注浆过程角砾土体的微观机理破坏规律研究

魏少伟

中国铁道科学研究院集团有限公司 北京 100000

摘要：注浆技术一直是岩土工程中的热门研究对象。本文通过对浆液与角砾土体颗粒之间的耦合作用进行模拟，得到了以下几个结论：（1）浆液对角砾土介质的土体颗粒冲击作用随着压力的增大而增大；（2）浆液对角砾土体的作用效果呈冲击扇形；（3）对角砾土体的破坏作用的另一个因素是水灰比。注浆浆液的扩散半径随着水灰比的比值增大而减小。

关键词：注浆机理、数值模拟、流固耦合、离散元

1 引言

目前注浆技术是处理铁路路基沉降的一种有效方法。角砾土广泛分布于我国的大部分地区，也在很多时候用于路基的本体的填料，其用途广泛。本文在搜集了多方资料，了解到目前注浆技术在角砾土中应用的研究相对较少。

张铮^[1]等利用室内试验的方式，对高压旋喷桩加固地基的机理进行深入的研究；胡焕校^[2]等利用PFC^2D离散元岩土软件对注浆过程进行了模拟，研究了复合膏浆这种注浆材料在注浆工程中的应用；郄磊^[3]等利用数值模拟和试验模拟相结合的方式探究了矸石固体充填散体材料在注浆工程中的应用前景。

而本文针对目前研究的不足，对注浆浆液扩散的机理方面的研究较少，并且考虑到水泥浆液的连续性和土体颗粒的离散性。故从数值模拟出发，利用CFD-DEM流固耦合计算思想，采用FLUENT-EDEM双软件耦合计算，利用FLUENT模拟水泥浆液的流动性，采用EDEM模拟土体颗粒的离散型。

2 数值模拟模型

模型如图1所示，模型尺寸长100cm，宽100cm，高15cm。图中注浆管尺寸半径为4cm，为模拟真实注浆情况，在注浆管距底部4cm处对称开6个注浆孔，其注浆孔的半径为1cm。模型四周为墙体，不允许颗粒从模型内部“逃出”，填充之后的模型如图2所示，颗粒与墙体的力学参数选用默认值。在其中填入等半径为3mm角砾土颗粒，共填入359516个颗粒。

图1 角砾土介质的计算模型 图2 填满角砾土颗粒之后的计算模型

本文利用离散元的计算特点，并通过相关文献和查阅《工程地质手册》将砂土之间的作用力以及砂土的物理参数设置为表1的数据，提供计算精度。

表4 颗粒细观参数

在本文中根据实际工程要求，注浆材料采用水灰比0.8:1的水泥浆液，且模拟了7个不同注浆压力作用下接触键的破坏，分别为0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa。

3 数值模拟结果分析

图3 浆液的扩散的平面以及纵断面图

（注浆压力依次为0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa）

从图中可以看出，浆液对角砾土体的破坏机理随着注浆压力的增大而增大，并在一定程度上呈冲击状散开，在越开注浆孔的位置越远，其冲击宽度也越宽。

图4 浆液的破坏机理纵断面实体图

图5 不同水灰比劈裂半径二维变化图（依次为0.6:1、0.7：1、0.8:1、0.9：1、1:1）

从图5中可以看出，不同的水灰比的浆液对土体的破坏程度是不一样的，在水灰比比值较小时（0.6:1），其浆液的扩散半径是大于水灰比较大值（1:1）的，这是由于水灰比较大时，其浆液的密度减小，对土体的冲击作用减小。

4 结论

本文从数值模拟出发，分别设置了不同压力的工况和不同水灰比的工况，经过比较模拟，探究了注浆浆液在角砾土体中的扩散规律，从数值模拟的结果中得出了以下几个结论：

（1）浆液对角砾土介质的土体颗粒冲击作用，随着压力的增大而增大，其劈裂半径也随着压力作用的增大而增大；

（2）浆液对角砾土体的作用效果呈冲击扇形，其扇形的宽度是随着离注浆孔的距离越远而越来越宽；

（3）对角砾土体的破坏作用的另一个因素是水灰比。注浆浆液的扩散半径随着水灰比的比值增大而减小。这是由于较大的水灰比，有着更小的浆液密度，故在相同浆液压力作用下，小密度的浆液对土体颗粒的冲击作用更小。

参考文献

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