基于離散元模擬的黏土劈裂注漿擴(kuò)散特性

張澤甫，成遠(yuǎn)登，丁文云，陳 培，張永明，念培紅，劉海明

(1.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局，昆明 650051； 2.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500； 3.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明 650500； 4.保(山)施(甸)高速公路投資開(kāi)發(fā)責(zé)任公司，云南 保山 678200)

1 研究背景

滇中引水工程伍莊村隧洞穿越“滇中紅層”，軟巖洞段存在極嚴(yán)重變形風(fēng)險(xiǎn)，施工難度極大，其洞口存在大量的黏土。黏土具有強(qiáng)度低、壓縮性高等不良性質(zhì)，在工程中對(duì)軟弱黏土處理不當(dāng)，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)、突水突泥等災(zāi)害性事故[1-5]。劈裂注漿作為加固軟弱黏土最有效的手段之一，其施工工藝較為成熟。但注漿過(guò)程隱蔽且相關(guān)物理模型試驗(yàn)重復(fù)性差，目前主要通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)劈裂注漿展開(kāi)研究，具有可視化程度高、經(jīng)濟(jì)、合理等顯著優(yōu)勢(shì)[6-8]。

黏土注漿后宏觀表現(xiàn)與其細(xì)觀特性存在必然的聯(lián)系[9]。因此，大量學(xué)者們從細(xì)觀角度研究注漿加固軟弱土體的效果。孫峰等[10]基于顆粒流分析方法，運(yùn)用PFC2D內(nèi)置的Fish語(yǔ)言探討了致密土體在不同注漿壓力及土體性質(zhì)對(duì)劈裂注漿裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展規(guī)律；耿萍等[11]通過(guò)離散元軟件PFC2D發(fā)現(xiàn)漿液擴(kuò)散形式主要受控于注漿壓力，驗(yàn)證了劈裂注漿是壓密-劈裂-壓密-劈裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程；秦鵬飛[12]運(yùn)用PFC2D內(nèi)置Fish tank函數(shù)庫(kù)和Fish語(yǔ)言對(duì)漿液擴(kuò)散過(guò)程、形態(tài)和顆粒的位移情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出漿液黏度的增加可以提高劈裂-壓密注漿效果；夏洋洋等[13]借助二維顆粒流程序PFC2D建立了高聚物定向劈裂注漿的可視化模型，研究了漿脈擴(kuò)散形態(tài)、漿液顆粒數(shù)量及土體彈性模量對(duì)漿液擴(kuò)散和土體孔隙率的影響規(guī)律。

為了從細(xì)觀角度研究劈裂注漿對(duì)伍莊村隧洞進(jìn)口段軟弱黏土加固效果，本文基于流固耦合理論和平板窄縫流動(dòng)模型，通過(guò)離散元軟件PFC2D內(nèi)置Fish語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)黏土在劈裂注漿過(guò)程中漿液與土體顆粒之間的耦合。進(jìn)一步研究注漿壓力、顆粒粒徑比及黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)漿液擴(kuò)散特性和土體孔隙率的影響規(guī)律，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證其數(shù)值結(jié)果的正確性，為洞口段注漿加固工程提供參考。

2 離散元流固耦合原理

PFC2D中將黏土視為離散顆粒的集合體，通過(guò)顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及相互作用來(lái)模擬注漿過(guò)程中顆粒材料的力學(xué)特性。模型中并沒(méi)有實(shí)際流體存在，而采用“流體域”和“流體通道”的連接實(shí)現(xiàn)顆粒與流體的耦合?！傲黧w域”是指儲(chǔ)存漿液的“域”，周圍管道的尺寸會(huì)影響“流體域”體積，隨著計(jì)算時(shí)步的進(jìn)行，“流體域”中的流體壓力也會(huì)進(jìn)行計(jì)算，并將流體壓力作用至附近的顆粒?！傲黧w通道”是指供漿液流動(dòng)的管道，存在于顆粒接觸之間，管道通過(guò)連接形成流體網(wǎng)絡(luò)。并通過(guò)細(xì)觀分析顆粒的受力，若顆粒之間產(chǎn)生裂紋則反映了土體漿液的擴(kuò)展與貫通。

