許萬輝，程　濤，胡仁杰，王子云，杜建軍，羅顯楓

(1三峽大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

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改進(jìn)鉆孔注漿法在有水流溶洞處理中的應(yīng)用研究

許萬輝1,2，程濤2*，胡仁杰1,2，王子云1,2，杜建軍1,2，羅顯楓2

(1三峽大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

摘要：當(dāng)工程中遇到有水流的地下溶洞時，常規(guī)鉆孔注漿法是使用普通混凝土作為注漿材料和在溶洞底部設(shè)置專用排水通道，使其施工完成后水流能正常通過該段。改進(jìn)鉆孔注漿法是利用高滲透性混凝土代替普通混凝土的方法，不再使用排水通道。運用FLAC3D作為計算工具進(jìn)行數(shù)值模擬，將改進(jìn)方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比。對于高滲透性混凝土作為注漿材料時，采用流固耦合計算方法；普通混凝土采用固體力學(xué)計算模型。對比兩者計算后的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)方法更加安全可靠，證明了高透水性混凝土用在溶洞處理中是可行的。

關(guān)鍵詞：高滲透性混凝土；溶洞；鉆孔注漿法；數(shù)值模擬；流固耦合

中國幾乎各省區(qū)都有不同面積的石灰?guī)r分布，出露地表的總面積約有130萬 km2，約占全國總面積的13.5%。在石灰?guī)r地區(qū)常常有地下溶洞，許多溶洞往往綿延幾千米，常伴有地下暗河。溶洞作為一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，由于其情況復(fù)雜，無規(guī)律，所以給工程建設(shè)帶來了不少困難。溶洞內(nèi)還有流水的情況就更加的復(fù)雜，施工起來也就更加困難。問題的關(guān)鍵是怎樣處理溶洞中的水，施工完成、溶洞被完全封死過后原來通過該段溶洞的水流怎么處理。

對于有水流的地下溶洞的處理，目前國內(nèi)外最有效的處理方法有2種，即樁基法[1-2]和鉆孔注漿法[3-7]。溶洞處的樁基施工, 若準(zhǔn)備不充分, 容易引起塌孔，嚴(yán)重影響施工的進(jìn)度[4],所以一般采用鉆孔注漿法，其具有施工方法簡單、加固效果好、后期病害少、造價相對低等特點[3]。它的缺點是常規(guī)的鉆孔注漿法是使用一般混凝土和在溶洞底部設(shè)置專用排水通道[6]，雖然施工完成后水流能正常通過該段，但溶洞底部專用排水通道的施工是較復(fù)雜的。本研究提出采用高滲透性混凝土代替普通混凝土的方法，并且可以運用它來構(gòu)建海綿型地下空間。結(jié)合本研究所提方法對地下有水流溶洞的路基情況建立仿真模型，運用FLAC3D作為計算工具進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇高滲透性混凝土作為注漿材料時，采用流固耦合計算方法；對于普通混凝土采用固體力學(xué)計算模型。通過對比兩者計算后的結(jié)果，證明了高透水性混凝土在溶洞處理中運用的可行性。

1高滲透性混凝土

1.1概述

高滲透性混凝土是透水混凝土之中滲透系數(shù)很高的一種混凝土。透水混凝土是由膠凝材料、粗骨料、微量或無細(xì)骨料、水、外加劑和摻合料按照一定比例拌制而成的一種多孔混凝土。其無細(xì)骨料或細(xì)骨料較少，由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿相互粘結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，故具有透氣、透水和重量輕的特點。

1.2研究進(jìn)展

在美國從上世紀(jì)七八十年代起就開始研究和應(yīng)用透水混凝土，不少國家也都在大量推廣，將透水混凝土應(yīng)用于道路路面改造，改變過去破壞城市生態(tài)的地面鋪設(shè)，能讓雨水流入地下，有效補(bǔ)充地下水，緩解城市地下水位的急劇下降，改善城市排水系統(tǒng)，解決一些城市生活環(huán)境問題，使透水混凝土路面取得良好的社會效益。

在國內(nèi)透水混凝土也已應(yīng)用于工程實踐中，代表性的主要有：北京市南北長街道路工程[8]、奧林匹克森林公園工程[9-10]、上海世博會園區(qū)透水人行道[11]和鎮(zhèn)江市運糧河河岸治理[12]等;同時，也對其工作性能、力學(xué)性能等開展了一系列的研究工作[13]。

