土体劈裂注浆的细观机理研究

蔡宁生

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

土体劈裂注浆的细观机理研究

蔡宁生

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029)

为了揭示劈裂注浆的作用机理，文章基于散体理论的颗粒流方法，采用PFC2D软件分析了不同注浆压力作用下注浆过程中劈裂缝的产生以及浆液的扩散规律。运用PFC2D内置的fish语言，建立注浆的复杂模型，通过伺服控制施加注浆压力从而模拟劈裂注浆。模拟结果表明：随着注浆时间的增加，土体首先在竖直方向上出现劈裂缝，然后发生水平方向的二次劈裂；当注浆压力为0.2～0.5MPa时，土体的劈裂主要发生在半径1.0m范围内；注浆压力>0.7MPa时，土体劈裂的范围达到半径1.5m。

土体；劈裂注浆；PFC2D；颗粒流；细观力学模拟；机理；研究

0 引言

注浆技术是岩土工程中一种极为重要的施工方法，由于其可以局部施作，显示出巨大的施工和成本优势而被应用到矿山充填，巷道围岩维护，公路路基的处理等[1-3]各个方面，注浆技术尤其是高压注浆技术在岩土工程中的应用越来越广[4-5]，因而，对压力注浆土体改性机制的研究是一个非常重要而又具有实际意义的课题。

一些学者已经从数值模拟和试验方面对劈裂注浆做了相关的研究，如吴顺川、孙峰[6-7]等对压力注浆进行了细观模拟，对注浆方法从微观上进行了合理解释；巨建勋等[8]建立了压密注浆的柱形扩散模型，并采用有限元的方法对压密注浆的作用机理进行模拟，得到浆液的扩散半径以及极限注浆压力的变化规律。但采用传统的有限元模拟流体[9-11]侧重于注浆效果的模拟，不能研究注浆过程中浆液的动态扩散以及劈裂缝的产生和发展。基于散体介质理论的离散元法作为一种新型的研究方法为研究劈裂注浆过程提供了新的思路，可以将浆液假设为由无数细小颗粒组成，在一定的压力作用下可以发生流动并与土体发生相互作用，从而模拟浆体进入土体并发生劈裂的作用。

通过采用离散元仿真软件PFC2D，可以分析不同注浆压力条件下浆液在土体中的动态扩散过程以及注浆过程中劈裂缝的产生和发展，并得出相应的规律，从而揭示劈裂注浆的内在机理。

1 劈裂注浆作用机理

劈裂注浆是浆液在压力作用下先后克服地层的切应力和抗拉强度，使其在垂直于最小主应力的平面上发生劈裂，浆液便沿此劈裂面渗入和挤密岩土体，并在其中进一步与土体发生相互作用，挤压劈裂土体并发生化学反应加固和形成作为骨架的浆脉。土体的劈裂既来自于注浆压力的作用，也来自于浆液颗粒与土体颗粒之间的相互作用。

图1 土体劈裂面的应力图

土体的侧压力系数较小，一般先会产生纵向劈裂，如图1所示，土体在注浆压力P作用下首先发生纵向初次劈裂，然后发生水平方向上的二次劈裂；此外，浆液填充到裂隙中不断与土体发生相互作用劈裂土体。

2 注浆模型的建立以及模拟方案

目前从离散元方面对注浆的数值模拟研究不多，特别是从土体颗粒与浆液相互作用的角度进行的分析报道比较少见。PFC2D[12-13]是一款利用显式差分算法和离散元理论开发的用来研究颗粒集合体(粒子系统)微/细观力学行为的程序。它从介质的基本料子结构角度考虑介质的基本力学特性，适用于研究粒状集合体的流动、大变形、破裂和破裂发展问题，本文采用二维颗粒流程序PFC2D[12-13]，将浆液和土体看作由若干颗粒组成的集合体，通过颗粒与颗粒之间的相互作用来模拟浆液与土体之间的相互作用。

2.1 模型以及计算参数的选取

浆液与土体的参数选取如表1和表2所示。模型的尺寸为16 m×10 m，劈裂注浆的深度为6.0 m，注浆孔的直径为100 mm。生成的模型如图2所示。

图2 注浆模型图

数值分析基本参数见表1～2：

表1 数值模拟土体参数表

2.2 建模过程以及分析方案

建模过程如下：

(1)在矩形区域通过设置墙体，然后生成一定数目的颗粒；

(2)通过半径膨胀法扩大颗粒的半径，填充整个模型；

磁翻板液位计应用广泛，工况复杂。由于大部分磁翻板液位计安装在环境恶劣的室外，经常会遭受风吹雨淋，如果采用防护等级为IP54的磁翻板液位计，很难阻止水汽、灰尘的侵入，磁翻板液位计的显示面板容易发霉污损、翻旗(也叫翻片)，受阻时无法正常反转，从而出现显示故障。

(3)通过扩大半径或者是缩小半径使模型的内部内锁力达到一个较小值；

(4)消除悬浮颗粒，然后赋予颗粒之间的摩擦系数以及粘结强度；

(5)用同样的方法在注浆管中生成颗粒，并在注浆管的顶部采用fish编写的伺服函数施加注浆压力。

注浆压力选取0.2 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa以及1.0 MPa，同时在建模的过程中在注浆孔周围布置测量圆，测量圆的半径为0.5 m、1.0 m、1.5 m，用于监测周围土体孔隙率的变化，通过得出相关的数据，揭示注浆过程的作用机理。

