無返漿高壓旋噴復合灌漿機理離散元模擬研究

楊偉軍，張維鑫，朱臨瑞

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

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

巖土材料因長期經(jīng)受地質(zhì)構造的影響，與普通工程材料相比，其具有結構非連續(xù)、不均勻及各向異性等特點，導致用基于唯象理論的傳統(tǒng)宏觀力學方法建立起來的有限元巖土材料模擬結果與實際情況存在著較大的偏差。Cundall[3]提出離散單元法，為針對具有不連續(xù)、非均質(zhì)、各項異性和非連續(xù)的巖體力學性能開展數(shù)值模擬提供了便利。劉振興[4]通過 TECPLOT后處理軟件對劈裂灌漿進行了數(shù)值模擬。宿輝[5]等人基于流固耦合原理，對砂性土層灌漿過程中顆粒接觸力的變化及漿液擴散規(guī)律進行了模擬。郭廣磊[6]運用PFC2D軟件，對黏土中壓力注漿動態(tài)過程進行了模擬。孫鋒[7]等人通過PFC2Dfish，建立流動方程和壓力方程，將不同灌漿壓力、不同土體性質(zhì)下的漿液壓力擴散分布和劈裂裂縫的發(fā)展情況進行了對比。張友葩[8]等人應用FLAC3D軟件，針對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，無返漿高壓旋噴復合灌漿技術是靜壓灌漿和高壓旋噴灌漿相結合產(chǎn)生的新型灌漿技術。由于灌漿過程深藏于地下，包含著滲透、擠密及擠劈等多種復雜的作用，裂縫的發(fā)生和發(fā)展無法直接觀測[9]。作者擬采用離散元顆粒流PFC2D軟件，對無返漿高壓旋噴復合灌漿過程進行細觀模擬，研究灌漿壓力和灌漿持續(xù)時間對灌注效果的影響。與現(xiàn)場鉆孔取芯試驗相結合，研究無返漿高壓旋噴復合灌漿技術的灌漿機理。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 砂性土顆粒細觀參數(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)部顆粒來模擬鉆具在砂性土層中鉆灌形成的孔洞，通過控制 P-given參數(shù)來控制灌漿壓力。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；平行粘結模量15×109Pa；摩擦系數(shù)0.1；法向接觸粘結強度20×106Pa；切向接觸粘結強度20×106Pa。被灌地層原狀土體離鉆孔較遠邊界位置的土體因不受灌注擾動，不會發(fā)生移動、旋轉，因此可將該模型建成四面墻體，且將墻體四周邊界顆粒設為固定，不會發(fā)生轉動或者線性移動，上、下邊界設置為不透水層。

選取接觸粘結模型來模擬顆粒間沒有明顯粘結力的砂性土材料，該模型的強度由切向粘結強度和法向粘結強度來共同掌控。

1.2 流固耦合的實現(xiàn)

巖土體的水力劈裂及灌漿過程是滲流場與應力場的流固耦合過程[10]。該模型通過引入流體“域”和流體“管道”來模擬流體作用，如圖1所示。流體“域”為一組黑色顆粒，通過指針將所有“域”互相聯(lián)系起來。其體積的大小與周圍通道間隙的大小和數(shù)量有關，“域”中的壓力隨著耦合計算的進行不斷變化，并以體積力的形式不斷施加至各顆粒上，以此形成耦合機制。用位于顆粒接觸處且相切于2個顆粒的黑色“管道”來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。流體管道相當于一個平板通道，通道長度為 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)的水力傳導系數(shù)；Q2-Q1為相鄰兩個流體域的壓力差。

實現(xiàn)流固耦合的步驟為：①設置滲流狀態(tài)。通過接觸的張開與閉合或接觸力的變化，實現(xiàn)通道間隙的變化。②設置應力狀態(tài)。通過改變區(qū)域的力學特性來改變其中的壓力。③設置細觀耦合力。區(qū)域孔隙壓力對其周邊土顆粒有推移作用。在計算流體對顆粒的作用時，流體對顆粒的作用力是以流體域為單位進行計算的。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，顆粒也會影響流體的流速，從而實現(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；一個域的管道數(shù)量2個；傳導系數(shù)1.0×10-5m/s；流體域體積模量1.0×106kPa；管道直徑1.0 mm；時間步長 1.0×10-2s。