1.3應(yīng)用前景

目前，透水性混凝土已在護(hù)堤、植生、降溫、降噪、改變光環(huán)境及出行環(huán)境、保護(hù)水資源、水質(zhì)凈化、美化環(huán)境以及城市道路等方面發(fā)揮著重要的作用。透水混凝土的高滲透性、高承載力、易維護(hù)性、裝飾效果好、耐用性、高散熱性的優(yōu)點，使其可能還有更廣泛的應(yīng)用。 本研究就其中之一的高滲透性，將其應(yīng)用于有水流的地下溶洞的處理，可以有效地解決這一工程難題。

2本構(gòu)理論

2.1固體力學(xué)模型

1)彈性本構(gòu)模型：

σ=Eε

(1)

式(1)中,σ—應(yīng)力;E—彈性模量;ε—應(yīng)變。

2)莫爾-庫倫(Mohr—Coulomb)本構(gòu)模型：

τf=f(σf)

(2)

式(2)中,τf—剪應(yīng)力;σf—正應(yīng)力。

2.2流固耦合模型

流固耦合包括流體進(jìn)程和力學(xué)進(jìn)程2部分[14]，只有在2個進(jìn)程的時標(biāo)相差不大時才能使用耦合法。

1)力學(xué)過程特征時間：

(3)

式(3)中，Ku—不排水體積模量;G—剪切模量;ρ—密度;Lc—特征長度(模型平均尺寸)。

2)流體擴(kuò)散過程的特征時間：

(4)

式(4)中，Lc—滲流特征長度(滲流路徑平均尺寸);c—擴(kuò)散率。

3)擴(kuò)散率定義為：

(5)

式(5)中，k—滲透系數(shù);s—儲水系數(shù)。

4)儲水系數(shù)定義為：

(6)

式(6)中，M—比奧模量;K—體積模量。

3 數(shù)值模擬

3.1模型參數(shù)

根據(jù)劉霞等人的實驗研究[9-10]，取其文章中的一部分實驗參數(shù)如表1所示。

表1　高滲透性混凝土配比及參數(shù)(1 m3)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)[15]，劉霞[9-10]等人在奧林匹克公園工程的試驗中使用的是邊長100 mm的立方體試件，故需要乘以一個換算系數(shù)0.95。又按偏安全的取法，將表2中序號1按C15的混凝土的標(biāo)準(zhǔn)取參數(shù)，其透水系數(shù)為9.6 mm/s；又根據(jù)規(guī)范[16]，可查得C15混凝土相關(guān)的彈性模量、泊松比，剪切模量G=0.4E，體積模量K=E/3(1-2μ)，故整理后的建模參數(shù)如表2所示。

表2　注漿材料建模參數(shù)

注：1—C15高滲透性混凝土，1*—普通C15混凝土。

3.2模型建立

按照國家標(biāo)準(zhǔn)[17]，取雙向6車道，車道總寬6×3.75=22.5 m。車道荷載為均布力10.5 kN/m,再加上0.3 m混凝土路面，經(jīng)換算后偏安全的取覆蓋土上部荷載均布力20 kPa ，作用寬度取24 m。FLAC3D建模模型尺寸為20 m×40 m×25 m,其中石灰?guī)r層厚度20 m，上面覆蓋土厚度5 m，地下溶洞在石灰?guī)r層中斷面直徑為5 m的圓柱體，斷面圓心位于覆蓋土層表面以下10 m處。

對于本研究模型的巖土層建模參數(shù)借用李[18]的相關(guān)巖層和土層的數(shù)據(jù)，整理相關(guān)參數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3　巖土層建模參數(shù)

3.3計算分析

FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬。本研究就是運用FLAC3D作為計算工具進(jìn)行仿真模擬，其模型圖如圖1所示。

圖1　FLAC3D建模的模型區(qū)域網(wǎng)格圖

對于高滲透性混凝土(序號1)作為注漿材料時，采用流固耦合計算方法；而對于普通混凝土(序號1*)注漿材料時采用固體力學(xué)計算模型中的彈性本構(gòu)；石灰?guī)r和土采用固體力學(xué)計算模型中的莫爾-庫倫(Mohr—Coulomb)本構(gòu)。計算結(jié)果分別如圖2～10所示。

1)石灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度在垂直層理方向一般為60～140 MPa，在平行層理方向一般為50～120 MPa；C15混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為7.2 MPa。雖然不處理也能滿足承載力要求，但天然巖體有裂隙，特別在有水流沖刷和腐蝕的地方更明顯，這樣它的抗壓能力相對會脆弱許多。采用鉆孔注漿法處理，水泥砂漿會充填到巖體裂隙中，可以提高巖體抗壓能力。

