張杰 ZHANG Jie

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣州 511458）

0 引言

城市地鐵工程采用淺埋暗挖法穿越地層時(shí)，必然會造成深層土體及地表不同程度的沉降變形，甚至影響地鄰近既有建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)安全[1-2]。而為了控制隧道暗挖施工引起的土體沉降變形，保障既有建（構(gòu)）筑物的安全和地鐵隧道安全施工，通常對隧道穿越地層進(jìn)行劈裂注漿超前加固[3-4]。但劈裂注漿屬于隱蔽工程，易受注漿參數(shù)、注漿工藝、施工環(huán)等因素的影響，現(xiàn)有關(guān)于劈裂注漿漿液擴(kuò)散過程方面的研究并不完善。

由于土體具有離散、非連續(xù)的特性，相較于有限元法而言，以PFC 軟件為代表的離散單元法在注漿機(jī)理方面的研究和應(yīng)用更為廣泛。鄭剛等[5]基于離散單元法，提出在劈裂注漿裂縫產(chǎn)生后通過較小漿液顆粒填充來模擬注漿過程中漿液的侵入。秦鵬飛[6]運(yùn)用PFC2D 軟件，研究了不良地質(zhì)體劈裂漿脈最終形態(tài)及顆粒的位移情況，并初步研究了不同漿液黏度、不同地質(zhì)條件對注漿效果的影響。Zhang 等[7]研究了流體注入干燥致密顆粒介質(zhì)的過程，以及流體粘度和材料特性對漿液擴(kuò)散的影響。Yu 等[8]采用離散元方法模擬了松軟煤層的注漿劈裂過程，研究了煤層原生裂隙對注漿效果的影響。耿萍等[9]研究了在多孔注漿條件下，注漿孔布置、注漿順序?qū)ψ{效果的影響。然而，目前關(guān)于黃土劈裂注漿中從劈裂縫產(chǎn)生至漿脈擴(kuò)展整個(gè)動(dòng)態(tài)過程的研究較少。

采用PFC2D 離散元軟件建立了西安地區(qū)黃土劈裂注漿的數(shù)值模型，對黃土劈裂注漿中劈裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展的全過程進(jìn)行研究，并分析劈裂注漿過程中土體應(yīng)力場、孔隙率的變化規(guī)律。此外，研究了注漿壓力對于漿脈擴(kuò)展形態(tài)的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型的建立

為了模擬研究黃土劈裂注漿的整個(gè)發(fā)展過程和漿脈的幾何分布規(guī)律，采用PFC2D 顆粒離散元軟件建立模型，模型尺寸為4m×4m，內(nèi)部充填密實(shí)的顆粒單元模擬實(shí)際的土層結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型如圖1 所示。注漿孔位于模型正中心位置，模型四周設(shè)立“墻”單元形成模型的邊界，并通過“伺服系統(tǒng)”調(diào)整墻的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對顆粒進(jìn)行適當(dāng)壓縮，改變顆粒間的作用力，獲得可設(shè)定的側(cè)向約束力。

圖1 計(jì)算模型

1.2 模型參數(shù)

在PFC 軟件中，使用的是細(xì)觀參數(shù)，而非宏觀物理力學(xué)參數(shù)，且兩者沒有直接聯(lián)系。不同的細(xì)觀參數(shù)模擬出的土體物理力學(xué)性能不同。因此，選取合理的細(xì)觀參數(shù)尤為重要。本文以室內(nèi)黃土土工試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，取用西安地鐵四號線黃土試樣，黃土的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示，黃土的細(xì)觀參數(shù)如表2 和表3 所示。

表1 黃土物理力學(xué)參數(shù)

表2 黃土的細(xì)觀參數(shù)

表3 流體域的細(xì)觀參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 黃土劈裂注漿過程

為研究黃土劈裂注漿漿液擴(kuò)散全過程，數(shù)值模擬中注漿壓力從0.05MPa 開始逐級遞增，每一級增量為0.05MPa且在每級注漿壓力下穩(wěn)定一段時(shí)間，直至注漿壓力達(dá)到0.35MPa。

圖2 給出了劈裂注漿過程漿液擴(kuò)散情況，其中青色圓表示注入漿體的壓力，紅色線段表示黃土顆粒間的粘結(jié)被破壞形成的劈裂縫，黑色圓圈分別為半徑為0.5、1.0、1.5和2.0m 的4 個(gè)測量圓。從圖2 可以看出，當(dāng)注漿壓力小于等于0.2MPa 時(shí)，此時(shí)由于注漿壓力較小，漿液對土體有擠密作用但不能劈裂土體；注漿壓力增加至0.25MPa 時(shí)，由于部分土體顆粒所受外力超出顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度，漿液開始劈裂土體，出現(xiàn)了第一條劈裂縫，穩(wěn)定壓力注漿一段時(shí)間，漿液繼續(xù)劈裂土體形成了第一條主漿脈。隨著注漿壓力的增加，漿液在第一條主漿脈通道逐漸飽和，在注漿孔周圍發(fā)生了二次劈裂，產(chǎn)生了新的漿脈分支；注漿壓力達(dá)到0.35MPa 時(shí)，多條主漿脈最終形成如圖2 所示的漿脈分布形態(tài)，起到支撐土體的骨架作用。

