土界面剪切行為模擬的研究鮮有報道。本文采用離散元分析方法建立高聚物注漿材料與混凝土界面粘接模型，內(nèi)部顆粒隨機分布，研究法向應(yīng)力o和剪切速率v對界面剪切特性的影響，為高聚物注漿材料解決隧道接縫滲漏水問題提供依據(jù)和參考。

1界面剪切試驗?zāi)M

1.1 數(shù)值模擬方案

由Wang等[15-6對高聚物注漿材料與混凝土界面剪切試驗結(jié)果可知，法向應(yīng)力對界面抗剪強度 有顯著影響，剪切速率對界面抗剪強度影響較小。為從數(shù)值模擬過程中更加清晰地總結(jié)高聚物注漿材料與混凝土界面在不同法向應(yīng)力和不同剪切速率下剪切破壞的變化規(guī)律，本文依據(jù)室內(nèi)剪切試驗結(jié)果以及相關(guān)研究結(jié)論，分別設(shè)置法向應(yīng)力為200、600、1000、1400kPa ，剪切速率為 0.4，0.8，1.2，1.6mm/h. 共計16組工況進(jìn)行剪切模擬。

1.2 數(shù)值模型建立

在模擬過程中常用的接觸模型有平行粘接模型、接觸粘接模型和線性接觸模型。參照夏洋洋和劉恒的研究[17-18]，高聚物注漿材料本身具有流動性，在發(fā)泡后與接觸物之間具有抗拉、抗壓及摩擦屬性，因此對高聚物注漿材料顆粒采用接觸粘接模型，對混凝土材料顆粒采用平行粘接模型。根據(jù)室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ停鑼?shù)值模型尺寸設(shè)置為 100mm （長） ×50mm （高）。首先，在離散元程序中定義wall為加載墻體，模擬試驗中剪切裝置和固定裝置，設(shè)置3號墻體和6號墻體分別為墊板和法向加載裝置，對模型施加法向應(yīng)力；設(shè)置1號墻體、2號墻體、4號墻體和5號墻體分別確定顆粒生成的區(qū)域，設(shè)置1號墻體為切向壓板，4號墻體為切向加載裝置；根據(jù)試件尺寸設(shè)定上部區(qū)域為高聚物顆粒，下部區(qū)域為混凝土顆粒。

1.3力學(xué)參數(shù)標(biāo)定

鑒于高聚物注漿材料與混凝土本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，通常需要輸入對應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。在數(shù)值模擬過程中，模型選取的顆粒尺寸過小，顆粒數(shù)量太多，會導(dǎo)致計算機運算時長增加。但顆粒最大直徑和最小直徑的比值選取合適，可減小顆粒尺寸對結(jié)果的影響。為減小計算量，最終確定高聚物顆粒尺寸在0.1～0.5mm 范圍內(nèi)均勻分布，混凝土顆粒尺寸在0.15～0.9mm 范圍內(nèi)均勻分布，顆粒共計4830個。

由室內(nèi)剪切試驗可以發(fā)現(xiàn)[15]，隨著高聚物密度的不斷增大，界面抗剪強度不斷增大。這是由于高聚物漿液逐漸發(fā)泡使體積不斷擴大，在有限空間內(nèi)向四周擴散，受到模具擠壓力等作用后與混凝土試件接觸并使兩者界面粘接更加緊密。參照室內(nèi)模型試驗得出的不同高聚物密度下 （0.25，0.5，0.75g/cm³） 界面粘接-滑移曲線，采用“試錯法\"對模型細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。最終將數(shù)值模擬所得的抗剪強度-剪切位移曲線與室內(nèi)模型試驗所得粘接-滑移曲線進(jìn)行對比，如圖1所示。

圖1試驗曲線與模擬曲線對比圖ig.1Comparison of test curveand simulation curve

由圖1可知，數(shù)值模擬所得到的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線與試驗過程所呈現(xiàn)的關(guān)系曲線基本吻合，故此模型參數(shù)可用來模擬高聚物-混凝土界面的剪切行為。高聚物-混凝土界面數(shù)值模型細(xì)觀參數(shù)如表1所示。

表1高聚物-混凝土界面數(shù)值模型細(xì)觀參數(shù)

Tab.1Mesoscopic parameters ofpolymer-concrete interfacenumericalmodel

2模擬結(jié)果與分析

2.1剪應(yīng)力-剪切位移曲線

不同剪切速率下剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖2所示。

由圖2可知，隨剪切位移 u 不斷增大，不同速率下剪應(yīng)力的增長過程具有相似規(guī)律，且峰值剪應(yīng)力即界面抗剪強度隨法向應(yīng)力的增大而增大。根據(jù)圖中曲線規(guī)律可將剪切過程大致分為彈性剪切階段、塑性變形階段、峰前過渡階段和剪切軟化階段。在彈性剪切階段，剪應(yīng)力-剪切位移曲線呈線性增長趨勢，表現(xiàn)為界面產(chǎn)生微小位移時，剪應(yīng)力迅速增大，此時顆粒之間處于緊密壓實狀態(tài)。由于法向應(yīng)力的作用，界面處顆粒之間接觸更加緊密，接觸面積增大，使接觸點應(yīng)力較為集中。在微小的剪切過程中，具有較強的抵抗作用。在塑性變形階段，剪應(yīng)力的增長速度明顯減緩。由曲線變化規(guī)律可看出，當(dāng)剪切位移達(dá)到 0.5mm 至 1mm 之間時，剪應(yīng)力出現(xiàn)短暫性急劇上升階段，此時界面處顆粒之間達(dá)到最大抗剪強度，出現(xiàn)斷觸現(xiàn)象，使粘接作用失效。宏觀層面表現(xiàn)為接觸面出現(xiàn)細(xì)微裂紋。在峰前過渡階段，剪應(yīng)力-剪切位移曲線出現(xiàn)小范圍波動，隨剪切位移增大，界面逐漸達(dá)到抗剪強度，但法向應(yīng)力越大，達(dá)到抗剪強度時剪切位移越大。在剪切軟化階段，剪應(yīng)力-剪切位移曲線迅速下降，接觸面發(fā)生破壞。此時，剪應(yīng)力主要由混凝土與高聚物的滑動摩擦力及混凝土粗糙界面對高聚物顆粒的咬合力組成。