顆粒流程序中“流體域”與顆粒間的耦合作用方式分為3種：①通過(guò)顆粒間接觸的張開(kāi)、閉合或接觸力的變化使通道直徑發(fā)生變化；②研究“域”的力學(xué)特性的變化引起“域”壓力的改變；③“域”體積壓力變化對(duì)其周圍顆粒的推移作用。因?yàn)榈谝环N方式簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，本文采用第一種方式實(shí)現(xiàn)流固耦合，并借助PFC2D內(nèi)置Fish語(yǔ)言定義流動(dòng)方程和壓力方程。

2.1 流體方程

本文將土體孔隙的幾何形狀看作一系列圓形質(zhì)點(diǎn)的集合，其相鄰區(qū)域間有一個(gè)“流體通道”。流體儲(chǔ)存于“流體域”中，在壓力差作用下，流體流動(dòng)到其他“域”。假設(shè)顆粒間的流體通道為平板窄縫流動(dòng)模型如圖1所示，垂直于x-y平面，單位寬度b的平板通道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，開(kāi)度為a。若漿液在流體通道流速較小，即為單向?qū)恿鳡顟B(tài)。根據(jù)流體縫隙流動(dòng)的立方定理，通過(guò)孔隙間的流量q為

圖1 漿液流動(dòng)平板窄縫流動(dòng)模型Fig.1 Plate narrow slit model for slurry flow

(1)

式中：k為滲透系數(shù)；Δp為孔隙間壓力差。

2.2 壓力方程

為實(shí)現(xiàn)流體與顆粒在注漿過(guò)程中動(dòng)態(tài)耦合作用，儲(chǔ)存在流體域內(nèi)的流體壓力在不斷更新。在單位時(shí)間步內(nèi)流體流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其壓力變化，可由流體體積模量計(jì)算。假設(shè)單位時(shí)間步為Δt，流體增量為∑q，則通道內(nèi)流體壓力的計(jì)算公式為

(2)

式中：Kf為流體的體積模量；Vd為孔隙體積。

2.3 流體計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)

計(jì)算采用顯式方法求解，分別將流量方程應(yīng)用于所有平板窄縫流動(dòng)模型，將壓力方程應(yīng)用于所有“流體域”，在所有“流體域”內(nèi)交替應(yīng)用流動(dòng)方程和壓力方程。為保證模型運(yùn)行穩(wěn)定，流體引起的壓力變化必須小于擾動(dòng)壓力。當(dāng)兩者相等時(shí)可求出臨界時(shí)間步長(zhǎng)Δt為

(3)

式中：r為流體域周圍顆粒的平均半徑；N為流體域所連接的管道數(shù)。

3 建立數(shù)值模型

3.1 土體顆粒模型建立

顆粒流方法中不存在實(shí)際材料的本構(gòu)模型，通過(guò)定義顆粒的接觸本構(gòu)模型和設(shè)置細(xì)觀力學(xué)參數(shù)反映其力學(xué)性質(zhì)。由于黏性土黏粒含量較多，由大量具有帶電性的黏性礦物組成，呈絮狀結(jié)構(gòu)，具有一定的黏結(jié)力。因此，本文選用顆粒接觸黏結(jié)模型來(lái)模擬黏土顆粒間的接觸。土體顆粒形狀由圓球替代，模型的長(zhǎng)×寬為80 cm×80 cm。模型由顆粒單元和流體單元組成，顆粒單元一部分為注漿土體，另一部分為不透水邊界。將邊界上的顆粒速度和位移設(shè)置為零，既可防止模型內(nèi)部顆粒逸出，也有利于保持模型內(nèi)部應(yīng)力穩(wěn)定。

假設(shè)數(shù)值模型面積為S，顆?？紫堵蕿閚，最大、最小顆粒半徑分別為Rmax和Rmin，顆粒平均半徑用r表示，按照式(4)即可計(jì)算出模型區(qū)域內(nèi)生成的顆粒數(shù)目。

(4)

顆粒流計(jì)算模型中細(xì)觀參數(shù)的合理選擇是計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵。顆粒流程序中不能直接輸入土體的宏觀力學(xué)參數(shù)，因此通過(guò)試錯(cuò)法對(duì)細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行試算，并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，確定數(shù)值模擬試驗(yàn)的細(xì)觀參數(shù)，取值見(jiàn)表1。