圖2 劈裂注漿過程漿液擴(kuò)散示意圖

圖3 為注漿過程中土體x 方向應(yīng)力分布圖。從圖3 可以看出，在注漿的初始階段，土體未出現(xiàn)劈裂，拉應(yīng)力集中在注漿孔周圍，如圖3（a）；當(dāng)壓力達(dá)到啟劈壓力，土體被劈裂并形成縱向劈裂縫，劈裂縫的兩端出現(xiàn)兩個(gè)拉應(yīng)力集中區(qū)，而垂直于劈裂縫的兩側(cè)也出現(xiàn)了兩個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)，如圖3（b）；繼續(xù)注漿，新的劈裂縫不斷形成在拉應(yīng)力集中區(qū)，拉應(yīng)力區(qū)也隨著劈裂縫尖端的發(fā)展而變化，如圖3（c）；當(dāng)注漿壓力繼續(xù)增加時(shí)，漿液在原有的劈裂縫基礎(chǔ)上再次劈裂土體，形成新的漿脈分支，而新漿脈分支的發(fā)展與土體應(yīng)力相關(guān)，如圖3（d）。另一方面，由于劈裂縫中漿液對土體的擠密作用，大部分未劈裂土體都受到壓實(shí)作用，特別是緊鄰注漿孔且未發(fā)生劈裂的土體，此處最大壓應(yīng)力從20kPa 逐步增加到237kPa，也說明了注漿對于周圍土體的壓實(shí)作用是伴隨著注漿進(jìn)程同時(shí)發(fā)生的。

圖3 注漿過程土體x 方向應(yīng)力分布圖

圖4 是注漿過程中土體孔隙率變化曲線圖。由圖可知，在初次劈裂之前土體孔隙率基本不變。當(dāng)達(dá)到啟劈壓力（0.25MPa）且產(chǎn)生劈裂縫后，孔隙率才開始逐漸增加，但增長幅度較小，說明此階段漿液填充劈裂縫的空間并不多。土體孔隙率的顯著增加發(fā)生在土體二次劈裂甚至多次劈裂之后，且孔隙率增大速度逐漸加快，這說明越來越多的土體空間被漿液填充，且填充速度也逐漸加快。

圖4 注漿過程土體孔隙率變化曲線

2.2 注漿壓力對漿液擴(kuò)散的影響

為了研究不同注漿壓力下漿液的擴(kuò)散規(guī)律，在保持其他參數(shù)不變的情況下，模擬得到了初始注漿壓力分別為0.30MPa、0.35MPa、0.40MPa 和0.45MPa 的漿液擴(kuò)散情況。圖5 為不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散范圍。從圖5 可以看出，隨著注漿壓力的增大，漿脈分支的數(shù)量也隨之增多，尤其是在0.30MPa 至0.40MPa 這一壓力區(qū)間，漿脈的分支從2條增加到6 條。

圖5 不同注漿壓力下漿脈分布圖

圖6 為不同注漿壓力下土體孔隙率變化曲線。由圖可知，當(dāng)注漿壓力為0.3MPa 時(shí)，注漿孔周圍土體的最終平均孔隙率達(dá)24%，即注漿率為1%，而當(dāng)注漿壓力為0.45MPa時(shí)，注漿孔周邊最終平均孔隙率達(dá)28%，即注漿率達(dá)5%，劈裂注漿效應(yīng)明顯提高了注漿孔周邊土體的孔隙率，表明注漿壓力的增大提高了漿液的注入量。隨著注漿壓力的增大，漿脈分支數(shù)量和注漿孔周邊漿液注入量也隨之增加，但不能忽略當(dāng)注漿壓力過大時(shí)注漿孔周邊及漿脈分支之間的土體更容易被破壞。所以在工程實(shí)踐中，合理選擇注漿壓力的大小，既能控制漿脈數(shù)量又能減小土體破壞范圍，如當(dāng)注漿壓力為0.35MPa 時(shí)，漿脈數(shù)量較多，且土體破壞范圍相對較小。

圖6 不同注漿壓力下土體孔隙率變化曲線

3 結(jié)論

由于劈裂注漿過程的隱蔽性和復(fù)雜性，漿液在土體中的擴(kuò)散全過程不易得到。采用PFC2D 離散元軟件，研究了黃土劈裂注漿中劈裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展的全過程，以及注漿壓力和圍壓等因素對于漿脈擴(kuò)展形態(tài)的影響規(guī)律。結(jié)論如下：①再現(xiàn)了劈裂注漿漿液擴(kuò)散全過程，當(dāng)注漿壓力達(dá)到啟劈壓力時(shí)，土體開始劈裂；注漿壓力持續(xù)增大，新的漿脈分支出現(xiàn)，各漿脈持續(xù)擴(kuò)展。整個(gè)劈裂注漿的過程，土體孔隙率在初始劈裂后增加緩慢，在土體二次劈裂后增加明顯。②劈裂縫尖端形成拉應(yīng)力集中，而劈裂縫的擴(kuò)展主要是由劈裂縫尖端的拉應(yīng)力引起。③注漿壓力對漿脈的擴(kuò)展影響明顯，隨注漿壓力的增大，漿脈分支的數(shù)量增多，注漿孔周邊土體孔隙率增大。