鐵路注漿工程中漿液擴(kuò)散規(guī)律研究

孫宏偉

中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308

隨著我國鐵路工程建設(shè)的快速發(fā)展，很多已建及在建的鐵路面臨軟土地基、富藏地下水地層、含泥軟弱破碎帶等不良地質(zhì)問題，由此造成的隧道滲漏與突水突泥、路基變形沉降過大等工程病害嚴(yán)重影響我國鐵路工程基礎(chǔ)設(shè)施的安全服役性能。注漿技術(shù)以其設(shè)備輕巧靈活、施工技術(shù)成熟、環(huán)境影響程度小等優(yōu)勢廣泛用于鐵路各類工程病害的治理。由于現(xiàn)有注漿技術(shù)不易控制注漿量、注漿壓力、漿液流向、凝固時(shí)間、補(bǔ)強(qiáng)位置等參數(shù)，造成了注漿效果難于預(yù)測。因此，注漿過程中漿液擴(kuò)散機(jī)理的研究至關(guān)重要［1-5］。

注漿理論發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于注漿實(shí)踐，目前關(guān)于漿液擴(kuò)散范圍等的理論公式研究遠(yuǎn)未成熟［6-7］。大部分計(jì)算漿液在孔隙裂隙中的滲流理論都會對被注介質(zhì)孔隙裂隙進(jìn)行一定程度的簡化，故難以反映真實(shí)擴(kuò)散情況，而且大多經(jīng)驗(yàn)公式都是由特定地質(zhì)條件推導(dǎo)得出的，不具有普遍意義。完善注漿漿液擴(kuò)散理論具有十分重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。同時(shí)，模擬是注漿理論研究的常用手段，快捷高效的理論模型能為優(yōu)化漿液用量、科學(xué)設(shè)計(jì)注漿壓力等提供依據(jù)。傳統(tǒng)模型由于非線性的存在，其計(jì)算效率并不樂觀，導(dǎo)致在有數(shù)百條裂縫的復(fù)雜裂縫巖土體網(wǎng)絡(luò)中模擬注漿滲透過程需要相當(dāng)長的時(shí)間，實(shí)用性較差。

本文基于研發(fā)的超大規(guī)模土顆粒-漿液動力耦合作用的并行流固耦合仿真分析程序，系統(tǒng)考慮漿液特性、注漿壓力及巖土體力學(xué)特性，從微觀層面揭示土體介質(zhì)及水灰比對漿液擴(kuò)散的影響規(guī)律，建立漿液在砂土、黏土和角礫土等介質(zhì)中擴(kuò)散范圍的理論公式，并利用自主研制的獨(dú)立變頻變壓注漿模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 劈裂注漿仿真分析模型

針對大規(guī)模顆粒-流體動力耦合計(jì)算（顆粒數(shù)大于等于4萬）的難題［9-11］，以顆粒-流體間的相互作用力和變形為載體，通過流體湍流數(shù)學(xué)方程和顆粒動力學(xué)方程，系統(tǒng)構(gòu)建了流動場內(nèi)顆粒的曳力模型（圖1），實(shí)現(xiàn)顆粒位置、速度、受力及變形等信息的動態(tài)更新。

圖1 土顆粒-漿液動力并行流固耦合仿真程序

本次仿真分析主要涉及到砂土、黏土及角礫土，具體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

建立砂土、黏土、角礫土介質(zhì)的計(jì)算模型，見圖2。砂土介質(zhì)模型長60 cm，寬60 cm，高10 cm；黏土介質(zhì)模型長70 cm，寬70 cm，高10 cm；角礫土介質(zhì)模型長100 cm，寬100 cm，高15 cm；注漿管半徑為4 cm。為了模擬真實(shí)注漿情況，在注漿管距底部4 cm 處對稱設(shè)置6個(gè)注漿孔，注漿孔半徑1 cm。模型四周為墻體，不允許顆粒從模型內(nèi)部逃出。

圖2 計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際工程要求，模擬7 個(gè)不同注漿壓力作用下接觸鍵的破壞，注漿壓力分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.50 MPa。