表1 黏土顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Table 1 Mesoscopic mechanical parameters of clay particles

3.2 “流體域”和“流體通道”的生成

流體單元一部分為“流體域”，另一部分為“流體通道”。本文基于Fish語(yǔ)言的編寫(xiě)定義流動(dòng)方程和壓力方程，生成的“流體域”和“流體通道”如圖2所示，其中紅色的點(diǎn)代表“流體域”，“域”間綠色線段代表“流體通道”。本文流體采用的細(xì)觀計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。其中，流體計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)按照式(3)計(jì)算，水頭壓力等其他參數(shù)根據(jù)達(dá)西滲透試驗(yàn)獲得[14]。

圖2 “流體域”和“流體通道”示意圖Fig.2 Sketch of fluid domain and fluid channel

表2 流體域基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of fluid domain

3.3 建立流固耦合模型

按照式(4)計(jì)算生成顆粒數(shù)量，運(yùn)行5 000時(shí)步時(shí)生成顆粒數(shù)量3 632個(gè)，顆粒粒徑在3.5～5.0 mm均勻分布。通過(guò)調(diào)用Fishtank中的zap-dead-ends刪除“懸浮顆?！?即顆粒接觸≤1的顆粒)1 769個(gè)，確保所有“流體域”都完整有效。最終建立顆粒與流體之間的耦合過(guò)程如圖3所示。

圖3 顆粒單元與流體單元耦合示意圖Fig.3 Schematic diagram of the coupling between particle unit and fluid unit

由于PFC2D不能直接獲取孔隙率等信息，為記錄顆粒模型的相應(yīng)信息，本文設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測(cè)圓進(jìn)行記錄。通過(guò)自定義Fish語(yǔ)言，最終導(dǎo)出監(jiān)測(cè)圓區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信息。監(jiān)測(cè)圓的圓心為模型中心，半徑尺寸依次設(shè)置為10、20、30 cm，建立的模型如圖4所示。模型中心為注漿孔，白色的圓代表土體顆粒，綠色的圓代表不透水邊界，藍(lán)色區(qū)域代表監(jiān)測(cè)圓。

圖4 土體顆粒模型和監(jiān)測(cè)圓Fig.4 Soil particle model and measurement circles

4 數(shù)值模擬分析

注漿后漿液在土體中的擴(kuò)散半徑可反映漿液與土體接觸膠結(jié)的充分程度，并且漿脈網(wǎng)絡(luò)的骨架作用對(duì)注漿加固土層的影響顯著。此外，土體孔隙率也是影響多孔介質(zhì)內(nèi)流體傳輸性能的重要參數(shù)，反映了土體的致密程度，對(duì)土體結(jié)構(gòu)有重要影響。因此，本文通過(guò)注漿后漿液擴(kuò)散半徑和土層孔隙率的變化研究漿液在黏土中的擴(kuò)散規(guī)律，具體數(shù)值模擬試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 數(shù)值模擬方案Table 3 Numerical simulation schemes

4.1 注漿時(shí)間對(duì)漿液擴(kuò)散特性的影響

注漿時(shí)步與漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系如圖5所示，在土體顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)和流體基本參數(shù)取值相同的條件下，選取注漿壓力為0.5 MPa，隨著注漿時(shí)步的增加，裂縫數(shù)量增多，漿液擴(kuò)散半徑不斷增大,說(shuō)明注漿時(shí)步對(duì)漿液擴(kuò)散半徑有明顯影響。當(dāng)注漿時(shí)步增加到1 000時(shí)，繼續(xù)增加注漿時(shí)間，漿液擴(kuò)散半徑增速放緩，符合實(shí)際情況。

圖5 注漿時(shí)步與漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系Fig.5 Relationship between grouting step and slurry diffusion radius

4.2 注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散特性的影響

注漿壓力與漿液擴(kuò)散半徑和孔隙率的關(guān)系如圖6所示。由圖6(a)可以看出，注漿壓力在0.50～1.25 MPa時(shí)對(duì)漿液擴(kuò)散半徑影響較為明顯，隨注漿壓力的增加，擴(kuò)散半徑變化曲線變緩。當(dāng)注漿壓力為0.5 MPa時(shí)，未達(dá)到土體啟劈壓力，土體中不產(chǎn)生漿液擴(kuò)散。當(dāng)注漿壓力增大時(shí)，漿液開(kāi)始劈裂土體產(chǎn)生劈裂縫，漿液擴(kuò)散半徑也隨之增加。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)擴(kuò)散半徑最大，為30.1 cm。

