溫 浩，張先軍，蔡德鉤，岳 茂，于佳琪，瞿立明

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 工程管理中心，北京 100844；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；4.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756)

黃土在我國西北地區(qū)廣泛分布,作為區(qū)域性特殊土,黃土具有濕陷性、水敏性等特點,黃土病害整治一直以來都是工程界關(guān)注的重點[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,黃土地區(qū)鐵路建設(shè)迅速發(fā)展,寶蘭、鄭西、大西等鐵路線的建設(shè)對黃土高速鐵路(以下簡稱“高鐵”)路基的建設(shè)提出了更高的要求。黃土結(jié)構(gòu)存在大孔隙、垂直節(jié)理等特征,在干燥時,黃土強(qiáng)度較高,但在降雨、振動等外界作用時強(qiáng)度降低,存在沉降等病害問題[2]。注漿加固技術(shù)作為路基病害整治技術(shù),在軟土地區(qū)應(yīng)用廣泛[3],但由于黃土力學(xué)性能復(fù)雜,注漿技術(shù)參數(shù)難以獲得,最優(yōu)的注漿方案不易確定。因此,黃土高速路基注漿技術(shù)參數(shù)亟待開展系統(tǒng)、深入的研究。

高鐵路基沉降控制一直都是研究的熱點[4-5],眾多學(xué)者對注漿加固技術(shù)展開了研究。周文皎等[6]、張玉芳等[7]開展鋼花管分段注漿現(xiàn)場原型試驗,研究表明注漿形成的“樹根狀”加固體有效提高了周圍土體的抗剪強(qiáng)度。陶偉明等[8]對聚氨酯復(fù)合注漿材料的研究表明其在富水砂礫地層的封堵及抗沖刷性能優(yōu)異。黃大維等[9]開展隧道側(cè)部注漿模型試驗,發(fā)現(xiàn)注漿擴(kuò)散模式可分為滲透-擠密-劈裂、擠密-劈裂-滲透兩種。羅小博等[10]開展西北濕陷性黃土地基劈裂注漿現(xiàn)場試驗,研究表明注漿加固后的地基承載力提高近3倍。王騰[11]基于D-P修正準(zhǔn)則,給出適用于濕陷性黃土劈裂注漿注漿壓力計算方法。馬連生等[12]基于斷裂力學(xué),給出了黃土劈裂注漿過程中裂紋擴(kuò)展方式。汪優(yōu)等[13]基于FLAC-PFC耦合方法對盾構(gòu)施工壁后注漿過程進(jìn)行數(shù)值仿真,研究表明盾尾注漿對地表沉降控制有顯著效果。Zhang等[14]使用PFC2D對黃土注漿擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬,研究表明最終形成的漿脈呈Y形。Li等[15]基于連續(xù)擴(kuò)散凝固數(shù)值仿真(SDS)方法,對不同流速下漿液擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬。Yan等[16]基于FDEM,對裂隙巖體注漿過程中漿液遷移、漿液-巖體相互作用、裂縫擴(kuò)展進(jìn)行研究。綜上所述,已有研究表明注漿加固可以有效提升土體強(qiáng)度,對注漿過程中漿液擴(kuò)散模式也有較多研究,但對漿液擴(kuò)散過程中關(guān)鍵參數(shù)的研究較少。

基于此,本文基于黃土高鐵路基注漿模型試驗,使用Edem-Fluent耦合技術(shù)進(jìn)行注漿數(shù)值仿真。對黃土高鐵路基注漿擴(kuò)散范圍及盲區(qū)進(jìn)行研究,為黃土高鐵路基設(shè)計參數(shù)的確定提供指導(dǎo)。

1 工程背景

大同—西安客運專線,線路全長853 km,是西部鐵路重點建設(shè)工程[1]。本文以K276+066—K276+146里程處發(fā)生不均勻沉降病害的黃土路基為研究對象。既有路基自上而下依次為級配碎石、改良土、三七灰土,厚度均為0.5 m。該段自2015年7月出現(xiàn)下沉,累計最大沉降達(dá)50 mm以上。動力觸探等表明道心、路肩存在地層不密實的情況。

2 模型試驗概況

2.1 試驗原材料

本文選取現(xiàn)場典型黃土土樣,參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[17],測得試樣含水率為12.28%,土樣級配曲線見圖1。試樣顆粒級配主要集中在1～10 mm,計算得到Cu=5.78>5,1

