土体注浆后的性能分析

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2004.03.004 第26卷第3期 北京科技大学学报 Vol.26 No.3 2004年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2004 土体注浆后的性能分析 张友葩吴顺川方祖烈 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要应用Mor-Coulomb屈服准则，推导了注浆后岩土体的屈服函数.根据位于205国道 上某土质边坡的实际情况，利用现场实测数据和实验数据，分别对注浆前后坡体的破坏状态、 不同位置位移的变化情况以及坡体的整体稳定性等方面进行了模拟计算，结果表明，注浆后 岩土体的弹性区域显著增大，侧向位移明显减小，而岩土体的剪应力屈服区域则由集中趋于 分散， 关键词岩土体：中高压注浆：性能分析：数值模拟：内聚力：内摩擦角 分类号TU472;TB125 岩土体的稳定性问题是岩土工程中一个非 fc,p)=-ok-2c√R 常重要的课题，如何充分利用岩土体残余强度有 1+sino (3) k≌i-sin吨 效阻止岩土介质的滑移从而保持结构的稳定，这 式中，k表示土压力系数，，分别表示土体中 是岩土工程加固中的理想状态，利用注浆技术再 的最大和最小主应力，八)表示土体的屈服（临 辅之以其他加固措施可以实现这一目标，因为在 界)函数.根据式(2)和(3)，屈服函数用下式表示： 注浆过程中，浆液可以通过渗透、压密、劈裂以及 与岩土体的相互作用，改善了岩土体的性能， 1+singo-2co 1-sinpo f代c,中)=i-1-sin0。 /1+sinΦe 使岩士体的自稳定能力有较大程度的提高， 2△c 1+sine-△中1+sip 2caC0s中。 /1-sn,φo 1岩土介质的改性分析 4p02-24A器 coso 注浆后岩土介质的物理性能和化学性能会 c2css)-sinpo(1+sin.) (1+sino) 发生相应的改变，其中最能反应岩土工程稳定状 coso-sin )-sing1-sin, 况的两个参数即内聚力c和内摩擦角中都会有 (1-sinp)° (4) 不同程度地提高.设其提高值分别为△c,△中，则 式中，△c,△中分别表示土体注浆后内聚力和内摩 由泰勒级数可以求得注浆后岩土介质的℃值和中 擦角的增量，土体中内聚力和内摩擦角的增加， 值. 与注浆量有直接的关系，设浆液的注入率为，则 f八cAc.+Ap）=ncAc c+pp/a,H 其可以表示为： 1 02 (5) 21 Ac dc t 31 Ac oc 1 式中，”，，分别表示注浆体的体积和原土体的体 ppc,pH+nAcc+pa,p,Ha 积.于是注浆后，在忽略浆液的水化和水解作用 (1) 的情况下，岩土体的内摩擦角和内聚力可以分别 式中，c,中，分别表示岩土介质注浆前的初始值 表示为： 为计算方便考虑其中的前三项，则上式可以写成 如下形式： (6) fc.+Ac.o)-fc)+AcO/c)2fc) 1 A@w号acw2 dc 0φ cs=l+ncet linc. 式中，c,c(c,=c)分别表示浆体和土体的内聚力， do dφ2 中，中.（中，=）分别表示浆体和土体的内摩擦角. 根据Mohr-Coulomb屈服准则，岩土介质的 根据式(6)，则注浆后岩土体的内摩擦角和内聚力 屈服函数可以表示为： 的增量可以表示为： 收稿日期2003-01-22张友葩男，37岁，高级工程狮，博士

