基于misea塑性屈服條件的劈裂灌漿壓力研究與工程應(yīng)用

余國(guó)慶，盧增梅，朱 霞

(1.淳安縣水利水電局，浙江 淳安 311700；2.杭州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司淳安分公司，浙江 淳安 311700)

劈裂灌漿是從充填灌漿發(fā)展而來(lái)的，它利用土壩具有在壩軸線方向上有最小主應(yīng)力面的特點(diǎn)，通過(guò)在壩軸線上布設(shè)灌漿孔，以大于最小主應(yīng)力的灌漿壓力沿壩軸線劈開(kāi)壩體，經(jīng)多次復(fù)灌，使其在壩軸線方向上形成一條連續(xù)的泥脈而起到帷幕加固作用。同時(shí)，在灌漿中充填空洞、裂隙、擠壓壩體，改善了壩體應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)解決壩體滲漏，改善壩體應(yīng)力狀態(tài)有顯著的效果。目前，已形成了一套較為完整的大壩劈裂灌漿工藝?yán)碚?，并?983年通過(guò)原水電部鑒定后得以推廣應(yīng)用。雖然該技術(shù)在施工理論上取得了豐碩成果，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，起裂壓力、正常灌漿壓力估算與實(shí)際情況相差懸殊。文章從厚壁圓筒受內(nèi)外壓力的彈性解出發(fā)，在彈塑性力學(xué)和斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)上，對(duì)起裂壓力、正常灌漿壓力估算方法進(jìn)行了探討。

1 起裂壓力

鉆孔劈裂灌漿可以簡(jiǎn)化為承受內(nèi)、外壓力的長(zhǎng)厚壁圓筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。其橫截面荷載沿圓筒軸向不變，形成了軸對(duì)稱平面應(yīng)變問(wèn)題，在公式推導(dǎo)中，作下述假設(shè)：(1)巖土體為各向同性的理想彈塑性材料，忽略巖土的應(yīng)變軟化特征；(2)不考慮球形應(yīng)力張量(靜水壓力)對(duì)塑性屈服條件的影響和體力作用；(3)圓筒四周存在等向壓力P0作用，沿鉆孔軸向不變。根據(jù)平面軸對(duì)稱問(wèn)題的邊界條件，厚壁圓筒彈性應(yīng)力解為：

圖1

(1)

(2)

σΖ=μ(σr+σθ)

(3)

對(duì)劈裂灌漿中的鉆孔和孔周受擠壓的土體，上述圓筒外圍四周的壓力可以看作是作用在無(wú)限遠(yuǎn)處的靜止土壓力P0，作用在圓筒內(nèi)壁的P可以看作是鉆孔的灌漿壓力。式(1)～(3)中，當(dāng)b→∞時(shí)，可得到孔周土體的彈性狀態(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)。

(4)

(5)

σΖ=μ(σθ+σr)

(6)

隨著鉆孔灌漿壓力的增大，孔周土體中的σr、σθ、σz隨之增大，當(dāng)它們的組合達(dá)到土的屈服條件時(shí)，就進(jìn)入塑性狀態(tài)，由于是平面對(duì)稱應(yīng)力問(wèn)題，所以τru=τθr=τzr=0，則σr、σθ、σz均為主應(yīng)力，由εz=0、μ=1/2代入Misea屈服條件得：

(7)

將(5)、(6)代入(9)式得

(8)

式中，P0(P1)—圓筒內(nèi)壓力(鉆孔灌漿起裂壓力)；σs—土體單向拉伸屈服強(qiáng)度，無(wú)土工實(shí)驗(yàn)資料時(shí)，黏性土取0.01～0.2MPa；P0—壩體最小主應(yīng)力方向上的靜止土壓力，P0=K′ρh；r—土體塑性屈服范圍(半徑)；ρ—土體容重；h—鉆孔灌漿段以上土體厚度；K′—側(cè)向土壓力系數(shù)，均質(zhì)壩0.4～0.7；寬心墻壩0.25～0.6；σr、σθ、σz—孔周土體徑向、環(huán)向、軸向應(yīng)力；μ—巖土材料泊松比。

從(8)式可見(jiàn)，塑性變形范圍與灌漿壓力、孔徑大小成正比，與單向拉伸屈服強(qiáng)度成反比。由于巖土體是散粒材料，當(dāng)拉應(yīng)力大于巖土材料的抗拉屈服強(qiáng)度，或內(nèi)力組合應(yīng)力(σθ、σr)達(dá)到Misea屈服條件(或稱強(qiáng)度準(zhǔn)則)時(shí)，巖土材料將出現(xiàn)宏觀裂紋，并進(jìn)入無(wú)約束的塑性變形狀態(tài)。而劈裂灌漿過(guò)程是先水力劈裂再灌入漿液的過(guò)程，起裂壓力是孔周土體被劈開(kāi)的壓力，在起裂壓力P1作用下，孔周巖土塑性屈服后就形成了鉆孔帶沿最小主應(yīng)力方向的裂縫結(jié)構(gòu)。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，在外力作用下，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，沿裂紋尖端軸線方向的塑性區(qū)大小為：

(9)

將(9)代入(8)式得：

(10)