2 注漿模擬結(jié)果分析

2.1 土體介質(zhì)影響

顆粒之間受外力破壞的接觸鍵可直接顯示，利于研究顆粒之間接觸鍵的破壞規(guī)律。接觸鍵破裂密集的范圍可以視作劈裂區(qū)，此范圍的土體受到漿液的沖擊作用和劈裂作用，使土體的接觸鍵破壞得更集中，更徹底。在劈裂區(qū)外圍，由于漿液的作用效果較小，漿液對土體的作用力變小，故形成了擠壓區(qū)。該區(qū)域土體顆粒之間的接觸鍵破壞的范圍更大，但是區(qū)域接觸鍵數(shù)量比劈裂區(qū)少。

注漿壓力為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)三種土體介質(zhì)的二維平面接觸鍵破裂見圖3?？芍喝N土體介質(zhì)對擴(kuò)散范圍的影響基本一致；巖土體介質(zhì)的孔隙率越大，漿液的擴(kuò)散半徑越大，漿液在角礫土介質(zhì)中的擴(kuò)散半徑最大，在黏土介質(zhì)中的擴(kuò)散半徑最小。

圖3 二維平面接觸鍵破裂

2.2 注漿壓力影響

1）砂土介質(zhì)

相同注漿時(shí)間下，不同注漿壓力時(shí)砂土的三維整體破壞范圍見圖4?？芍?，注漿壓力的增大使得漿液對土體的破壞范圍增大。

圖4 不同注漿壓力時(shí)砂土三維整體接觸鍵破裂情形

不同注漿壓力砂土的接觸鍵破壞效果見圖5?？芍簼{液對土體的破壞效果呈碗狀，即在底部注漿孔處，從下到上，土體的破壞范圍越來越大，且隨著注漿壓力的增大，碗的直徑也越來越大。這是由于漿液對土體的沖擊作用使土體的承載能力受到了影響，從而影響了模型上部結(jié)構(gòu)的微型接觸鍵，并且在注漿壓力0.4 ～0.5 MPa 時(shí)，整個(gè)模型均受到了影響，使得整個(gè)土體中的接觸鍵都開始發(fā)生了破壞。這說明在注漿壓力過大時(shí)，注漿反而不能增強(qiáng)土體承載力。

圖5 各個(gè)注漿壓力的接觸鍵破壞效果

將不同注漿壓力作用下的土體顆粒接觸鍵的破壞效果導(dǎo)入到CAD中，并統(tǒng)計(jì)出漿液劈裂半徑（圖6），從而得到不同注漿壓力下的劈裂區(qū)范圍。

圖6 各個(gè)注漿壓力時(shí)砂土的劈裂半徑

由圖6 可知：砂土的劈裂半徑與注漿壓力間的關(guān)系曲線呈指數(shù)分布，說明注漿壓力的增大使得劈裂半徑也增大。

2）黏土介質(zhì)

由于黏土介質(zhì)中土體之間的接觸力設(shè)置比其他兩種介質(zhì)更大，故在注漿壓力較小時(shí)（0.10～0.25 MPa）漿液破壞效果并不明顯，而在注漿壓力較大時(shí)（0.3 ～0.5 MPa），土體之間破壞程度開始加大。這也符合漿液土體作用的一般規(guī)律。相同注漿時(shí)間下不同注漿壓力時(shí)，黏土的二維整體破壞范圍與砂土一樣。

對7 種注漿壓力下接觸鍵的破壞程度進(jìn)行分析，得到黏土劈裂半徑，見圖7。可知：黏土的劈裂半徑與注漿壓力的關(guān)系曲線與砂土類似，土體的劈裂半徑隨注漿壓力的增大而增大，且存在一定的函數(shù)關(guān)系。

圖7 各個(gè)注漿壓力黏土的劈裂半徑

3）角礫土介質(zhì)

相同注漿時(shí)間不同注漿壓力下角礫土的接觸鍵破壞規(guī)律與砂土、黏土一致，但漿液對角礫土體的破壞范圍比其他兩種土更加明顯。整體的接觸鍵的破壞也是由注漿孔開始，隨著注漿壓力的增大，逐漸向模型的邊界延伸。不同注漿壓力下角礫土的劈裂半徑見圖8。