圖6 注漿壓力與漿液擴(kuò)散半徑和孔隙率關(guān)系Fig.6 Relations of grouting pressure against slurry diffusion radius and porosity

監(jiān)測(cè)圓半徑10、20、30 cm范圍內(nèi)，注漿壓力作用下土體孔隙率的變化趨勢(shì)線見(jiàn)圖6(b),從圖中可明顯看出注漿壓力對(duì)10 cm范圍內(nèi)土體的孔隙率影響較大。注漿壓力為0.5 MPa時(shí)，最大孔隙率為23.8%；壓力增加到1.5 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)孔隙率增加至32.8%，孔隙率相對(duì)增加了37.8%。并且距離中心注漿區(qū)越近的土體，孔隙率增加幅度越大。

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注漿壓力大小合適時(shí)，土體注漿加固效果明顯，劈裂縫分布較好，生成穩(wěn)定的漿脈網(wǎng)絡(luò)，可有效改善土體性質(zhì)。若注漿壓力過(guò)高，漿液最大擴(kuò)散半徑范圍雖有提高，但土體中產(chǎn)生的劈裂縫分布混亂，會(huì)導(dǎo)致土體間的小裂隙連接貫通形成大裂隙，導(dǎo)致土體穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生土體冒漿等現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)際施工難度增大。若注漿壓力過(guò)低，則漿液擴(kuò)散半徑范圍有限，生成的劈裂縫少，難以形成漿脈網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致土體加固效果不理想。

4.3 顆粒粒徑對(duì)漿液擴(kuò)散特性的影響

為討論土體顆粒粒徑比(Rmax/Rmin)對(duì)黏土中劈裂注漿擴(kuò)散特性的影響，本文控制注漿壓力和注漿時(shí)間不變，采用不同土體顆粒粒徑比得到漿液擴(kuò)散半徑和土體孔隙率變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 顆粒粒徑比與漿液擴(kuò)散半徑和孔隙率關(guān)系Fig.7 Relations of particle size ratio against slurry diffusion radius and porosity

從圖7(a)明顯看出，隨著土體顆粒粒徑比的增大，漿液擴(kuò)散半徑降低，注漿對(duì)土體的影響范圍明顯縮小。這是因?yàn)樵龃笸馏w顆粒粒徑比，土體級(jí)配更好，較大的土體顆粒之間越容易產(chǎn)生孔隙，較小的土體顆粒會(huì)填充在孔隙里，使顆粒之間接觸更加緊密，土體模型越發(fā)密實(shí)，漿液擴(kuò)散范圍隨之減少。顆粒粒徑比為2.7時(shí)漿液擴(kuò)散半徑最大，為17.6 cm，增至2.9時(shí)擴(kuò)散半徑下降幅度為32%，當(dāng)粒徑比增加到3.3時(shí)擴(kuò)散半徑僅有7.1 cm。由此說(shuō)明劈裂注漿中漿液擴(kuò)散范圍受到粒徑比的影響較大。

此外，在距離注漿孔10 cm范圍內(nèi)，當(dāng)顆粒粒徑比超過(guò)2.9時(shí)，土體孔隙率下降幅度最大。并隨粒徑比的增大土體初始孔隙率降低，土體產(chǎn)生劈裂注漿所需能量更高。注漿壓力作用下注漿孔周圍土體對(duì)外圍土體有壓密作用，導(dǎo)致在距離注漿孔越遠(yuǎn)的土體孔隙率越低。

4.4 顆粒黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)擴(kuò)散特性的影響

法向、切向黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)擴(kuò)散特性的影響分別如圖8、圖9所示。由圖8(a)、9(a)可知，顆粒法向和切向黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)漿液擴(kuò)散半徑呈遞減趨勢(shì)。隨黏結(jié)強(qiáng)度的增加，劈裂縫生成的數(shù)量遞減，對(duì)土體的影響范圍減小。當(dāng)法向黏結(jié)強(qiáng)度超過(guò)0.7 MPa時(shí)，土體的劈裂縫大幅下降，漿液擴(kuò)散半徑≤5 cm。而切向黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到1.0 MPa時(shí)對(duì)土體擴(kuò)散半徑影響較大。故可明顯看出，顆粒間法向黏結(jié)強(qiáng)度相比于切向黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)漿液擴(kuò)散半徑影響更大。

