楊偉軍，張維鑫，朱臨瑞

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

現(xiàn)有施工中有大量軟弱復(fù)雜地基需要進(jìn)行灌漿加固。灌漿技術(shù)以其施工設(shè)備簡(jiǎn)單、工期短、施工中產(chǎn)生的損耗小及操作人數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，已成為中國(guó)水利、巖土、礦井、煤炭及交通等工程施工使用的一項(xiàng)重要技術(shù)[1-2]。

巖土材料因長(zhǎng)期經(jīng)受地質(zhì)構(gòu)造的影響，與普通工程材料相比，其具有結(jié)構(gòu)非連續(xù)、不均勻及各向異性等特點(diǎn)，導(dǎo)致用基于唯象理論的傳統(tǒng)宏觀力學(xué)方法建立起來(lái)的有限元巖土材料模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在著較大的偏差。Cundall[3]提出離散單元法，為針對(duì)具有不連續(xù)、非均質(zhì)、各項(xiàng)異性和非連續(xù)的巖體力學(xué)性能開(kāi)展數(shù)值模擬提供了便利。劉振興[4]通過(guò) TECPLOT后處理軟件對(duì)劈裂灌漿進(jìn)行了數(shù)值模擬。宿輝[5]等人基于流固耦合原理，對(duì)砂性土層灌漿過(guò)程中顆粒接觸力的變化及漿液擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了模擬。郭廣磊[6]運(yùn)用PFC2D軟件，對(duì)黏土中壓力注漿動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬。孫鋒[7]等人通過(guò)PFC2Dfish，建立流動(dòng)方程和壓力方程，將不同灌漿壓力、不同土體性質(zhì)下的漿液壓力擴(kuò)散分布和劈裂裂縫的發(fā)展情況進(jìn)行了對(duì)比。張友葩[8]等人應(yīng)用FLAC3D軟件，針對(duì)注漿墻厚坡體的破壞狀態(tài)、不同位置的位移變化情況及坡體的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析。區(qū)別于傳統(tǒng)的靜壓注漿和高壓旋噴灌漿，無(wú)返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿技術(shù)是靜壓灌漿和高壓旋噴灌漿相結(jié)合產(chǎn)生的新型灌漿技術(shù)。由于灌漿過(guò)程深藏于地下，包含著滲透、擠密及擠劈等多種復(fù)雜的作用，裂縫的發(fā)生和發(fā)展無(wú)法直接觀測(cè)[9]。作者擬采用離散元顆粒流PFC2D軟件，對(duì)無(wú)返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿過(guò)程進(jìn)行細(xì)觀模擬，研究灌漿壓力和灌漿持續(xù)時(shí)間對(duì)灌注效果的影響。與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯試驗(yàn)相結(jié)合，研究無(wú)返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿技術(shù)的灌漿機(jī)理。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 砂性土顆粒細(xì)觀參數(shù)及邊界條件的確定

采用顆粒流PFC2D5.0軟件，建立砂性土地層的二維數(shù)值模擬模型。該模型為20 m×20 m的正方形，在顆粒模型中心以1 m為半徑，刪除圓內(nèi)部顆粒來(lái)模擬鉆具在砂性土層中鉆灌形成的孔洞，通過(guò)控制 P-given參數(shù)來(lái)控制灌漿壓力。土體顆粒為理想圓形顆粒狀，顆粒半徑服從均勻分布。顆粒的細(xì)觀參數(shù)為：顆粒半徑≥0.35 m；粒徑比1.66；顆粒密度2 750 kg/m3；平行粘結(jié)模量15×109Pa；摩擦系數(shù)0.1；法向接觸粘結(jié)強(qiáng)度20×106Pa；切向接觸粘結(jié)強(qiáng)度20×106Pa。被灌地層原狀土體離鉆孔較遠(yuǎn)邊界位置的土體因不受灌注擾動(dòng)，不會(huì)發(fā)生移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，因此可將該模型建成四面墻體，且將墻體四周邊界顆粒設(shè)為固定，不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或者線性移動(dòng)，上、下邊界設(shè)置為不透水層。

選取接觸粘結(jié)模型來(lái)模擬顆粒間沒(méi)有明顯粘結(jié)力的砂性土材料，該模型的強(qiáng)度由切向粘結(jié)強(qiáng)度和法向粘結(jié)強(qiáng)度來(lái)共同掌控。

1.2 流固耦合的實(shí)現(xiàn)