2)在不處理情況下模型的最大壓應(yīng)力能達(dá)到800～841 kPa，由圖2可以看到在溶洞兩側(cè)巖體上出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。又由圖4和圖8可看出，經(jīng)過鉆孔注漿處理過后有明顯改善，不再出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且最大壓應(yīng)力也相對減少了25%～29%，所以處理后更安全。

3)比較圖3、圖6和圖9的豎向變形云圖，可知其不處理、使用普通混凝土處理和使用高滲透性混凝土處理的變形量都很小且很接近，說明從變形方面考慮，它們的剛度都能達(dá)到要求。

4)高滲透性混凝土和普通混凝土作為注漿材料時模型的最大壓應(yīng)力都為600～603 kPa，發(fā)生在模型底部。溶洞周圍巖石的應(yīng)力情況如圖5所示，高滲透性混凝土作為注漿材料時溶洞周圍巖石的最大壓應(yīng)力為370～377 kPa；而如圖8所示，普通混凝土作為注漿材料時溶洞周圍巖石的最大壓應(yīng)力為380～388 kPa。相對于普通混凝土，高滲透性混凝土的應(yīng)力反而有所下降。這是由于存在如圖8所示的正的孔壓力，使得溶洞的填充材料和圍巖的壓應(yīng)力有所下降，所以使用高滲透性混凝土比使用普通混凝土還要好。

5)由于高滲透性混凝土不需要再設(shè)排水通道，施工更便捷，造價也有可能更低，所以高滲透性混凝土更實用。

圖8 普通混凝土作為注漿材料時的豎向應(yīng)力云圖圖9 普通混凝土作為注漿材料時在溶洞中心位置切片的應(yīng)力云圖圖10 普通混凝土作為注漿材料時的豎向變形云圖

4結(jié)論

1)采用鉆孔注漿法處理溶洞時，使用高滲透性混凝土代替普通混凝土是可行的。高滲透性混凝土的透水性好，滲透系數(shù)大，不需要設(shè)置專用排水通道，施工更便捷，造價可能更低。

2)目前的實驗研究成果顯示，能達(dá)到一定強(qiáng)度的透水性混凝土，其滲透系數(shù)最大也只在10 mm/s左右。雖然其滲透系數(shù)相比一般實驗所用的透水石(滲透系數(shù)在2×10-5mm/s)要大很多，但還是需要研究出能達(dá)到強(qiáng)度要求的更大滲透性的混凝土來滿足有些水流速度大的溶洞。

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(責(zé)任編輯吳鴻霞)

收稿日期：2016-04-02

基金項目：湖北省自然科學(xué)基金項目(項目編號：2012FKC14201)；湖北省教育廳自然科學(xué)基金重點項目(項目編號：D20134401)；湖北理工學(xué)院優(yōu)秀中青年創(chuàng)新團(tuán)隊計劃項目(項目編號：Y0008)。

作者簡介：許萬輝，碩士生。

*通訊作者：程濤，教授，博士，研究方向：巖土本構(gòu)關(guān)系、巖土流固耦合仿真分析以及工礦廢棄物資源化等。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.03.008

中圖分類號：TU42

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-4565(2016)03-0037-05

Research on Improvement of Borehole Grouting Method in Treatment of Water Karst Caves

Xu Wanhui1,2,Cheng Tao2*,Hu Renjie1,2,Wang Ziyun1,2,

Du Jianjun1,2，Luo Xianfeng2

(1School of Civil Engineering,Three Gorges University,Hubei Yichang 443000;2School of Civil Engineering,Hubei Polytechnic University,Hubei Huangshi 435003)

Abstract：When there are underground karst caves with flows in the project，the conventional borehole grouting method is to use ordinary concrete as the grouting material and to set up special drainage channels at the bottom of the karst cave so that after the completion of the construction,the water flow can pass through this section.The improvement of the borehole grouting method is to use high permeable concrete instead of common concrete,and the drainage channel is abandoned.FLAC3D is used as a numerical tool for numerical simulation,by comparing traditional methods with the improved method.The fluid solid coupling method is used to calculate when using the high permeability concrete as a grouting material and solid mechanics calculation model for general concrete.After comparing the results,it is found that the improved method is safer and more reliable.The high permeable concrete is proved to be feasible in the treatment of karst cave.

Key words：permeable concrete;karst cave;bored grouting method;numerical simulation;fluid solid coupling