3 注浆结果分析

3.1 压力注浆过程中劈裂缝的扩展

注浆压力是影响浆体在土体中扩散的重要条件，压力注浆过程中随着注浆时间步的增加，浆体周围裂隙扩展情况如图3所示。

(a)时步20 000

(b)时步40 000

(c)时步80 000

由图3可看出，随着注浆时步的增加，土体裂隙不断以注浆点为中心，向周围扩展。当注浆时步为20 000时，劈裂缝主要集中在以注浆点位中心半径0.5 m范围内，并产生一条竖直方向上的劈裂缝，但裂隙的数目较少；随着注浆时步的增加，劈裂缝不断向周围扩展，当注浆时步达到40 000时，劈裂缝开始水平发展；当注浆时步达到80 000时，在水平方向以及竖直方向上均产生大量裂隙，且在以注浆点位中心1.5 m范围内均有大量劈裂缝产生。随着注浆时步的增加，浆液颗粒与土体颗粒的接触面积增大，浆液不断挤压土体，使得土体发生破坏。注浆压力较小时，由于浆液与土体接触面积较小，土体的破坏范围较小。随着注浆压力的增大，土体被压缩破坏，微裂隙连通形成主裂隙。这与实际工程中得出的规律相同，即土体注浆过程中，由于其侧压力系数较小，首先在水平方向上发生劈裂，然后在竖直方向发生二次劈裂。

3.2 不同注浆压力作用下浆液的扩散以及周边土体孔隙率变化

由图4中看出，当注浆压力为0.2 MPa和0.5 MPa时，以注浆点为中心，半径1.0 m和1.5 m范围内土体孔隙率变化不大，半径0.5 m范围内土体孔隙率变化最明显，表现为孔隙率迅速增大然后减小，说明注浆压力较小时，浆液与土体的作用范围主要集中在0.5 m范围内，半径0.5 m范围内土体产生大量裂隙，使得空隙率增加，然后又迅速被浆液充填，使得孔隙率迅速减小；半径1.5 m范围内孔隙率有所下降，说明这个范围内土体处于一个压密的过程。当注浆压力>0.7 MPa时，1.5 m范围内孔隙率在小幅下降后迅速增加，说明土体在1.5 m范围土体产生大量劈裂缝，微裂隙扩展到半径1.5 m范围内，浆液的有效扩散半径达到1.5 m，使得孔隙率迅速增加。说明注浆的过程是一个先压密然后劈裂的过程。

(1)注浆压力0.2 MPa

(2)注浆压力0.5 MPa

(3)注浆压力0.7 MPa

(4)注浆压力1.0 MPa

图4 不同注浆压力作用下周边土体孔隙率的变化曲线图

4 结语

本文在简要分析劈裂注浆机理的基础上，分析不同的注浆压力作用下，注浆过程中劈裂缝的产生以及浆液的扩散过程，得出以下结论。

(1)可以采用PFC颗粒模拟浆液与土体颗粒之间的相互作用，从而从细观基础上研究注浆机理；

(2)土体在压力注浆作用下，随着注浆时间的增加，首先产生竖直方向上的劈裂缝，然后发生水平方向上的二次劈裂；

(3)劈裂注浆是一个先压密然后劈裂的过程，土体劈裂的范围与注浆压力有很大的关系。

[1]李兴尚，许家林，朱卫兵，等.条带开采垮落区注浆充填技术的理论研究[J].煤炭学报，2008，33(11)：1205-1210.

[2]李为腾，王 琦，李术才，等.深部顶板夹煤层巷道围岩变形破坏机制及控制[J].煤炭学报，2014，39(1)：47-56.

[3]秦前波，方引晴，骆行文，等.深层高压注浆加固古滑坡滑动带试验及效果分析[J].岩土力学，2012，33(4)：1185-1190.

[4]朱宝龙，胡厚田，张玉芳，等.钢管压力注浆型抗滑挡墙在京珠高速公路K108滑坡治理中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006，25(2)：399-406.

[5]王 哲，龚晓南，程永辉，等.劈裂注浆法在运营铁路软土地基处理中的应用[J].岩石力学与工程学报，2005，24(9)：1619-1623.

[6]吴顺川，金爱兵，高永涛.袖阀管注浆技术改性土体研究及效果评价[J].岩土力学，2007，28(7)：1353-1358.

[7]孙 锋，张顶立，陈铁林等.土体劈裂注浆过程的细观模拟研究[J].岩土工程学报，2010，32(3)：474-480.

[8]巨建勋.土体压密注浆机制及其抬升作用的研究[D].长沙：中南大学，2007.

[9]钱建固，贾 鹏，程明进，等.注浆桩土接触面试验研究及后注浆抗拔桩承载特性数值分析[J].岩土力学，2011(S1)：662-668.

[10]李 宁，张 平，闫建文.灌浆的数值仿真分析模型探讨[J].岩石力学与工程学报，2002，21(3)：326-330.

[11]孙斌堂，凌贤长，凌 晨，等.渗透注浆浆液扩散与注浆压力分布数值模拟[J].水利学报，2007，37(11)：1402-1407.

[12]ItascaConsultingGroupInc.PFC2Duser’smanual(version3.1)[R].Minnesota：ItascaConsultingGroupInc.2004.

[13]PotyondyDO，CundallPA.Abonded-particlemodelforrock[J].Internationaljournalofrockmechanicsandminingsciences，2004，41(8)：1329-1364.

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

蔡宁生，硕士，高级工程师，研究方向：道路与桥梁工程。

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.003

1673-4874(2015)04-0011-06

2015-03-04