黄土劈裂注浆过程数值模拟研究

张杰 ZHANG Jie

（中铁隧道局集团有限公司，广州 511458）

0 引言

城市地铁工程采用浅埋暗挖法穿越地层时，必然会造成深层土体及地表不同程度的沉降变形，甚至影响地邻近既有建（构）筑物的结构安全[1-2]。而为了控制隧道暗挖施工引起的土体沉降变形，保障既有建（构）筑物的安全和地铁隧道安全施工，通常对隧道穿越地层进行劈裂注浆超前加固[3-4]。但劈裂注浆属于隐蔽工程，易受注浆参数、注浆工艺、施工环等因素的影响，现有关于劈裂注浆浆液扩散过程方面的研究并不完善。

由于土体具有离散、非连续的特性，相较于有限元法而言，以PFC 软件为代表的离散单元法在注浆机理方面的研究和应用更为广泛。郑刚等[5]基于离散单元法，提出在劈裂注浆裂缝产生后通过较小浆液颗粒填充来模拟注浆过程中浆液的侵入。秦鹏飞[6]运用PFC2D 软件，研究了不良地质体劈裂浆脉最终形态及颗粒的位移情况，并初步研究了不同浆液黏度、不同地质条件对注浆效果的影响。Zhang 等[7]研究了流体注入干燥致密颗粒介质的过程，以及流体粘度和材料特性对浆液扩散的影响。Yu 等[8]采用离散元方法模拟了松软煤层的注浆劈裂过程，研究了煤层原生裂隙对注浆效果的影响。耿萍等[9]研究了在多孔注浆条件下，注浆孔布置、注浆顺序对注浆效果的影响。然而，目前关于黄土劈裂注浆中从劈裂缝产生至浆脉扩展整个动态过程的研究较少。

采用PFC2D 离散元软件建立了西安地区黄土劈裂注浆的数值模型，对黄土劈裂注浆中劈裂缝的产生与扩展的全过程进行研究，并分析劈裂注浆过程中土体应力场、孔隙率的变化规律。此外，研究了注浆压力对于浆脉扩展形态的影响规律。

1 计算模型

1.1 计算模型的建立

为了模拟研究黄土劈裂注浆的整个发展过程和浆脉的几何分布规律，采用PFC2D 颗粒离散元软件建立模型，模型尺寸为4m×4m，内部充填密实的颗粒单元模拟实际的土层结构，计算模型如图1 所示。注浆孔位于模型正中心位置，模型四周设立“墙”单元形成模型的边界，并通过“伺服系统”调整墙的移动实现对颗粒进行适当压缩，改变颗粒间的作用力，获得可设定的侧向约束力。

图1 计算模型

1.2 模型参数

在PFC 软件中，使用的是细观参数，而非宏观物理力学参数，且两者没有直接联系。不同的细观参数模拟出的土体物理力学性能不同。因此，选取合理的细观参数尤为重要。本文以室内黄土土工试验结果为基础，取用西安地铁四号线黄土试样，黄土的物理力学参数如表1 所示，黄土的细观参数如表2 和表3 所示。

表1 黄土物理力学参数

表2 黄土的细观参数

表3 流体域的细观参数

2 结果分析

2.1 黄土劈裂注浆过程

为研究黄土劈裂注浆浆液扩散全过程，数值模拟中注浆压力从0.05MPa 开始逐级递增，每一级增量为0.05MPa且在每级注浆压力下稳定一段时间，直至注浆压力达到0.35MPa。

图2 给出了劈裂注浆过程浆液扩散情况，其中青色圆表示注入浆体的压力，红色线段表示黄土颗粒间的粘结被破坏形成的劈裂缝，黑色圆圈分别为半径为0.5、1.0、1.5和2.0m 的4 个测量圆。从图2 可以看出，当注浆压力小于等于0.2MPa 时，此时由于注浆压力较小，浆液对土体有挤密作用但不能劈裂土体；注浆压力增加至0.25MPa 时，由于部分土体颗粒所受外力超出颗粒间的粘结强度，浆液开始劈裂土体，出现了第一条劈裂缝，稳定压力注浆一段时间，浆液继续劈裂土体形成了第一条主浆脉。随着注浆压力的增加，浆液在第一条主浆脉通道逐渐饱和，在注浆孔周围发生了二次劈裂，产生了新的浆脉分支；注浆压力达到0.35MPa 时，多条主浆脉最终形成如图2 所示的浆脉分布形态，起到支撑土体的骨架作用。

