摘 要

高压喷射注浆具有可注性好、可控性好、适用性强及防渗处理效果好的特点，被经常应用于水利水电工程、建筑工程、边坡工程、地下工程中，在国内外有着广泛的普及和应用。

本论文在总结前人研究高压喷射注浆技术所取得的成果的基础上，基于流固耦合原理的PFC2D二维颗粒流数值仿真试验方法，引入流体域的概念，运用FISH函数定义流体域，采用颗粒接触黏结模型，建立土体高压喷射注浆模型。在这基础上，进行细观分析高压喷射注浆加固机理，对不同注浆压力、不同性质土体条件下的注浆效果分别进行分析比较。模拟成果表示：对于砂土层注浆，注浆压力是影响浆液与钻孔附近土体作用效果及土体被射流破坏的土体面积的主要因素；对于砂土、粘土、粉土层，采用相同的注浆压力及注浆形式，其取得的注浆效果因土层性质不同而不同。

关键词：高压喷射注浆技术；注浆机理；二维颗粒流；高压射流；注浆压力

Abstract

High-pressure jet grouting has the characteristics of good injectability, good controllability，strong applicability and good anti-seepage treatment effect. It is often used in water conservancy and hydropower engineering, construction engineering, slope engineering, underground engineering, and has domestic and foreign widely popularized and applied.

On the basis of summarizing the achievements made by previous studies on high-pressure jet grouting technology, this paper introduces the concept of fluid domain based on the PFC2D two-dimensional particle flow numerical simulation test method of fluid-solid coupling principle, introduces the concept of fluid domain, uses FISH function to define fluid domain The model of particle contact bonding establishes a high-pressure jet grouting model for soil. On this basis, a detailed analysis of the high-pressure jet grouting reinforcement mechanism was carried out, and the grouting effects under different grouting pressures and different soil conditions were analyzed and compared. The simulation results indicate that for sand grouting, grouting pressure is the main factor affecting the effect of the slurry and the soil near the borehole and the area of the soil destroyed by the jet; for the same grouting pressure and grouting form, the grouting effect achieved will be different due to the different nature of the soil layer.

Key words: high-pressure jet grouting; grouting mechanism; two-dimensional particle flow; high-pressure jet; grouting pressure

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 2

1.3 研究现状 3

1.3.1 注浆技术概述 3

1.3.2 高压喷射注浆技术国内外发展现状 3

1.3.3注浆机理的颗粒流数值模拟 5

1.4 研究主要内容与技术路线 6

第二章 注浆研究的基础理论 8

2.1 静压注浆机理 8

2.2 高压喷射注浆机理 9

2.2.1 高压喷射流的构造 9

2.2.2 浆液主要作用形式 10

2.3 注浆模拟的基本理论 10

2.3.1 基本假设 11

2.3.2 基本方程 11

2.4 高压喷射注浆技术的应用特点 13

第三章 基于离散元的数值模拟 14

3.1 建模过程与细观参数设定 14

3.1.1基本模型的生成 14

3.1.2 细观参数的设定 15

3.2 注浆过程的细观分析 16

3.3 不同参数对砂土层注浆效果的影响 20

3.3.1 注浆压力的影响 20

3.3.2 摩擦系数对注浆效果的影响 26

3.4 不同土体条件下注浆效果 30

第四章 结论与展望 36

4.1 结论 36

4.2 展望 36

参考文献 37

致 谢 39

第一章 绪论

1.1 研究背景

进入21世纪以来，在我们祖国大力支持发展基础建设的推动下，隧道、交通、水利水电、地下工程建设得到快速的发展。在建设中所碰到的地质问题也越来越棘手，如何提高地基的承载力和防渗能力也成为了工程建设中的重中之重。而注浆技术的发展和应用成功攻克了这一难题，注浆技术是指用一定压力将胶凝材料注入到土体孔隙或岩石裂隙中，经固结后达到加固防渗地基土体的作用。其具有施工简便、成本低、经济效益高、提高土体稳定性以及环保的特点，被广泛地运用到工程地质中一般地基改善这块领域，是少数几种可用于结构后修补或改造的地基加固技术之一。