2 數(shù)值模擬結果分析

2.1 灌漿壓力對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程，分別施加低壓3 MPa、高壓20 MPa和9 MPa 3種壓力并將其結果進行對比。從細觀層面觀察裂縫的發(fā)生、發(fā)展，對灌漿持續(xù)時間和灌漿壓力的影響規(guī)律進行了分析。

隨著時間的增長，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性質(zhì)的差異，因此土體的劈裂點為隨機產(chǎn)生的薄弱點處。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時距離灌漿孔前端出現(xiàn)裂縫。隨著作用時間的增加，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枝有第二條裂縫產(chǎn)生的趨勢，最終裂縫定格在“X型”狀態(tài)。

在20 MPa灌漿壓力作用下，開始時灌漿孔周圍已經(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。

土顆粒間初始應力為0 MPa，不同灌漿壓力作用下的土體應力如圖3所示。施加低壓時，模型應力除孔口應力稍大外，整體分布較為均勻，灌漿壓力主要用來克服土顆粒間的粘結強度；施加高壓時，拉應力從灌漿孔向外呈現(xiàn)遞減趨勢且最大應力以“X型”狀態(tài)分布，約在四邊中點位置處土顆粒的拉應力出現(xiàn)負值，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力Fig. 3 Stress diagram of soil under different grouting pressures

灌漿壓力和灌漿持續(xù)時間將是影響裂隙程度和灌漿范圍的重要因素。灌漿持續(xù)時間由旋轉速度和提升速度控制，因此，在設計固結樁體尺寸時，應合理設置旋噴速度、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，灌漿作用的范圍越大。但若灌漿壓力過大，則影響灌漿效果。灌漿持續(xù)時間過短，裂隙發(fā)育程度低，固結體成型不佳，灌漿作用的范圍變小，樁體尺寸達不到設計要求。若灌漿持續(xù)時間過大，過量的漿液滯留在土體內(nèi)，造成返漿、冒漿，浪費資源，增加成本，嚴重的將引發(fā)地面抬動等不良狀況。

2.2 灌漿壓力對孔隙率的影響分析

在3 MPa和20 MPa灌漿壓力的作用下采用無返漿高壓旋噴復合灌漿技術時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，漿液的流動性會變小，漿液所遇到的阻力不斷增大，漿液在流動過程中壓力損失逐漸增大。當滲透作用進行到一定深度時，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。整個低壓灌漿過程以擠密和滲透作用為主。

在20 MPa高壓灌漿壓力下，漿液通過漿泡對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。但當灌漿壓力較大、漿液能量大于土體結構強度臨界值時，在地層接觸張力較大的土顆粒連接處會產(chǎn)生剪切力，使土體產(chǎn)生水力劈裂，漿液沿著軟弱面進行劈裂流動。裂縫快速發(fā)生、發(fā)展，漿液隨劈裂裂縫進入土體內(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。隨著作用時間繼續(xù)增長，孔隙率繼續(xù)增大，曲線陡峭。整個高壓灌漿前期出現(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(孔壓變化與設定的監(jiān)測指針方向相反，呈現(xiàn)負值變化)曲線分為3個部分：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階段，壓力越大的孔壓增長段越長。低壓下曲線很快進入水平階段。表明：后期隨著灌漿時間的增長，土顆粒受到擾動之后進行應力調(diào)整，微整后在新的位置達到平衡狀態(tài)，漿液對土體的作用不再進一步發(fā)生。而高壓下曲線后段雖走勢不再增長，但一直維持水平震蕩狀態(tài)。表明：在強灌漿壓力作用下，土顆粒發(fā)生了較大的位移，原始結構已經(jīng)破壞、失穩(wěn)，孔壓在短期內(nèi)很難達到一個穩(wěn)定的數(shù)值。

由波動段可知：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。在灌漿過程中，應注意監(jiān)測孔內(nèi)應力的變化。這樣，既能取得良好的灌注效果又能防止灌漿壓力過大引起的土體失穩(wěn)及地面抬動。在灌漿結束后，不要立即停止灌漿，應適當延長灌漿循環(huán)，使?jié){液在施壓狀態(tài)下持續(xù)一段時間，做好孔口封閉工作，防止遠端漿液向孔內(nèi)回流。