巖土體的水力劈裂及灌漿過(guò)程是滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的流固耦合過(guò)程[10]。該模型通過(guò)引入流體“域”和流體“管道”來(lái)模擬流體作用，如圖1所示。流體“域”為一組黑色顆粒，通過(guò)指針將所有“域”互相聯(lián)系起來(lái)。其體積的大小與周?chē)ǖ篱g隙的大小和數(shù)量有關(guān)，“域”中的壓力隨著耦合計(jì)算的進(jìn)行不斷變化，并以體積力的形式不斷施加至各顆粒上，以此形成耦合機(jī)制。用位于顆粒接觸處且相切于2個(gè)顆粒的黑色“管道”來(lái)模擬固體顆粒中流體的水流通道，通道間隙的大小與顆粒間相互接觸的法向位移成正比，顆粒的連接破壞和位移直接影響到通道間隙。流體管道相當(dāng)于一個(gè)平板通道，通道長(zhǎng)度為 L，孔徑為 a。單位厚度在垂直平面方向上管道內(nèi)的流量[11]為：

式中：q為單位時(shí)間體積內(nèi)平板縫隙內(nèi)的流量；Kf為縫隙內(nèi)的水力傳導(dǎo)系數(shù)；Q2-Q1為相鄰兩個(gè)流體域的壓力差。

實(shí)現(xiàn)流固耦合的步驟為：①設(shè)置滲流狀態(tài)。通過(guò)接觸的張開(kāi)與閉合或接觸力的變化，實(shí)現(xiàn)通道間隙的變化。②設(shè)置應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)改變區(qū)域的力學(xué)特性來(lái)改變其中的壓力。③設(shè)置細(xì)觀耦合力。區(qū)域孔隙壓力對(duì)其周邊土顆粒有推移作用。在計(jì)算流體對(duì)顆粒的作用時(shí)，流體對(duì)顆粒的作用力是以流體域?yàn)閱挝贿M(jìn)行計(jì)算的。在此流體域內(nèi)的顆粒受到的流體作用力等于流體域內(nèi)壓力與顆粒顯露于流體域內(nèi)面積的乘積。反之，顆粒也會(huì)影響流體的流速，從而實(shí)現(xiàn)流固耦合。

圖1 流固耦合示意Fig. 1 Schematic diagram of fluid solid coupling

流體域細(xì)觀參數(shù)為：水頭壓力1.0×106Pa；滲透系數(shù)1.0×10-5；域的表觀體積1.0 mm3；一個(gè)域的管道數(shù)量2個(gè)；傳導(dǎo)系數(shù)1.0×10-5m/s；流體域體積模量1.0×106kPa；管道直徑1.0 mm；時(shí)間步長(zhǎng) 1.0×10-2s。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 灌漿壓力對(duì)水力劈裂的影響分析

采用顆粒流模擬砂性土層中的灌漿過(guò)程，分別施加低壓3 MPa、高壓20 MPa和9 MPa 3種壓力并將其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從細(xì)觀層面觀察裂縫的發(fā)生、發(fā)展，對(duì)灌漿持續(xù)時(shí)間和灌漿壓力的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。

隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，中心孔向外不斷輸出恒定灌漿壓力。由于地層土顆粒的不均勻性和物理力學(xué)性質(zhì)的差異，因此土體的劈裂點(diǎn)為隨機(jī)產(chǎn)生的薄弱點(diǎn)處。在20 MPa灌漿壓力作用下，裂隙發(fā)育狀態(tài)如圖2所示。

圖2 在20 MPa灌漿壓力作用下的裂隙發(fā)育狀態(tài)Fig. 2 Crack development of 20 MPa grouting pressure

在3 MPa灌漿壓力作用下，前期未產(chǎn)生出明顯的劈裂裂縫產(chǎn)生，12 s后有一微小極短的裂縫在灌漿孔邊緣出現(xiàn)。

在9 MPa灌漿壓力作用下，3 s時(shí)距離灌漿孔前端出現(xiàn)裂縫。隨著作用時(shí)間的增加，漿脈向外延伸，灌漿范圍逐漸增大，第一條主裂縫逐漸清晰并在側(cè)枝有第二條裂縫產(chǎn)生的趨勢(shì)，最終裂縫定格在“X型”狀態(tài)。

在20 MPa灌漿壓力作用下，開(kāi)始時(shí)灌漿孔周?chē)呀?jīng)出現(xiàn)密集的劈裂裂縫，裂縫發(fā)展迅速且突然，后期模型對(duì)角線方向大量的裂縫連接、貫通形成粗壯的大型裂縫。