圖1 顆粒級配曲線

2.2 注漿試驗裝置

本文采用的注漿試驗系統(tǒng)主要包括模型箱體和注漿機(jī)。模型箱體主要包括加固肋、土體介質(zhì)、有機(jī)玻璃板。為防止注漿過程中發(fā)生堵管,選擇高壓橡膠管來輸送漿液。箱體為正方體,邊長為1.2 m,體積約為1.73 m3,主要材質(zhì)為有機(jī)玻璃板及角鋼。箱體頂部預(yù)留直徑60 mm的圓孔,用于插入注漿管。考慮到注漿過程中產(chǎn)生的振動可能會導(dǎo)致注漿管傾斜,需對注漿管進(jìn)行固定。

注漿管采用鋼花管,外徑為6 cm,內(nèi)徑為5.4 cm,全長為130 cm。在距注漿管底部10 cm處設(shè)置4排注漿孔,每1排距離為10 cm,每排設(shè)置6個直徑為1.6 cm的注漿孔。鋼花管設(shè)計見圖2。

圖2 注漿管設(shè)計(單位:cm)

本試驗采用成都杰瑞達(dá)公司生產(chǎn)的型號為JRD200螺旋泵注漿機(jī),外形尺寸為1.9 m×0.58 m×0.785 m(長×寬×高),料斗容積為130 L。注漿壓力為0～3 MPa,其輸送距離在水平方向可達(dá)180 m以上,在垂直方向可達(dá)60 m,出漿量可達(dá)1 500～2 500 L/h,壓力、流速均可調(diào)。

2.3 試驗步驟

模型采用逐層填筑、人工夯實的方法進(jìn)行制作,模型至少填筑2/3。填筑過程中通過換刀法測試干密度,以此控制壓實度,保證填筑土樣的均勻性。在模型填筑過程中,預(yù)先將注漿管放置于模型箱中央。模型填筑完成后,在箱體頂部設(shè)置螺栓及管套用于加固注漿管。注漿試驗裝置見圖3。

圖3 注漿試驗裝置

模型箱填筑完成后,使用輸漿管連接注漿機(jī)與模型箱。輸漿管、模型箱、注漿機(jī)采用內(nèi)螺紋進(jìn)行連接,保證緊密性,防止產(chǎn)生漏漿和堵漿。

考慮到模型箱的尺寸,本次注漿試驗的每次注漿量都采用相同體積的流量,即總流量均為0.1 m3。本次試驗使用1排共計6個孔進(jìn)行注漿,即對單排孔漿液的擴(kuò)散范圍進(jìn)行研究。本試驗選擇0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa共5個注漿壓力作為加載工況。

2.4 注漿試驗結(jié)果分析

2.4.1 擴(kuò)散半徑

在漿液凝固之后,將注漿加固體挖出,發(fā)現(xiàn)隨著注漿壓力的增加,漿液的擴(kuò)散范圍逐漸增大,劈裂效果越明顯。對不同注漿壓力下加固體的漿脈長度進(jìn)行測量。不同注漿壓力下注漿體的擴(kuò)散范圍數(shù)據(jù)見表1,加固體長度統(tǒng)計曲線見圖4。

表1 單排孔注漿加固體測量數(shù)據(jù)

圖4 加固體漿脈長度

由圖4可知,隨著注漿壓力的增大,漿液的擴(kuò)散范圍逐漸擴(kuò)大,加固體長度與注漿壓力的關(guān)系近似呈冪指數(shù)形式。不同的注漿壓力下漿液擴(kuò)散寬度差別不大,加固體寬度范圍為5.5～8.4 cm。0.5 MPa下的漿液擴(kuò)散寬度為8.4 cm,可能是由于注漿壓力過大造成的。

2.4.2 注漿前后強(qiáng)度對比

參照文獻(xiàn)[17],對黃土試樣及注漿體進(jìn)行直剪試驗。直剪試驗選取的注漿體為黃土和水泥漿液相互滲透形成的混合物。

不同垂直應(yīng)力下未注漿試樣以及漿液混合物的剪切位移-剪切力關(guān)系曲線見圖5。由圖5可知,在不同垂直應(yīng)力下,混合物的強(qiáng)度顯著提高。由上述所得未注漿土體和注漿混合體τmax-σ關(guān)系曲線見圖6。由圖6可知,計算得到未注漿土體的內(nèi)聚力為41.65 kPa,內(nèi)摩擦角為26°,黃土-漿液混合物的內(nèi)聚力為71.8 kPa,內(nèi)摩擦角為27.7°。前述分析表明水泥漿液經(jīng)過滲透、擠壓與土體相互耦合作用形成的混合土物,相比于未注漿土體強(qiáng)度有著顯著的提升。