圖8 法向黏結(jié)強(qiáng)度Cn與漿液擴(kuò)散半徑和孔隙率關(guān)系Fig.8 Relations of normal bonding strength Cn against slurry diffusion radius and porosity

圖9 切向黏結(jié)強(qiáng)度Cs與漿液擴(kuò)散半徑和孔隙率關(guān)系Fig.9 Relations of tangential bonding strength Cs with slurry diffusion radius and porosity

隨著顆粒黏結(jié)強(qiáng)度的增加，顆粒之間接觸力變強(qiáng)，在注漿壓力作用下很難出現(xiàn)位移，造成土體孔隙率的減小。由圖8(b)、9(b)可以看出，黏結(jié)強(qiáng)度的增加對(duì)土體一定范圍內(nèi)孔隙率有不同程度的影響。10 cm范圍以內(nèi)影響最為顯著，隨著離注漿孔的距離越遠(yuǎn)，對(duì)孔隙率影響越低。切向黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)30 cm范圍外土體的孔隙率影響甚小。

隨著法向、切向黏結(jié)強(qiáng)度的增大，漿液擴(kuò)散半徑減少，距離注漿孔不同范圍土體孔隙率有不同程度的降低。這是由于在PFC2D中，顆粒間接觸強(qiáng)度由黏結(jié)強(qiáng)度決定。提高土體顆粒黏結(jié)強(qiáng)度，土體顆粒的黏聚力也會(huì)隨之提高，顆粒間膠結(jié)作用會(huì)增強(qiáng)，因此破壞顆粒間的接觸需要更大注漿壓力才能生成劈裂縫。

5 室內(nèi)注漿試驗(yàn)對(duì)比

5.1 室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)用土選用云南省楚雄市某地紅黏土，主要由白云巖、泥質(zhì)巖等經(jīng)風(fēng)化作用后形成，黏土呈紅褐色。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[15]，對(duì)紅黏土宏觀力學(xué)參數(shù)開(kāi)展相關(guān)土工試驗(yàn)，得到紅黏土的基本特性見(jiàn)表4。模型試驗(yàn)漿液的水灰比為0.7，注漿壓力設(shè)定為0.5、0.6、0.7 MPa，得到試驗(yàn)土體中的水泥漿脈形態(tài)及分布見(jiàn)圖10。

表4 紅黏土基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of red clay

圖10 不同注漿壓力下的漿脈形態(tài)及分布Fig.10 Formation and distribution of slurry veins under different grouting pressures

在3種注漿壓力下，黏土地層水平方向生成一條主漿脈和一條次漿脈呈直線延伸。注漿壓力為0.5 MPa時(shí)漿液擴(kuò)散半徑19.4 cm；0.6 MPa時(shí)擴(kuò)散半徑28.7 cm；0.7 MPa時(shí)擴(kuò)散半徑35.6 cm。由量測(cè)數(shù)據(jù)可知，漿液擴(kuò)散半徑與注漿壓力呈正相關(guān)關(guān)系。

5.2 對(duì)比分析

針對(duì)室內(nèi)劈裂注漿模型試驗(yàn)建立數(shù)值模型，并根據(jù)室內(nèi)三軸試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定[16]，結(jié)合土體顆粒宏細(xì)觀參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行取值[17]，參數(shù)取值見(jiàn)表5。

表5 紅黏土顆?；炯?xì)觀力學(xué)參數(shù)Table 5 Mesoscopic mechanical parameters of red clay particles

室內(nèi)試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥漿液，屬于典型的賓漢姆流體，水泥漿液的黏度和密度與水有較大區(qū)別。因此，先以水作為滲流流體得到的滲透系數(shù)進(jìn)行換算，得到特定水灰比下水泥漿液的滲透系數(shù)，換算滲透系數(shù)的計(jì)算公式[18]為

(5)