土顆粒間初始應(yīng)力為0 MPa，不同灌漿壓力作用下的土體應(yīng)力如圖3所示。施加低壓時(shí)，模型應(yīng)力除孔口應(yīng)力稍大外，整體分布較為均勻，灌漿壓力主要用來(lái)克服土顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度；施加高壓時(shí)，拉應(yīng)力從灌漿孔向外呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)且最大應(yīng)力以“X型”狀態(tài)分布，約在四邊中點(diǎn)位置處土顆粒的拉應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，此處的土顆粒處于受擠壓狀態(tài)。

圖3 不同灌漿壓力作用下的土體應(yīng)力Fig. 3 Stress diagram of soil under different grouting pressures

灌漿壓力和灌漿持續(xù)時(shí)間將是影響裂隙程度和灌漿范圍的重要因素。灌漿持續(xù)時(shí)間由旋轉(zhuǎn)速度和提升速度控制，因此，在設(shè)計(jì)固結(jié)樁體尺寸時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置旋噴速度、提升速度和灌漿壓力。灌漿壓力越大，高壓射流的能量和流速越大，高壓射流的破壞能力越強(qiáng)，灌漿作用的范圍越大。但若灌漿壓力過(guò)大，則影響灌漿效果。灌漿持續(xù)時(shí)間過(guò)短，裂隙發(fā)育程度低，固結(jié)體成型不佳，灌漿作用的范圍變小，樁體尺寸達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。若灌漿持續(xù)時(shí)間過(guò)大，過(guò)量的漿液滯留在土體內(nèi)，造成返漿、冒漿，浪費(fèi)資源，增加成本，嚴(yán)重的將引發(fā)地面抬動(dòng)等不良狀況。

2.2 灌漿壓力對(duì)孔隙率的影響分析

在3 MPa和20 MPa灌漿壓力的作用下采用無(wú)返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿技術(shù)時(shí)孔隙率的變化分別如圖4所示。

圖4 在不同灌漿壓力作用下的孔隙率變化曲線Fig. 4 Porosity change of different grouting pressures

在3 MPa灌漿壓力作用下，土體首先被壓縮，孔隙率降低。隨后，漿液隨壓力滲透到孔壁土體內(nèi)部，孔壁土體開(kāi)始吸收一部分漿液中置換出的原狀土體內(nèi)部的空氣和自由水，孔隙率有所上升。滲透作用所產(chǎn)生的漿液置換出的空氣和自由水的量很小，孔隙率上升得并不顯著。若繼續(xù)施加灌漿壓力，漿液的流動(dòng)性會(huì)變小，漿液所遇到的阻力不斷增大，漿液在流動(dòng)過(guò)程中壓力損失逐漸增大。當(dāng)滲透作用進(jìn)行到一定深度時(shí)，漿液所受阻力逐漸趨于某一穩(wěn)定值，漿液的滲透作用即停止，孔隙率保持平穩(wěn)不再上升。整個(gè)低壓灌漿過(guò)程以擠密和滲透作用為主。

在20 MPa高壓灌漿壓力下，漿液通過(guò)漿泡對(duì)土體孔隙等部位起到壓密作用，土顆粒出現(xiàn)背離灌漿孔的位移，迫使一定區(qū)域內(nèi)土體被擠密，砂性土顆粒被急劇壓縮，孔隙率快速減小。但當(dāng)灌漿壓力較大、漿液能量大于土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度臨界值時(shí)，在地層接觸張力較大的土顆粒連接處會(huì)產(chǎn)生剪切力，使土體產(chǎn)生水力劈裂，漿液沿著軟弱面進(jìn)行劈裂流動(dòng)。裂縫快速發(fā)生、發(fā)展，漿液隨劈裂裂縫進(jìn)入土體內(nèi)部，土體的空間置換率加大，孔隙率逐漸增大，孔隙率曲線回升。隨著作用時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)，孔隙率繼續(xù)增大，曲線陡峭。整個(gè)高壓灌漿前期出現(xiàn)“高壓擠密”作用，后期以“高壓擠劈”作用為主。

2.3 孔壓變化分析

不同灌漿壓力作用下的孔壓變化曲線如圖5所示。X方向孔壓(孔壓變化與設(shè)定的監(jiān)測(cè)指針?lè)较蛳喾?，呈現(xiàn)負(fù)值變化)曲線分為3個(gè)部分：①孔壓增加階段；②孔壓調(diào)整階段；③孔壓穩(wěn)定階段。