圖5 未加固、加固土體剪切位移-剪切力關(guān)系曲線

圖6 未注漿土體和混合土樣τmax-σ關(guān)系曲線

3 數(shù)值仿真

3.1 Edem-Fluent耦合簡介

目前針對高鐵無砟軌道路基注漿數(shù)值仿真分析軟件主要使用Ansys和PFC2D,但兩者在模擬流體時存在局限性。為充分考慮流體和土顆粒之間的相互作用,本文選用有限元軟件Fluent與離散元軟件Edem進(jìn)行耦合計算。在耦合計算中,Fluent用于模擬分析注漿液體的流動,Edem用于模擬分析土體顆粒在漿液作用下的運動。Edem-Fluent耦合能夠全面準(zhǔn)確地模擬顆粒與流體之間的相互作用,能夠考慮流體對顆粒的作用力以及顆粒對流體的阻力。

本文采用的Edem-Fluent耦合計算方法主要包括以下4步:①在Fluent中收集Edem中顆粒的相關(guān)信息,包括速度、位置、數(shù)量等;②在Fluent進(jìn)行流場計算直至收斂;③將Fluent計算得到數(shù)據(jù)傳輸至Edem中,進(jìn)行動力學(xué)計算;④Edem中顆粒會產(chǎn)生新的位置、速度等基本量,以動量形式導(dǎo)入Fluent中,計算至收斂。將上述4個步驟循環(huán)一次為一個時步。耦合模擬流程見圖7。

圖7 耦合模擬流程

模型尺寸為60 cm×60 cm×10 cm(長×寬×高)。注漿管半徑為4 cm。在注漿管距箱底4 cm處,對稱開6個注漿孔,注漿孔半徑為1 cm。模型四周為墻體,防止顆?！疤映觥?。顆粒與墻體的力學(xué)參數(shù)選用默認(rèn)值,并在其中填入等半徑為2 mm的黃土顆粒,共填入615 273個顆粒。模擬0.12、0.17、0.22、0.27、0.41、0.51 MPa共6個注漿壓力作用下接觸力鏈的破壞。模型中每隔5 cm設(shè)置一個監(jiān)測圓,共記5個,從內(nèi)到外編號依次為1～5,選用Hertz-Mindlin黏結(jié)模型對土體進(jìn)行模擬。參照文獻(xiàn)[18-19],黃土試樣力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 黃土試樣力學(xué)參數(shù)

參照文獻(xiàn)[18,20-22],模型微觀力學(xué)參數(shù)見表3。本文采用0.6∶1的純水泥漿液對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析,在Fluent中設(shè)置其漿液密度為1 760 kg/m3,結(jié)合資料和水泥漿液材料,動力黏度取值0.06 kg/(m·s),顆粒間靜摩擦系數(shù)為0.53。

表3 黃土試樣微觀力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

0.51 MPa注漿壓力下,模型整體接觸力鏈破裂圖以及注漿孔平面土體接觸力鏈的破壞見圖8。將黃土的注漿孔平面接觸力鏈的破壞圖導(dǎo)入到相應(yīng)的軟件中,繪制包絡(luò)圖,統(tǒng)計得到不同注漿壓力的注漿體擴(kuò)散范圍數(shù)據(jù),將模型試驗得到的擴(kuò)散范圍和數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果見圖9。由圖9可知,兩者差別較小,且增長趨勢與冪指數(shù)相似。

圖8 0.51 MPa下接觸力鏈破壞

圖9 模型試驗與數(shù)值仿真對比

前述黃土數(shù)值模擬計算模型,共建立了5個監(jiān)測圓柱,對其力鏈數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出并進(jìn)行統(tǒng)計,繪制每個監(jiān)測圓中所斷裂的力鏈數(shù)比重,見圖10。由圖10可知,注漿壓力為0.12 MPa時,變化幅度最小,注漿壓力為0.51 MPa時,變化最大。表明注漿壓力越大,土體間的微觀作用力作用更加分散,在漿液劈裂方向上,注漿壓力是呈消散分布的,注漿壓力越大,注漿壓力消散速度越慢,從宏觀層面上來講,表現(xiàn)為漿液劈裂長度的變化。

圖10 接觸力鏈分析

4 注漿擴(kuò)散及盲區(qū)推導(dǎo)