图2 劈裂注浆过程浆液扩散示意图

图3 为注浆过程中土体x 方向应力分布图。从图3 可以看出，在注浆的初始阶段，土体未出现劈裂，拉应力集中在注浆孔周围，如图3（a）；当压力达到启劈压力，土体被劈裂并形成纵向劈裂缝，劈裂缝的两端出现两个拉应力集中区，而垂直于劈裂缝的两侧也出现了两个压应力集中区，如图3（b）；继续注浆，新的劈裂缝不断形成在拉应力集中区，拉应力区也随着劈裂缝尖端的发展而变化，如图3（c）；当注浆压力继续增加时，浆液在原有的劈裂缝基础上再次劈裂土体，形成新的浆脉分支，而新浆脉分支的发展与土体应力相关，如图3（d）。另一方面，由于劈裂缝中浆液对土体的挤密作用，大部分未劈裂土体都受到压实作用，特别是紧邻注浆孔且未发生劈裂的土体，此处最大压应力从20kPa 逐步增加到237kPa，也说明了注浆对于周围土体的压实作用是伴随着注浆进程同时发生的。

图3 注浆过程土体x 方向应力分布图

图4 是注浆过程中土体孔隙率变化曲线图。由图可知，在初次劈裂之前土体孔隙率基本不变。当达到启劈压力（0.25MPa）且产生劈裂缝后，孔隙率才开始逐渐增加，但增长幅度较小，说明此阶段浆液填充劈裂缝的空间并不多。土体孔隙率的显著增加发生在土体二次劈裂甚至多次劈裂之后，且孔隙率增大速度逐渐加快，这说明越来越多的土体空间被浆液填充，且填充速度也逐渐加快。

图4 注浆过程土体孔隙率变化曲线

2.2 注浆压力对浆液扩散的影响

为了研究不同注浆压力下浆液的扩散规律，在保持其他参数不变的情况下，模拟得到了初始注浆压力分别为0.30MPa、0.35MPa、0.40MPa 和0.45MPa 的浆液扩散情况。图5 为不同注浆压力下浆液扩散范围。从图5 可以看出，随着注浆压力的增大，浆脉分支的数量也随之增多，尤其是在0.30MPa 至0.40MPa 这一压力区间，浆脉的分支从2条增加到6 条。

图5 不同注浆压力下浆脉分布图

图6 为不同注浆压力下土体孔隙率变化曲线。由图可知，当注浆压力为0.3MPa 时，注浆孔周围土体的最终平均孔隙率达24%，即注浆率为1%，而当注浆压力为0.45MPa时，注浆孔周边最终平均孔隙率达28%，即注浆率达5%，劈裂注浆效应明显提高了注浆孔周边土体的孔隙率，表明注浆压力的增大提高了浆液的注入量。随着注浆压力的增大，浆脉分支数量和注浆孔周边浆液注入量也随之增加，但不能忽略当注浆压力过大时注浆孔周边及浆脉分支之间的土体更容易被破坏。所以在工程实践中，合理选择注浆压力的大小，既能控制浆脉数量又能减小土体破坏范围，如当注浆压力为0.35MPa 时，浆脉数量较多，且土体破坏范围相对较小。

图6 不同注浆压力下土体孔隙率变化曲线

3 结论

由于劈裂注浆过程的隐蔽性和复杂性，浆液在土体中的扩散全过程不易得到。采用PFC2D 离散元软件，研究了黄土劈裂注浆中劈裂缝的产生与扩展的全过程，以及注浆压力和围压等因素对于浆脉扩展形态的影响规律。结论如下：①再现了劈裂注浆浆液扩散全过程，当注浆压力达到启劈压力时，土体开始劈裂；注浆压力持续增大，新的浆脉分支出现，各浆脉持续扩展。整个劈裂注浆的过程，土体孔隙率在初始劈裂后增加缓慢，在土体二次劈裂后增加明显。②劈裂缝尖端形成拉应力集中，而劈裂缝的扩展主要是由劈裂缝尖端的拉应力引起。③注浆压力对浆脉的扩展影响明显，随注浆压力的增大，浆脉分支的数量增多，注浆孔周边土体孔隙率增大。