第 2 6 卷 第 3 期 2 00 4年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u nr a l o f U n vi e sr yit o f S e el n e e a n d Te e h n o l o yg B e ij in g V匕】 . 2 6 N 0 . 3 uJ n . 2 00 4 土体注浆后 的 , ’4I 能分析 张友 葩 吴 顺 川 方 祖 烈 北京 科技大 学土木 与环 境 工程学 院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 应用 M o h r 曰C o ul o m b 屈服准 则 , 推 导 了注浆 后岩 土 体的 屈 服 函 数 . 根 据位 于 2 05 国道 上某 土质边坡 的实 际情况 , 利用现 场实 测数据 和实验 数据 , 分 别对注 浆前后 坡体 的破坏状 态 、 不 同位置 位移 的变化 情 况 以及 坡 体 的整 体稳 定 性等方 面进 行 了模拟 计算 . 结果 表 明 , 注浆 后 岩 土体 的弹性 区域 显著 增大 , 侧 向位移 明显 减小 , 而岩 土体 的剪 应力 屈服 区域则 由集 中趋于 分 散 . 关键 词 岩土 体 : 中高压 注浆 ; 性 能分 析 ; 数 值模拟 ; 内聚 力 ; 内摩擦 角 分 类号 T U 4 7 2 : 珊 12 5 岩土 体 的稳 定 性 问题 是 岩 土 工 程 中一 个 非 常重要 的课题 , 如何充 分利 用 岩土 体残 余强度有 效 阻止岩 土介 质 的滑移 从 而保 持结 构 的稳定 , 这 是岩 土工 程 加 固中 的理想状 态 . 利 用注 浆 技术 再 辅之 以其 他加 固措 施可 以实现 这一 目标 . 因为在 注浆 过程 中 , 浆液 可 以通过 渗透 、 压 密 、 劈裂 以及 与岩 土 体 的相 互作 用 , 改善 了岩 土 体 的性 能 〔卜 5, , 使岩 土 体 的 自稳 定 能 力有较 大程 度 的提 高 . 1 岩土 介质的 改性 分析 注 浆后 岩 土 介 质 的物 理 性 能和 化 学性 能会 发生 相应 的 改变 , 其 中最能 反应 岩土 工程 稳 定状 况 的两 个 参 数 即 内聚 力 c 和 内摩 擦 角 沪都 会 有 不 同程 度 地 提 高 . 设其 提 高 值分 别 为△c , 却 , 则 由泰勒 级数 可 以求 得注 浆 后岩 土介 质 的 c 值 和价 值 . 准 ,妇 = 。 1一 。 k 一 c2 在 l + 5 1呻 1一 s呻 (3) 式 中 , k 表 示 土压 力 系数 , al , a3 分别 表示 土 体 中 的 最大 和最 小 主应 力 , f( · )表 示 土 体 的屈 服 (临 界 ) 函数 . 根据 式 (2) 和 (3) , 屈服 函 数用 下 式表 示 : fc( , 、 一芒黯 一 c20 漂瓢 - c2A 丫恶黯 一 、 丈 {瓮斋 - 婀丈忽忠了一 咧 酝揣豁 + ·浮呵哑架铝揣卿鱼型耸 。 ~ 粤综黯巨醚} ( 4 ) f( +c0 △c 劝+0 帅) 一 f( c0 , , 。 ) + ( △ l ( ` a . ` 日 丫、 、 . I f ` 刁 ` 可ac[ 忑万十 卿万厂气c0, 和 十 万丁沪 c ` 宜 丁扩 刁 、 , 、 , 、 二 l ( ` 刁 . ` 刁 丫、 叩万厂、 c0, 和 十” .十 丽沪 `币万十叩可」 J气 c。 , 价 。 ) + 式 中 ,△c , 师 分 别 表 示 土体 注 浆 后 内聚 力 和 内摩 擦 角 的增 量 . 土 体 中 内聚 力和 内摩擦 角 的增 加 , 与 注浆 量有 直接 的关 系 , 设 浆液 的注 入率 为叮 , 则 其 可 以表 示为 : . 二 ,I 互代 ( 5) c 。 ,沪 。 ) + △ ( l ) 式 中 , c0 , 价 。 分别表 示岩 土介 质注 浆前 的初 始 值 . 