4.1 注漿擴(kuò)散理論

根據(jù)試驗現(xiàn)象以及數(shù)值仿真結(jié)果,漿液擴(kuò)散范圍曲線見圖11。將漿液擴(kuò)散范圍曲線分段進(jìn)行離散化,可得到不同段曲線的坐標(biāo)。參照郭晉豪[23]的研究,將一個注漿孔注漿漿液擴(kuò)散范圍的上半部分曲線分為:曲線1、曲線2。曲線1為對數(shù)曲線,曲線2為圓曲線的一部分。分別對兩段曲線進(jìn)行擬合,可得到漿液擴(kuò)散范圍的曲線方程。計算所需坐標(biāo)由試驗及數(shù)值仿真得到。

圖11 漿液擴(kuò)散范圍曲線

最終得到的曲線方程為

( 1 )

式中:x1、y1分別為注漿管、射漿孔半徑;x2、y2為兩曲線連接處的坐標(biāo);p為注漿壓力,MPa;R為土體微觀層面接觸力鏈破壞范圍半徑。

通過計算可得到0.27、0.41、0.51、1.00、2.00 MPa注漿壓力下擴(kuò)散范圍曲線,見圖12。由圖12可知,0.27 ～0.51 MPa注漿壓力下漿液擴(kuò)散范圍與數(shù)值分析一致,在此基礎(chǔ)上對1.00、2.00 MPa的注漿壓力進(jìn)行預(yù)測。

圖12 軟土體漿液擴(kuò)散區(qū)域驗證與預(yù)測

將理論計算、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗得出的黃土注漿漿液擴(kuò)散半徑進(jìn)行統(tǒng)計,見表4。3種不同方法得到的漿液擴(kuò)散范圍的數(shù)據(jù)相差不大,擴(kuò)散半徑的變化規(guī)律一致,驗證了理論計算與數(shù)值仿真的正確性。

表4 3種方法得到的漿液擴(kuò)散半徑驗證 mm

4.2 注漿擴(kuò)散盲區(qū)推導(dǎo)

前述給出了黃土注漿漿液擴(kuò)散范圍計算公式,但在漿液的擴(kuò)散過程中存在盲區(qū),由于鋼花管開孔等原因,這部分土體漿液未能擴(kuò)散過去,因此需要對擴(kuò)散盲區(qū)邊界進(jìn)行推導(dǎo)。在擴(kuò)散范圍之外為注漿盲區(qū),其示意見圖13。

圖13 注漿盲區(qū)示意

為簡化推導(dǎo)過程,取兩個葉片作為研究對象,見圖14。首先推導(dǎo)曲線3。通過計算得出上、下部曲線的對稱軸與x軸夾角為30°,注漿孔圓心坐標(biāo)為(-35.5,0),擴(kuò)散半徑為R,對稱軸方程、外圍擴(kuò)散半徑圓的方程分別為

圖14 局部注漿盲區(qū)范圍

( 2 )

(x+35.5)2+y2=R2

( 3 )

取對稱軸上一點(0,20.5),此點為上、下部曲線中心對稱點,令

( 4 )

則式( 4 )關(guān)于對稱軸對稱的方程為

( 5 )

a、b為曲線中心對稱點,令a=0,b=20.5,得到上部曲線3的表達(dá)式,即

( 6 )

由此,上部圓曲線4部分的表達(dá)式為

( 7 )

結(jié)合式( 6 )、式( 7 )得到上部整體曲線的表達(dá)式。式( 1 )、式( 6 )、式( 7 )相結(jié)合即為注漿擴(kuò)散盲區(qū)的邊界表達(dá)式。

5 結(jié)論

本文以大西高鐵沿線典型濕陷性黃土路基為研究對象,設(shè)計完成了黃土注漿模型試驗,使用Edem-Fluent耦合技術(shù)進(jìn)行注漿數(shù)值仿真,對注漿參數(shù)進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:

1)模型試驗結(jié)果表明,隨著注漿壓力的增大,漿液的擴(kuò)散范圍逐漸擴(kuò)大,加固體長度與注漿壓力的關(guān)系近似冪指數(shù)。注漿后土體強(qiáng)度明顯提升。

2)數(shù)值仿真結(jié)果表明,漿液在土體中擴(kuò)散的本質(zhì)是注漿壓力在土體中的消散過程。注漿壓力較大時,壓力在土體介質(zhì)中消散得慢,宏觀表現(xiàn)為擴(kuò)散半徑較大。

3)通過理論推導(dǎo)得出了黃土注漿擴(kuò)散范圍與注漿壓力之間的計算式,符合模型試驗與數(shù)值仿真結(jié)果,在此基礎(chǔ)上得出了注漿壓力與注漿盲區(qū)理論表達(dá)式。