需要指出的是，造孔方法對(duì)起裂壓力大小影響很大，當(dāng)采用泥漿鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆孔半徑的計(jì)算值偏小、土體拉伸屈服強(qiáng)度計(jì)算值偏大，進(jìn)而使起裂壓力估算值偏大?；诎踩紤]，必須進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，根據(jù)大壩部位、土質(zhì)、孔深不同分別布孔確定灌漿壓力參數(shù)。

2 正常灌漿壓力

正常灌漿壓力是指起裂以后的裂縫擴(kuò)展止裂臨界壓力，鉆孔灌漿壓力達(dá)到起裂壓力后，孔口表計(jì)壓力值讀數(shù)驟降或吃漿量驟增，表明壩體已被劈開(kāi)，在壩體最小主應(yīng)力方向形成了裂縫如圖2所示。當(dāng)裂縫擴(kuò)展到止裂條件時(shí)，裂縫不在延伸，注入的泥漿在壓力作用下釋水固結(jié)并經(jīng)多次復(fù)灌后加厚漿脈。根據(jù)斷裂力學(xué)理論公式，裂縫止裂臨界壓力P2為：

圖2

(11)

P2≈σ3=K′ρh

(12)

3 允許灌漿壓力

灌漿壓力作用于壩體縱向裂縫時(shí)，土體處于被動(dòng)土壓力狀態(tài)，當(dāng)灌漿壓力超過(guò)朗肯被動(dòng)極限壓力時(shí)，則壩體可能會(huì)產(chǎn)生剪切破壞如圖3所示，因此，劈裂灌漿的最大壓力不得大于允許灌漿壓力，即：

圖3

(13)

考慮施灌中的壩坡安全，取安全系數(shù)1.5～2.0。

式中，r—土的容重；C、φ—土的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

幸福水庫(kù)位于新安江上游進(jìn)賢溪支流的淳安縣境內(nèi)，壩址以上集雨面積12.8km2，總庫(kù)容45萬(wàn)m3。攔河壩為均質(zhì)土壩，最大壩高26.9m，壩軸線長(zhǎng)70m，上游壩坡1∶1.5～1∶2.6，下游壩坡1∶1.6～1∶2.0，壩頂寬度5～6m，設(shè)岸邊開(kāi)敞式溢洪道，挑流消能。

壩基為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)頁(yè)巖，土料為含礫粉砂質(zhì)粘土，礫石含量11%～21%，粘粒含量10%～14%，塑性指數(shù)10.2～15.0，天然容重18.2～18.6kN/m3，內(nèi)摩擦角13.2～21.6°，內(nèi)聚力25～43kPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)，滲透系數(shù)2.74×10-4～1.13×10-3cm/s。

根據(jù)水庫(kù)安全鑒定和初步設(shè)計(jì)報(bào)告，下游坡度和壩肩有滲出點(diǎn)，滲水點(diǎn)集中在距壩頂12m以上部位。按設(shè)計(jì)方案，采用劈裂灌漿處理，以達(dá)到減小土體滲透系數(shù)、斷截滲水通道的目的。

4.2 灌漿孔布置及工程量

劈裂灌漿工程于2017年9月4日開(kāi)始，10月28日完工，沿壩軸線布置一排，共18個(gè)鉆孔(含4個(gè)實(shí)驗(yàn)孔)，孔深10～14m不等，孔距4m，完成總進(jìn)尺246m。

4.3 壓力控制

施工前在壩肩、河床部位共布置灌漿試驗(yàn)孔4個(gè)，壓力參數(shù)如下：起裂壓力：估算值0.11～0.20MPa，試驗(yàn)值0.08～0.23MPa；正常灌漿壓力：估算值0.10～0.17MPa，試驗(yàn)值0.05～0.21MPa。從灌漿試驗(yàn)成果看，試驗(yàn)值略大于估算值。另外，根據(jù)(13)式估算灌漿控制壓力不得大于0.30MPa，因此，工程施工灌漿壓力控制在0.05～0.25MPa之間。

4.4 劈裂灌漿效果

經(jīng)第三方檢測(cè)，工程布孔、工藝操作、壓力控制、漿液性狀、位移觀測(cè)、應(yīng)急處理等均符合規(guī)范規(guī)定，漿脈厚度滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)汛期高水位運(yùn)行觀測(cè)，浸潤(rùn)線有明顯下降，滲漏點(diǎn)基本消失。

5 結(jié)語(yǔ)

劈裂灌漿壓力控制是堤壩劈裂灌漿施工中的難點(diǎn)。本文應(yīng)用Missea塑性屈服條件，建立了孔周土體屈服半徑與灌漿壓力、鉆孔內(nèi)徑的關(guān)系以及起裂壓力半經(jīng)驗(yàn)公式；根據(jù)有限厚板連續(xù)分布荷載作用于裂面的止裂理論，得出了正常灌漿壓力約等于堤壩初始最小主應(yīng)力。由于在分析推導(dǎo)中，假設(shè)巖土為理想的彈塑性材料，忽略了其應(yīng)變軟化特征，以及P0取值的不確定性、漿液粘滯性以及填筑質(zhì)量等的影響，致使起裂壓力、正常灌漿壓力估算值與工程實(shí)際有一定偏離，但顯然小于規(guī)范推薦的土柱重加上土的抗拉強(qiáng)度作為劈裂灌漿的允許最大控制壓力。