为计 算方 便考 虑其 中的前三 项 , 则 上式 可 以写成 如下 形 式 : 式 中 , 气 , 代 分别 表示 注浆 体 的体积 和 原土 体 的体 积 . 于是 注浆 后 , · 在忽 略浆 液 的水化 和水解 作用 的情 况下 , 岩土 体 的 内摩 擦角 和 内聚 力可 以分别 表 示为 : (6 ) f( c+0 △c, 价+0 帅) = f( c0, 咖卜 A a c a沪 人 一 却 g 命 . 气 一 六 C尹六 C 。 配镌严 + 、 镌黔 十△二 ” 根 据 M o h -r 毛 ou of mb 屈 服准 则 , 岩土 介质 的 屈服 函数 可 以表 示 为 : 收稿 日期 2 0 03 一 1一2 张友葩 男 , 37 岁 , 高级工 程师 , 博士 式中 , 几 , cs( 仇 = c0 ) 分 别表 示 浆体和 土 体 的 内聚 力 , 丸 , 叭助 。 = 咖) 分 别 表 示 浆 体 和 土 体 的 内摩擦 角 . 根据 式(6 ) , 则注 浆后岩 土体的 内摩 擦角和 内聚力 的增 量 可 以表 示为 : DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 03. 004

Vol.26 No.3 张友葩等：土体注浆后的性能分析 ·241 1φ一φ，） △pu=中-中，=1+n 注浆的作用下可以实现土体的整体改性.注浆后 (7) 边坡土体在浆液的渗透、压密作用下被充实，空 Ae.=ca-c.-(G-c) 隙比和压缩比明显降低，压缩模量大大提高.同 由此根据注浆机理，不妨设由于土体与浆液 时，高压注浆的压力达到一定程度时，土体在浆 的相互作用而引起内聚力和内摩擦角变化的系 液的作用下发生劈裂，层面扩大或是形成较大宽 数分别为k,k,这两个系数可以借助于室内实验 度的裂隙，水泥浆液呈脉状、层状或是平板状注 和现场测试获取，也可以采用文献[3]中的方法， 入土体中，形成土体的结构骨架. 由此可以求得注浆以后土体的内聚力和内摩擦 2.2数值模拟 角的增加值： (I)计算模型.数值模拟采用FLAC2D,图2为 △c= 1+nc。-ck 坡体的计算模型，模型中每一个网格所代表的实 (8) 际尺寸为0.5m,考虑到坡体的顶部承受公路载 的=中，pk 荷，因而在这一位置施加30KN/m的车辆载荷. 由（⑧）和(4)式就可以求出注浆后土体的实际 坡体采用应变硬化（软化）模型.这一模型实 屈服（临界）函数式.并由此可以计算出土体的屈 际上是Mohr-Coulomb模型的扩展，其不同之处 服包络面（如图1所示）. 在于，当某一区域发生塑性屈服时，土体的内聚 力、内摩擦角、膨胀角以及抗拉强度等属性在 60 fco+△c,φo+△p) Mohr-Coulomb模型中是恒定不变的，而在应变 硬化（软化）模型中则会发生相应地变化一硬 40 Aco 化或软化，模型中的剪切硬化参数和张拉硬化 20 参数的增量可以表示为： 0 A2af-Araer+ae-ae 200 400600 800 -(AertAd) (9) /kPa 图1 Mohr-Coulomb破裂准则 △e'=△e Fig.1 Mohr-Coulomb failure eriterion 式中，△e,△e分别表示土体的剪切硬化参数和 张拉硬化参数的增量：△e,j=1,3表示主塑性剪 2事例分析 应变增量， 2.1实验结果 (2)计算结果.图3分别表示坡体注浆前后的 205国道位于山东省泰安市境内的某土质边 破坏状态，注浆后坡体的弹性区域明显增加，屈 坡，在外部载荷和地表水的长期作用下发生了滑 服区域明显降低，而且剪切屈服的区域比较分 移，根据工程的实际情况设计采用了中高压注浆 散，这说明注浆后坡体的稳定性大大增强.图中 和微型抗滑桩的加固方案，设计中所建议的注浆 所出现的张拉屈服以及剪切屈服均出现在公路 压力为2.0-2.5MPa.