圖8 各個(gè)注漿壓力的劈裂半徑

綜上所述，三種介質(zhì)中漿液的擴(kuò)散半徑均隨著注漿壓力增大而增大，且隨著注漿壓力不斷增大，其擴(kuò)散半徑的變化速率越來越快。

2.3 漿液參數(shù)的影響

灰水比選取 0.6∶1、0.8∶1、0.9∶1 和 1∶1 共 4 種工況。

1）砂土介質(zhì)

不同漿液灰水比時(shí)砂土劈裂半徑見圖9、圖10?？芍翰煌瑵{液的灰水比時(shí)，砂土的劈裂半徑也不同。隨著漿液灰水比增大，砂土的劈裂半徑逐漸減小。

圖9 不同灰水比劈裂半徑三維變化圖

圖10 不同灰水比劈裂半徑

2）黏土介質(zhì)

與砂土的模擬結(jié)果類似，隨著漿液灰水比的增大，其劈裂半徑減小，說明在黏土體中注漿與在砂土體中注漿所表現(xiàn)出的規(guī)律一致，都與注漿漿液的密度有直接關(guān)系。

3）角礫土介質(zhì)

與砂土、黏土的模擬結(jié)果類似，但其漿液的整體破壞范圍是大于其他兩種介質(zhì)。

3 漿液擴(kuò)散范圍計(jì)算方法

構(gòu)建漿液在砂土、黏土、角礫土三種介質(zhì)中擴(kuò)散范圍量化計(jì)算模型。模型中，x?為注漿半徑；y?為射漿孔半徑；b為注漿管半徑；R為土體微觀層面接觸鍵破壞范圍半徑，R=15.204p1.418+b，P為注漿壓力。

漿液在砂土中擴(kuò)散計(jì)算公式為

漿液在黏土中擴(kuò)散計(jì)算公式為

漿液在角礫土中擴(kuò)散計(jì)算公式為

4 模型試驗(yàn)

自主研制了高壓變頻注漿模型試驗(yàn)裝置，見圖11。通過研發(fā)漿液壓力自感應(yīng)傳感器及其自適應(yīng)補(bǔ)償裝置、注漿管定位構(gòu)件等解決了注漿模型試驗(yàn)中注漿管高壓擾動、壓力-流速耦合聯(lián)動等技術(shù)難題。

圖11 高壓變頻注漿模型試驗(yàn)裝置

利用該裝置對砂土進(jìn)行注漿模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖12（a）。將試驗(yàn)過程中注漿半徑、注漿管半徑等參數(shù)帶入砂土介質(zhì)中漿液擴(kuò)散計(jì)算公式中，計(jì)算結(jié)果見圖12（b）。模型試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果中，相同注漿壓力下漿液擴(kuò)散半徑值基本吻合。驗(yàn)證了漿液擴(kuò)散計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

圖12 砂土介質(zhì)漿液擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1）自主研發(fā)了超大規(guī)模土顆粒-漿液動力耦合作用的并行流固耦合仿真分析程序，系統(tǒng)揭示了漿液在砂土、黏土、角礫土3 種不同巖土介質(zhì)中的擴(kuò)散規(guī)律，定量刻畫了漿液擴(kuò)散半徑的花瓣形分布。

2）分析了漿液在砂土、黏土、角礫土3種不同類型巖土介質(zhì)中的擴(kuò)散規(guī)律，從微觀層面確定漿液水灰比、注漿壓力等注漿參數(shù)對漿液擴(kuò)散半徑的影響，低水灰比、高注漿壓力條件下可實(shí)現(xiàn)更大的注漿范圍。揭示了高壓漿液對巖土介質(zhì)的滲透-耦合加固機(jī)制。

3）基于自主研發(fā)的高壓變頻注漿模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了砂土介質(zhì)中漿液擴(kuò)散量化計(jì)算模型正確性，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與注漿加固方案優(yōu)化，為實(shí)際工程中注漿范圍、注漿量的確定提供理論基礎(chǔ)，有力支撐了高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施注漿擴(kuò)散機(jī)理研究。