注浆技术随着在工程中的运用实践也发展出了许多更优质的地基处理方法。其中，高压喷射注浆技术有着最为突出的表现，高压喷射注浆技术最早用于我国水利水电行业中的大坝基础施工并取得了成功，随后成为了该领域的首要选择^[1]。如何处理渗漏是水利水电工程中常常碰到的一个难题，而高压喷射注浆技术因其可处理更深范围土层、机具震动小、对坝基扰动小、可灌性及可控性好，在解决该问题上取得了很好的效果。在我国水利水电工程成功应用高压喷射注浆的推动下，地下工程、建筑工程等其他工程项目纷纷开始使用该技术。其工作原理是先利用钻机成孔至设计标高，然后由注浆管上的特殊喷嘴，采用高压将水泥浆液喷射出来。高压喷射出的水泥浆液形成脉冲射流，来切割破坏孔壁附近的土体，达到改变原土层的结构组成的目的。其中粒径较小的土粒通过射流的抬升作用被排出钻孔，从而由水泥浆填充。整个喷射过程随钻杆提升至孔口而结束，孔中剩余被破坏的土层颗粒在钻杆旋转的带动下和水泥浆液均匀混合凝固形成固结体，其具有强度高、抗变形、抗渗能力强的特点。高压喷射注浆可根据喷射方式分为定喷、旋喷、摆喷这三种。当喷嘴固定喷射方向不变时为定喷，形成的固结体为板状；当喷嘴小角度摆动进行喷射时为摆喷，其固结体形状与定喷大致相同，但厚度比定喷较厚，其横断面呈扇状，与定喷通常用于工程中建造防渗帷幕之类的防渗处理；当喷嘴环绕钻杆旋转进行喷射时为旋喷，其固结体呈圆柱形，主要用于提升地基承载力，控制地基变形^[2]。

图1.1 三种喷射形式及所形成固结体形状示意图^[3]

1.2 研究目的及意义

随着水电工程及地下工程的增多，所面临的难题也越来越大，我国高压喷射注浆技术发展太依赖于工程中的实践经验，像高压喷射注浆过高的注浆压力会造成土体结构的破坏，恰当控制好注浆压力成为解决难题的关键，此类的问题需对注浆过程进行全面直观的研究。但由于注浆过程处于地层中，环境隐蔽无法观察，施工现场地质和水文条件较复杂难以确定，导致对于注浆的理论研究无法跟上工程应用的需要。而室内试验模拟注浆无法达到现场实际条件，具有经费高、试验时间长的缺点，加上进行注浆试验后只能通过开挖观察到最后的浆脉分布不能观察到浆液扩散过程及浆液和土体的作用方式，这一定程度上影响了注浆理论的发展。运用数值模拟方法能解决这些难题，因此利用数值软件模拟注浆过程成为当前一个新兴的有效的途径。当前国内外关于注浆过程仿真模拟的资料比较少，许多高校及研究机构采用不同的数值方法来研究注浆过程，其中部分学者采用有限元软件模拟主要着重于模拟注浆后的效果，设置参数比较随意，达不到理想的现实施工中的注浆效果^[4]；且该法具有局限性，只适用来处理小变形条件下连续介质的问题。而以PFC2D颗粒流方法为代表性的离散元软件克服宏观连续介质力学模型的连续性假设^[5]，能处理非连续介质的问题。为了迎接之后基础工程建设带来的挑战来帮助国家建设，提升国民经济的效益，开展“离散元模拟注浆过程”的研究具有重要意义。PFC2D离散元软件基于颗粒流方法，能解决颗粒介质流动的问题，准确模拟非连续介质间的作用形态，用PFC2D软件模拟高压喷射注浆的过程可以更贴近现实施工的注浆过程，同时也能更直观的展现模拟结果。