圖5 不同灌漿壓力作用下的孔壓變化曲線Fig. 5 Variation of pore pressure under different grouting pressures

從圖5中可以看出，3種灌漿壓力都有明顯的增長(zhǎng)階段，壓力越大的孔壓增長(zhǎng)段越長(zhǎng)。低壓下曲線很快進(jìn)入水平階段。表明：后期隨著灌漿時(shí)間的增長(zhǎng)，土顆粒受到擾動(dòng)之后進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，微整后在新的位置達(dá)到平衡狀態(tài)，漿液對(duì)土體的作用不再進(jìn)一步發(fā)生。而高壓下曲線后段雖走勢(shì)不再增長(zhǎng)，但一直維持水平震蕩狀態(tài)。表明：在強(qiáng)灌漿壓力作用下，土顆粒發(fā)生了較大的位移，原始結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞、失穩(wěn)，孔壓在短期內(nèi)很難達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。

由波動(dòng)段可知：灌漿壓力愈小的土體孔壓曲線回升較大，土體回彈及漿液回流現(xiàn)象愈明顯。在灌漿過(guò)程中，應(yīng)注意監(jiān)測(cè)孔內(nèi)應(yīng)力的變化。這樣，既能取得良好的灌注效果又能防止灌漿壓力過(guò)大引起的土體失穩(wěn)及地面抬動(dòng)。在灌漿結(jié)束后，不要立即停止灌漿，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)灌漿循環(huán)，使?jié){液在施壓狀態(tài)下持續(xù)一段時(shí)間，做好孔口封閉工作，防止遠(yuǎn)端漿液向孔內(nèi)回流。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

湖南某防洪堤修建于20世紀(jì)50～80年代?，F(xiàn)狀堤頂高程為36.0～37.3 m，堤基高程約為29.0 m。2017年洪水過(guò)后，需對(duì)以往老舊擋墻和擬建建筑基礎(chǔ)進(jìn)行防滲加固處理。由于其特殊的地理位置，決定引進(jìn)無(wú)返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿技術(shù)作為該工程基礎(chǔ)。該防滲加固灌漿處理技術(shù)為：自上而下采用脈沖量≤0.2 L/沖次、脈沖壓≤3 MPa進(jìn)行鉆灌固孔。自下而上采用≥20 MPa的噴擠壓力進(jìn)行高壓旋噴，噴擠灌入量250 L/段(1.0 m)。該工程地層結(jié)構(gòu)為：①填土，由建筑垃圾碎磚塊碎瓦片、煤渣、黏性土、砂礫石以及樹(shù)根等物質(zhì)無(wú)規(guī)律雜亂堆積，未經(jīng)分層碾壓密實(shí)；②黏性土，為沖擊堆積物，中黏性土、粉質(zhì)黏土和局部黏土質(zhì)粉土組成，有時(shí)為較純的黃色、淺黃色或褐黃色黏性土，有時(shí)含淤泥質(zhì)而呈灰褐色或淺灰黑色；③砂礫層，本區(qū)域砂礫層沉積無(wú)規(guī)律粒徑變化較大，有細(xì)砂、中砂、粗砂、砂礫以及圓礫等幾種砂和碎石土，層位不穩(wěn)定，多呈現(xiàn)透鏡體狀產(chǎn)出。

3.2 灌漿效果檢測(cè)

在成樁28 d后，選取K0-506.600～K0-508.800與K0-510.800～K0-513.000區(qū)段間樁進(jìn)行樁頭開(kāi)挖和取芯檢測(cè)，測(cè)量觀察固結(jié)體的外觀性狀及質(zhì)量，同時(shí)，測(cè)量樁身直徑。樁頭的開(kāi)挖及組成如圖6所示。系統(tǒng)、定量地分析樁身的均勻性有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)樁體的構(gòu)成情況與破土機(jī)理[12]。

圖6 樁頭開(kāi)挖及組成Fig. 6 Excavation and composition of the pile head

中心位置處水泥含量均勻，交接良好。芯樣呈短柱狀，成型良好，向外的水泥漿液占比逐漸減少，取芯顯示出水泥漿液與土體顆粒的混合固結(jié)體，此部分為高分水泥漿液對(duì)土體沖切摻攪作用的結(jié)果。25 cm處水泥漿液含量減少，芯樣呈短柱狀，局部未成型，此部分為高壓噴射漿液對(duì)土體擠密、劈裂作用的結(jié)果。樁徑在650～900 mm之間，旋噴樁整體質(zhì)量良好，水泥漿液與土顆粒膠結(jié)良好。固結(jié)體中土顆粒占 50%～60%，原有土體與灌漿漿液均對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度具有很大的影響。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得：在黏性土中，形成的固結(jié)體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1～5 MPa；在砂性土中，形成的固結(jié)體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 5～15 MPa。

