基于有限差分的注浆模拟过程

代伟1于来波2曾海凌3李宗昊3

1中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031

2四川西南交大铁路发展有限公司四川成都610031

3西南交通大学四川成都610031

摘要：基于有限差分理论，通过分析注浆管间距和注浆压力对注浆过程中力的变化、路面隆起程度变化的影响，发现注浆管间距的变化和注浆压力的变化都可对地面隆起产生影响，从而为优化注浆方案提供参考。

关键词：注浆抬升；地表位移；数值模拟分析

1概述

随着社会的不断发展，发展规模不断扩大，全国越来越多的国家之间都开始修建铁路，为保障铁路建设和运作的正常进行，铁路路基的稳定性成为其正常运作的关键问题，提高岩土体稳定性与防渗能力的超前注浆或者预注浆等方法成为解决岩土加固及防渗的途径之一，在各工程领域应用广泛。

注浆机理的研究对于整个注浆技术发展来说，有着不可替代的地位，但对于现阶段来说，存在着岩体的各向异性和工程的隐蔽性等问题，对于注浆理论的发展而言，有着极其重要的影响，使其与注浆技术、材料和设备的发展相比，始终处于劣势地位。由于注浆机理发展的滞后，理论得到的浆体扩散、劈裂机理等结论的可靠性有待提高，因此，对于实际工程施工而言，工程经验处于更加重要的地位[1][2]。

事实上，注浆过程及注浆效果在一定程度上是浆液扩散时，浆液的扩散量对土体的影响，本文将浆液的扩散量以注浆孔对土体的压力来代替，由于尺寸的不同，注浆压力、浆液的扩散形式等都会存在差异。基于此，探究不同注浆管间距和注浆压力的变化，能从不同角度深入认识注浆机理，为实际注浆产生的效果方面的设计能提供一定的参考，具有一定的研究意义。

2有限差分注浆模型建立

为了研究土体在注浆法条件下的抬升状况，以期得出的地表抬升位移值，能够使用在实际工程中，因此本文在此基础上，采用数值模拟法，在土中建立注浆管和注浆孔，在注浆孔中施加均匀的径向压力，多排注浆管的综合作用将会使土体表面抬升[3]。

基于特定条件下的土体隆起，本文根据几种不同的注浆条件，建立了几种不同的情况来进行分析。如表1所示，注浆管间距为0.8m到2.4m之间，注浆压力为0.4MPa-1.2MPa到4MPa-12MPa之间。

表1工况布置

3计算结果分析

3.1不同注浆管压力下的位移场云图

选取注浆管间距为0.8m作为研究对象。

（1）注浆压力范围在0.4MPa-1.2MPa时，在注浆孔中施加注浆压力之后的位移场云图，如图2所示。

图4施加注浆压力后竖直方向上的位移场云图

如图2到4所示，可以看出，在注浆孔中施加注浆压力之后，由于压力对土体的作用，使土体有个向上抬升的作用，在注浆管上方，可以看出土体有一个明显的向上抬升的作用，且随着距离注浆压力的增加，土体的抬升作用在逐渐增加，这可以说明注浆管施加给土体的注浆压力对土体的抬升作用是在一定范围内的，只在注浆管一定范围之内才会有明显的抬升作用。

每一段注浆管上方在施加注浆压力之后，都有一定的抬升效果，中间最上方路基土体抬升效果比其他各层之间的抬升效果更显著，是因为路基中部上方所受z向分力最大，在z方向压力作用下，土体集中向上挤压，同时，两侧土体受注浆压力作用，同时挤压中部土体，使中部土体也有个向上抬升的效果，因此中部抬升效果最大。

注浆压力的变化也会引起地表抬升位移值得变化，从图2到4还可以看出，地表抬升值得增大随着注浆压力的增大而增加。其主要原因是，在注浆压力一定的情况下，随着注浆压力的增加，注浆管两侧施加的注浆压力对两注浆管之间的土体挤压程度会增加，导致土体的抬升程度的增加，最后路面抬升会增加。

3.2不同注浆压力下的塑性区云图

随着注浆压力的变化，所受注浆压力挤压的土体的应力也会随之变化，土体呈现出来的塑性变化也不会相同。取注浆管间距为1.6m的注浆情况来进行分析，注浆压力依次为0.4MPa-1.2MPa、2.0MPa-6.0MPa和4.0MPa-12.0MPa之间来进行分析比较。如下图5所示。

图5不同注浆压力下的塑性云图

从塑性区云图可以看出，注浆引起的塑性破坏影响区域较小，对整体的路基不会产生过多的影响，因此此注浆过程是安全的。

3.3不同注浆压力下szz方向应力区云图

注浆压力的不同，土体受到不同大小的注浆压力挤压之后，土体所受的应力会随之产生不同的变化。取注浆管间距为2.4m的注浆情况来进行分析，注浆压力依次为0.4MPa-1.2MPa、2.0MPa-6.0MPa和4.0MPa-12.0MPa之间来进行分析比较。如下图6所示。

图6不同注浆压力下的应力云图

从应力区云图可以看出，随着注浆压力的变化，应力变化很小，基本没有，因此，土体的应力随土体所受注浆压力的变化基本不变化。

4结论

本文以有限差分为研究平台，建立数值加固模型，对路基土体注浆加固的作用机理、加固设计参数的影响进行模拟分析，获得的主要结论有：

（1）本模拟模型通过建立路基基本模型，挖注浆管道，布置注浆管，施加注浆压力等建模步骤，建立注浆加固模型，以与实际注浆施工操作状况大致相符为本模拟的特点；

（2）随着注浆压力的增加，土体的破坏区域也逐渐增加，与此同时，路面的抬升量也随之增加；随着注浆管间距的增加，注浆抬升的效果逐渐减弱；同时，注浆加固基本不会改变路基的应力应变状态，但可以提高路基的安全系数。

5基金支持

[1]中铁二院工程集团有限责任公司科研项目，《既有高速铁路线无砟轨道路基注浆加固技术研究》，科2017-22.

[2]四川省苗子工程，《高速铁路运营期间路基沉降注浆抬升关键技术研究》，2019JDRC0133.

参考文献：

[1]崔韬.基于离散元的注浆过程模拟研究[J].山西建筑，2018，44（31）：51-52.

[2]唐智伟，赵成刚.注浆抬升地层的机制、解析解及数值模拟分析[J].岩土力学，2008（06）：1512-1516.

[3]童无歁.公路路基工作区深陷病害的注浆加固机理分析及应用研究[D].中南大学，2013.

[4]OCHMANSKIM，MODONIG，BZOWKAJ.Numericalanalysisoftunnellingwithjet-groutedcanopy[J].Soils&Foundations，2015，55（5）：929-942.DOI：10.1016/j.sandf.2015.08.002.

[5]NICOLINIE，NOVAR，NegiA.Modellingofatunnelexcavationinanon-cohesivesoilimprovedwithcementmixinjections[J].Computers&Geotechnics，2000，27（4）：249-272.DOI：10.1016/s0266-352x（00）00003-3.