基于離散元的注漿過(guò)程模擬研究

崔 韜

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

1 概述

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，全國(guó)約有40個(gè)～50個(gè)城市都在修建地鐵，保證開(kāi)挖和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中隧道的穩(wěn)定性成為問(wèn)題的關(guān)鍵，提高巖土體穩(wěn)定性與防滲能力的超前注漿或者預(yù)注漿等方法成為解決巖土加固及防滲的途徑之一，在各工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1,2]。

注漿機(jī)理的研究是注漿技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，但就現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，由于巖體的各向異性及工程的隱蔽性導(dǎo)致注漿理論的發(fā)展明顯滯后于注漿工藝、材料和設(shè)備的發(fā)展，通過(guò)理論得出的漿液擴(kuò)散、劈裂機(jī)理等結(jié)論可靠性有待提高，實(shí)際工程施工中更多依賴于工程經(jīng)驗(yàn)。

事實(shí)上，注漿過(guò)程及注漿效果在一定程度上是漿液顆粒大小影響的，本文將顆粒粒徑介于化學(xué)漿液和水泥漿液之間的超細(xì)水泥作為研究對(duì)象，受其尺寸影響，注漿壓力、漿液的擴(kuò)散形式等都會(huì)存在差異?；诖?，探究不同顆粒粒徑條件下的超細(xì)水泥注漿過(guò)程能夠從微觀角度深入認(rèn)識(shí)注漿機(jī)理，為漿液配置、注漿材料等方面的設(shè)計(jì)提供一定的參考，具有一定的研究意義。

2 離散元注漿模型建立

研究超細(xì)水泥的注漿過(guò)程是依托于二維顆粒離散元(PFC2D)數(shù)值模擬開(kāi)展的，超細(xì)水泥注漿模型的尺寸：20 m×20 m。注漿模型中的顆粒半徑R的分布狀態(tài)是最大值至最小值的均勻分布，粒徑范圍是0.1 m～0.4 m，在這個(gè)范圍內(nèi)劃分為3種粒徑的工況，由于采用離散元分析軟件，若將顆粒尺度調(diào)整為礦物尺度則計(jì)算時(shí)長(zhǎng)大大增加，而本文選取的尺度相對(duì)于模型邊界尺寸還是較小的，可認(rèn)為其是合理的。

由眾多顆粒構(gòu)建的模型可簡(jiǎn)化為4個(gè)邊界組成的方形結(jié)構(gòu)，其中上下邊界施加豎向主應(yīng)力，左右邊界施加水平向主應(yīng)力，兩個(gè)方向的主應(yīng)力大小分別是σ1=1 MPa,σ2=1 MPa，地應(yīng)力則是通過(guò)控制邊界的移動(dòng)速度施加的，見(jiàn)圖1。

根據(jù)土顆粒的大小和注漿壓力共設(shè)計(jì)6種工況，如表1所示，其中顆粒大小的范圍是0.1 m～0.4 m，注漿壓力的范圍是3 MPa～9 MPa。

注漿過(guò)程模擬時(shí)在模型中心部位取一點(diǎn)作為注漿孔，注漿孔的半徑是0.8 m，并設(shè)置一個(gè)初始孔壓P0，注漿過(guò)程的模擬是以定流量的形式向注漿孔中注漿加壓開(kāi)展的。

表1 工況布置

3 顆粒大小對(duì)注漿過(guò)程的影響

本節(jié)通過(guò)控制單因子變量——顆粒大小(0.1 m～0.2 m,0.2 m～0.3 m,0.3 m～0.4 m)并設(shè)置注漿壓力6 MPa保持不變，來(lái)分析其對(duì)注漿過(guò)程的影響，主要立足于注漿完成后力的分布、漿液的擴(kuò)散形式及范圍、裂隙的發(fā)育發(fā)展情況。選取中等尺寸顆粒大小(0.2 m～0.3 m)(如圖2所示)，網(wǎng)絡(luò)狀的線條為初始情況下的模型體顆粒與顆粒接觸之間的壓力分布，中間的圓點(diǎn)為注漿初始的漿液范圍。經(jīng)過(guò)1994step之后，注漿過(guò)程完成，見(jiàn)圖3。

由圖3可以判斷發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加土體顆粒大小后由于顆粒尺寸變大，存在尺度效應(yīng)，導(dǎo)致注漿初期土體中的壓力、拉力存在著疏密分布，當(dāng)顆粒較小時(shí)，顆粒與顆粒之間的接觸范圍更大，模型體當(dāng)中力的分布更加密集。