2.2 剪切速率及法向應(yīng)力對界面抗剪強度的影響

為進(jìn)一步研究法向應(yīng)力及剪切速率對界面抗剪強度的影響，將剪切速率與界面抗剪強度關(guān)系曲線繪制于圖3，法向應(yīng)力與界面抗剪強度關(guān)系曲線繪制于圖4。

圖3剪切速率對界面抗剪強度的影響 Fig.3Theeffectof shearrate ontheinterfacialshearstrength

由圖3可知，界面抗剪強度在不同法向應(yīng)力水平下均隨剪切速率增大而減小，但減小速率呈現(xiàn)減緩趨勢。以法向應(yīng)力為 200kPa 為例，當(dāng)剪切速率由 0.4mm/h 增加到 0.8mm/h 時，界面抗剪強度由 1.253MPa 減小至 1.203MPa ，減小幅度為 4% ;而剪切速率由 1.2mm/h 增加到 1.6mm/h 時，界面抗剪強度由 1.178MPa 減小至1.166MPa，減小幅度為 1% O

由圖4可知，同一法向應(yīng)力下，剪切速率越高時對應(yīng)的抗剪強度值越接近，其差值均小于 0.03MPa 而 0.4mm/h 剪切速率下的抗剪強度值與 0.8mm/h 剪切速率下的抗剪強度值相差大于 0.05MPa ，由此可證明當(dāng)剪切速率大于 0.8mm/h 時，剪切速率對界面抗剪強度的影響愈加微弱。在同一剪切速率下，法向應(yīng)力對界面抗剪強度的影響較大，可近似認(rèn)為二者存在線性的關(guān)系。

2.3 接觸力分布對比

圖5和圖6分別為不同法向應(yīng)力下和不同剪切速率下模型接觸力分布云圖。

由圖5可知，當(dāng)法向應(yīng)力較小時，剪切完成后接觸力主要集中在界面附近，個別顆粒接觸力較大，且均勻分布在界面兩側(cè)。隨法向應(yīng)力增大，界面處顆粒之間接觸的比例較大，使粘接更加緊密，抗剪強度越大。由圖6可知，隨剪切速率增大，顆粒間接觸力作用逐漸由靠近剪切作用力一側(cè)向遠(yuǎn)離剪切作用力一側(cè)轉(zhuǎn)移，且逐漸減小。試驗中高聚物與混凝土界面并非光滑界面，且模擬過程中高聚物顆粒與混凝土顆粒隨機分布，故剪切面并非呈現(xiàn)光滑的直線。當(dāng)剪切速率較小時，界面處顆粒間實際接觸面積增加，即沿界面剪切面的凸起增加，這使剪應(yīng)力在凸起處的傳遞時間較為充分，增加受力顆粒的數(shù)量，增大抗剪強度。而剪切速率的增加將降低剪應(yīng)力傳遞作用，使顆粒承載力降低，進(jìn)而表現(xiàn)為抗剪強度減小。

圖5不同法向應(yīng)力下模型接觸力分布云圖Fig.5Thecontactforcedistributionclouddiagramofthemodelunderdifferentnormalstresses

圖6 不同剪切速率下模型接觸力分布云圖Fig.6 Thecontact forcedistributionclouddiagramofthemodelatdifferentshearrates

3結(jié)語

（1采用離散元分析方法建立的高聚物與混凝土界面粘接模型，與室內(nèi)試驗結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬的剪應(yīng)力-剪切位移曲線與室內(nèi)試驗的粘接-滑移曲線具有較高的吻合性，模型的參數(shù)能夠用來預(yù)測界面的抗剪強度；

（2設(shè)置不同法向應(yīng)力和不同剪切速率，模擬界面剪切行為，得到的剪應(yīng)力-剪切位移曲線大致分為彈性剪切階段、塑性變形階段、峰前過渡階段和剪切軟化階段；

（③）界面抗剪強度對剪切速率敏感性較弱，隨剪切速率增加，抗剪強度的增大幅度均在 4% 以內(nèi)；隨法向應(yīng)力增加，界面抗剪強度與法向應(yīng)力呈現(xiàn)線性增長關(guān)系；

（4）接觸力分布云圖清晰地展現(xiàn)出不同剪切速率下和不同法向應(yīng)力下模型顆粒之間作用力的分布情況。隨法向應(yīng)力增大，顆粒間接觸力由界面處向靠近高聚物一側(cè)集中，且越接近界面區(qū)域，接觸力越大；隨剪切速率增加，具有接觸力作用的顆粒逐漸減少，且在界面兩側(cè)均勻分布。

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