3 工程應用

3.1 工程概況

湖南某防洪堤修建于20世紀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年洪水過后，需對以往老舊擋墻和擬建建筑基礎進行防滲加固處理。由于其特殊的地理位置，決定引進無返漿高壓旋噴復合灌漿技術作為該工程基礎。該防滲加固灌漿處理技術為：自上而下采用脈沖量≤0.2 L/沖次、脈沖壓≤3 MPa進行鉆灌固孔。自下而上采用≥20 MPa的噴擠壓力進行高壓旋噴，噴擠灌入量250 L/段(1.0 m)。該工程地層結構為：①填土，由建筑垃圾碎磚塊碎瓦片、煤渣、黏性土、砂礫石以及樹根等物質(zhì)無規(guī)律雜亂堆積，未經(jīng)分層碾壓密實；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，有時為較純的黃色、淺黃色或褐黃色黏性土，有時含淤泥質(zhì)而呈灰褐色或淺灰黑色；③砂礫層，本區(qū)域砂礫層沉積無規(guī)律粒徑變化較大，有細砂、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

在成樁28 d后，選取K0-506.600～K0-508.800與K0-510.800～K0-513.000區(qū)段間樁進行樁頭開挖和取芯檢測，測量觀察固結體的外觀性狀及質(zhì)量，同時，測量樁身直徑。樁頭的開挖及組成如圖6所示。系統(tǒng)、定量地分析樁身的均勻性有助于進一步認識樁體的構成情況與破土機理[12]。

圖6 樁頭開挖及組成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體，此部分為高分水泥漿液對土體沖切摻攪作用的結果。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土體擠密、劈裂作用的結果。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良好。固結體中土顆粒占 50%～60%，原有土體與灌漿漿液均對固結體強度具有很大的影響。現(xiàn)場試驗測得：在黏性土中，形成的固結體無側限抗壓強度為1～5 MPa；在砂性土中，形成的固結體無側限抗壓強度為 5～15 MPa。

3.3 無返漿高壓旋噴復合灌漿原理分析

用無返漿高壓旋噴復合灌漿新技術進行松軟地層防滲或加固灌漿時，全孔采用脈沖壓≤3 MPa漿液鉆灌一體灌漿工藝對松軟地層全孔進行鉆灌，漿液滲透擠密孔壁土體，達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。到達設計深度后進行高壓旋噴灌漿，距離灌漿孔近處噴射速度和能量較高。當脈沖動壓大于土體結構的破壞極限時，土體結構受到噴射動壓、沖擊力、脈動負壓及空穴效應等共同作用，產(chǎn)生凹陷并沖散，與灌漿材料混合并到達高壓噴射流中，對松軟地層進行高壓噴射沖切摻攪灌注。距離灌漿孔遠端的漿液動壓和速度逐漸衰減，遠端軸向動壓遠小于噴嘴處原始動壓，其能量衰減巨大。漿液與旋噴機具形成活塞密封效應，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，對松軟地層復合進行高壓擠密和高壓劈裂灌注。

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

4 結論

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

1) 采用離散元 PFC2D軟件進行砂性土灌漿細觀模擬，在恒定灌漿壓力下，拉應力在土顆粒中呈“X型”分布，對角線之間呈現(xiàn)較大的壓應力。灌漿孔周圍的應力最大，漿脈密集，由灌漿孔向外。隨著應力的減小，漿脈逐漸變細。當應力小于顆粒間的法向粘結強度和切向粘結強度時，劈裂結束。

2) 灌漿持續(xù)時間的長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。在灌漿過程中，應注意監(jiān)測灌漿壓力。在灌漿結束后，不要立即停止灌漿，使?jié){液在壓力狀態(tài)下維持一段時間，并做好封口裝置。

3) 結合數(shù)值模擬與現(xiàn)場取芯試驗，得出無返漿高壓旋噴復合灌漿機理為：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、高壓擠擴體及高壓擠劈體等復合灌漿固結體的質(zhì)量均勻且成型良好。

地層水環(huán)境與水壓對灌漿機理的影響、不同的地層的對應灌漿壓力還有待作者后續(xù)進行深入研究。