式中：kg表示以漿液作為滲流流體的滲透系數(shù)；ko表示以水作為滲流流體的滲透系數(shù)；ηw表示水動(dòng)力黏滯系數(shù)；ηg表示漿液動(dòng)力黏滯系數(shù)；ρg表示漿液密度；ρw表示水的密度；β表示漿液與水的黏度比。將具體數(shù)值代入得到漿液的滲透系數(shù)為5.17×10-8m/s。

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到不同注漿壓力下最終漿液擴(kuò)散半徑，見(jiàn)圖11，圖中紅色裂縫代表漿液擴(kuò)散半徑的范圍。提取模擬數(shù)據(jù)可知，當(dāng)注漿壓力為0.5 MPa時(shí)，最大擴(kuò)散半徑22.3 cm；0.6 MPa時(shí)最大擴(kuò)散半徑31.2 cm；0.7 MPa時(shí)最大擴(kuò)散半徑為37.5 cm。

圖11 不同注漿壓力條件下漿液最終擴(kuò)散范圍Fig.11 Range of final diffusion of slurry under different grouting pressures

將數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果的漿液擴(kuò)散半徑與室內(nèi)注漿試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者曲線趨勢(shì)吻合較好，曲線間的數(shù)值相差較小，見(jiàn)圖12。結(jié)果表明，劈裂注漿數(shù)值模擬和室內(nèi)劈裂注漿試驗(yàn)的結(jié)果與注漿壓力均呈正相關(guān)關(guān)系。漿液擴(kuò)散半徑隨注漿壓力的增大而增大，與工程實(shí)際相符,驗(yàn)證了本文建立的注漿數(shù)值模型的正確性。

圖12 數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi) 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of slurry diffusion radius between numerical simulation and indoor test

5.3 誤差分析

PFC2D數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)注漿試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)上吻合較好，但數(shù)值上存在一定的偏差，分析原因如下：

(1)漿液在土層中的擴(kuò)散規(guī)律的影響因素多元且復(fù)雜。模擬中忽略了漿液黏度時(shí)變性、漿液在土體擴(kuò)散過(guò)程中的壓力損失等因素，導(dǎo)致理論結(jié)果和實(shí)際結(jié)果有偏差。

(2)本文假定流體流動(dòng)滿足平板窄縫流動(dòng)模型，并符合達(dá)西定律。但實(shí)際土體劈裂注漿產(chǎn)生的裂縫分布混亂且不均勻，土體中漿液的擴(kuò)散過(guò)程不完全符合平板窄縫流動(dòng)模型。

(3)本文建立的黏土劈裂注漿數(shù)值模型為二維模型，然而實(shí)際土體劈裂注漿是一個(gè)三維過(guò)程。因此與實(shí)際情況存在一定差異。

6 結(jié) 論

(1)基于顆粒流程序有效模擬劈裂注漿過(guò)程中漿液與土體顆粒的耦合作用，實(shí)現(xiàn)了劈裂注漿裂縫的生成和發(fā)展可視化。數(shù)值模擬結(jié)果表明，注漿壓力和注漿時(shí)間對(duì)漿液最大擴(kuò)散半徑呈先增加后減緩的趨勢(shì)，孔隙率隨距注漿孔距離越近,增大幅度越大，合理選擇注漿壓力和注漿時(shí)間可有效改善土體加固效果。

(2)顆粒粒徑比Rmax/Rmin直接影響土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱，對(duì)漿液擴(kuò)散半徑和土體孔隙率的影響較大。粒徑比越大，土體越密實(shí)，導(dǎo)致擴(kuò)散半徑逐漸減小，并且隨距離注漿孔距離的增加，顆粒粒徑比對(duì)土體孔隙率的影響逐漸減小。

(3)顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度與漿液擴(kuò)散半徑呈反比。對(duì)于黏結(jié)強(qiáng)度較高的土體，為了達(dá)到劈裂注漿效果，需增大注漿壓力。且法向黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)漿液擴(kuò)散半徑和土體孔隙率的影響相對(duì)于切向黏結(jié)強(qiáng)度更大。

(4)對(duì)劈裂注漿進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)漿液擴(kuò)散范圍受注漿壓力的影響較大。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者曲線間誤差較小，與工程實(shí)際相符合。針對(duì)伍莊村隧洞進(jìn)口段應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件確定最佳注漿壓力達(dá)到最優(yōu)加固效果。