圖3a)～圖3c)為注漿完成后整個(gè)模型體中壓力及拉力的力鏈分布，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，注漿完成后壓力的分布由原來(lái)雜亂無(wú)章的分布形態(tài)轉(zhuǎn)變成以注漿孔為中心向四周散開(kāi)的壓力分布，并且呈現(xiàn)由中心孔到四周的方向性。由于漿液在土體中的滲透、劈裂作用，使得土體中出現(xiàn)了分布的拉力，圍繞著注漿孔的中心分布，適當(dāng)增加顆粒大小后土體中拉力分布的均勻程度增加，并逐漸遠(yuǎn)離中心孔。

圖3d)～圖3f)為注漿完成后整個(gè)土體中的漿液擴(kuò)散范圍，對(duì)比初始范圍可以看出，漿液是以注漿孔為中心向四周擴(kuò)散的，土骨架中較大的空隙被充填，大空隙充填完成后較遠(yuǎn)處的漿液便呈點(diǎn)狀分布，適當(dāng)增加顆粒大小后擴(kuò)散范圍有一定的方向性。

由圖3a)可以看出集中在注漿孔的附近存在著密集的壓力分布，說(shuō)明沒(méi)有形成劈裂裂隙，形成了非破壞性的加固土體。對(duì)比圖3不同顆粒大小形成的力的分布，增加顆粒大小后相同注漿壓力條件下形成了一定范圍的劈裂通道，土體中破壞范圍增加，表明增加了土體顆粒的直徑后逐漸由滲透注漿轉(zhuǎn)變?yōu)榕炎{，土體的破壞性提高。

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)改變不同顆粒大小進(jìn)行的數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，增加顆粒的尺寸大小注漿由滲透注漿轉(zhuǎn)化為劈裂注漿，并且壓力、拉力的分布也會(huì)變得稀疏。

4 注漿壓力對(duì)注漿過(guò)程的影響

本節(jié)通過(guò)控制單因子變量——注漿壓力(3 MPa,6 MPa,9 MPa)并設(shè)置顆粒大小0.1 m～0.2 m保持不變，來(lái)分析其對(duì)注漿過(guò)程的影響，由于單因子變量為注漿壓力，被注土體本身沒(méi)有變量，因而初始力分布及漿液范圍可見(jiàn)圖3a)，圖3d)。經(jīng)過(guò)1994step之后，注漿過(guò)程完成，見(jiàn)圖4。

圖4a)中，注漿壓力較小的時(shí)候，土體中拉力的分布范圍較少，這種情況下以滲透注漿為主，并能夠形成一定的土體加固范圍。適當(dāng)增加一定的注漿壓力后，壓力區(qū)呈現(xiàn)由中心向四周分布直至中心區(qū)形成無(wú)壓力分布的區(qū)域。

在注漿壓力較大的時(shí)候，漿液擴(kuò)散范圍的變化不是很明顯，但是觀察壓力、拉力的分布圖可以看出在較大注漿壓力下中心區(qū)存在著空白區(qū)域，意味著土顆粒在較大壓力作用下被擠走，發(fā)生了劈裂破壞，張拉裂隙增加，土體破壞后形成了流動(dòng)通道，可見(jiàn)于圖4c)形成兩條較明顯的空白通道。

對(duì)比圖4a)～圖4c)，注漿壓力的增加，張拉力的分布范圍增加，意味著土體發(fā)生張拉破壞的部位更多，裂隙更多，總的來(lái)說(shuō)，增加注漿壓力注漿由滲透注漿轉(zhuǎn)化為劈裂注漿，同時(shí)產(chǎn)生土顆粒從注漿孔向四周擠密，加固密實(shí)了土體。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上兩步對(duì)超細(xì)水泥注漿的數(shù)值分析，可以得到以下結(jié)論：

1)通過(guò)改變不同顆粒大小進(jìn)行的數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，增加顆粒的尺寸大小注漿由滲透注漿轉(zhuǎn)化為劈裂注漿，并且壓力、拉力的分布由于存在尺寸效應(yīng)會(huì)變得稀疏。

2)通過(guò)改變注漿壓力大小進(jìn)行的數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，增加注漿壓力注漿由滲透注漿轉(zhuǎn)化為劈裂注漿，破壞土體的同時(shí)也密實(shí)了土體。

3)實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土體顆粒大小以及工程需要控制合適的注漿壓力來(lái)達(dá)到通過(guò)滲透注漿形成止水帷幕或者通過(guò)劈裂注漿形成加固土體的工程目的。