3.3 無(wú)返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿原理分析

用無(wú)返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿新技術(shù)進(jìn)行松軟地層防滲或加固灌漿時(shí)，全孔采用脈沖壓≤3 MPa漿液鉆灌一體灌漿工藝對(duì)松軟地層全孔進(jìn)行鉆灌，漿液滲透擠密孔壁土體，達(dá)到防滲和提高土體黏聚力的效果，后續(xù)高壓旋噴灌漿局部自封并起到固壁作用，防止塌孔。到達(dá)設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行高壓旋噴灌漿，距離灌漿孔近處噴射速度和能量較高。當(dāng)脈沖動(dòng)壓大于土體結(jié)構(gòu)的破壞極限時(shí)，土體結(jié)構(gòu)受到噴射動(dòng)壓、沖擊力、脈動(dòng)負(fù)壓及空穴效應(yīng)等共同作用，產(chǎn)生凹陷并沖散，與灌漿材料混合并到達(dá)高壓噴射流中，對(duì)松軟地層進(jìn)行高壓噴射沖切摻攪灌注。距離灌漿孔遠(yuǎn)端的漿液動(dòng)壓和速度逐漸衰減，遠(yuǎn)端軸向動(dòng)壓遠(yuǎn)小于噴嘴處原始動(dòng)壓，其能量衰減巨大。漿液與旋噴機(jī)具形成活塞密封效應(yīng)，沿著高壓噴射流方向仍能產(chǎn)生較大的壓力，在軟弱破裂面處產(chǎn)生剪切力，對(duì)松軟地層復(fù)合進(jìn)行高壓擠密和高壓劈裂灌注。

在無(wú)返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿中，為了能夠準(zhǔn)確確定灌漿設(shè)計(jì)施工參數(shù)，經(jīng)模型計(jì)算與工程應(yīng)用分析，得到影響固結(jié)體尺寸的因素有：①高速水噴流的噴射壓力；②噴嘴的提升速度；③噴嘴的旋轉(zhuǎn)速度；④地質(zhì)材料的物理力學(xué)性質(zhì)等。

4 結(jié)論

基于二維離散元顆粒流數(shù)值模擬，建立灌漿模型，分別對(duì)比不同灌漿壓力和灌漿持續(xù)時(shí)間下灌漿裂縫的發(fā)生、發(fā)育程度，結(jié)合工程實(shí)踐研究，得出的結(jié)論為：

1) 采用離散元 PFC2D軟件進(jìn)行砂性土灌漿細(xì)觀模擬，在恒定灌漿壓力下，拉應(yīng)力在土顆粒中呈“X型”分布，對(duì)角線之間呈現(xiàn)較大的壓應(yīng)力。灌漿孔周?chē)膽?yīng)力最大，漿脈密集，由灌漿孔向外。隨著應(yīng)力的減小，漿脈逐漸變細(xì)。當(dāng)應(yīng)力小于顆粒間的法向粘結(jié)強(qiáng)度和切向粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，劈裂結(jié)束。

2) 灌漿持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短和灌漿壓力的大小決定了裂隙發(fā)育程度和灌漿范圍的差異。在灌漿過(guò)程中，應(yīng)注意監(jiān)測(cè)灌漿壓力。在灌漿結(jié)束后，不要立即停止灌漿，使?jié){液在壓力狀態(tài)下維持一段時(shí)間，并做好封口裝置。

3) 結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)取芯試驗(yàn)，得出無(wú)返漿高壓旋噴復(fù)合灌漿機(jī)理為：鉆灌一體階段漿液滲透并壓密土體，起到固壁作用，防止塌孔；在高壓噴射階段，漿液在高壓沖切摻攪、高壓擠密以及高壓擠劈作用下破土成樁，所形成的水泥土摻攪體、高壓擠擴(kuò)體及高壓擠劈體等復(fù)合灌漿固結(jié)體的質(zhì)量均勻且成型良好。

地層水環(huán)境與水壓對(duì)灌漿機(jī)理的影響、不同的地層的對(duì)應(yīng)灌漿壓力還有待作者后續(xù)進(jìn)行深入研究。