根据勘察报告，边坡的土质 路基的区域，表明这两种屈服主要是由车辆载荷 比较均匀，主要由含砂砾的亚粘土组成，亚粘土 所引起的. 呈粉粒和粘粒，砂砾含量较高，局部达到15%，平 图4分别表示注浆前后坡体不同位置单元体 均为5%，砾石的主要成分为花岗岩、泥岩和灰岩 在水平方向上的位移随计算时步的变化过程，其 碎块，因而可注性较好.根据现场的实验结果，其 中的三个单元分别取自坡体的上部、下部和中 注浆前后土体的物理力学性质如表1. 部，其中单元(15,4)位于坡体底部，单元(34,11) 从表1中可以看出，边坡中的土体在中高压 位于坡体中部，而单元(48,18)则在坡体的顶部， 表1注浆前后土体的物理及力学性能 Table 1 Mechanical properties of original and cement-grouting soil mass 湿密度干密度 土体密度 内聚力 土样 空隙比压缩系数 压缩模量 含水率% 内摩擦角() (t.m) (t.m) (tm) (MPa) (kPa) 注浆前 11.30 1.79 1.64 1.69 0.69 0.44 5.04 16.40 21.5 注浆后 13.85 1.91 1.67 1.72 0.63 0.29 8.15 22.13 23.65

万 ` b LZ N 0 . 3 张友 葩等 : 土 体注 浆后 的 性能 分析 却 a 价=ga一 叭 g ) ( 7 △气 二 c a一 c g , = 二 六饥 一闪 六 `几一 c 日 , 由此 根 据注 浆 机 理 , 不 妨设 由于土 体 与浆 液 的相 互作 用 而 引 起 内聚 力 和 内摩 擦 角 变 化 的系 数分 别 为 kc , 瓜 , 这两 个 系数 可 以借助于 室 内实 验 和现 场 测试 获 取 , 也 可 以采 用文 献 [31 中的方 法 . 由此 可 以求 得 注 浆 以后 土 体的 内聚 力 和 内摩 擦 角 的增 加值 : { ` · }师 一 e B )kC (8 ) g一 价J凡 由( 8) 和 (4) 式 就 可 以求 出注 浆后 土 体 的实 际 屈服 ( 临界 ) 函数式 . 并 由此可 以计 算 出土 体 的屈 服 包 络 面 ( 如 图 1 所 示 ) . 二 一UnUn 4 , 了 ù 洲山. 、心 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 口 1 / k P a 图 1 M o h r` C o u fo m b 破裂 准则 F i g . 1 M o h r 曰 C o u l o m b fa n u r e c r it e ir o n 2 事例分 析 .2 1 实 验 结 果 2 05 国道位 于 山 东 省 泰安 市 境 内的某 土 质边 坡 , 在外 部载 荷和 地 表水 的 长期 作用 下 发生 了滑 移 , 根据 工程 的实际情 况设 计采 用 了 中高压 注浆 和 微 型抗 滑桩 的加 固方案 , 设计 中所 建 议 的注浆 压力 为 .2 0一 2 . 5 M P a . 根据 勘 察报 告 , 边 坡 的土质 比 较 均 匀 , 主 要 由含砂 砾 的亚 粘土 组成 , 亚粘土 呈粉 粒和 粘 粒 , 砂砾 含 量较 高 , 局部 达 到 巧% , 平 均 为 5% , 砾 石 的主要 成 分 为花 岗岩 、 泥 岩和 灰岩 碎 块 , 因而可 注 性较好 . 根据 现场 的实验 结 果 , 其 注浆 前 后土 体 的物理 力 学 性质 如 表 1 . 从 表 1 中 可 以看 出 , 边坡 中 的土 体在 中高压 注 浆的作用下 可 以实现 土体 的 整体 改性 . 注 浆 后 边 坡 土 体在 浆 液 的 渗透 、 压 密作 用 下 被 充实 , 空 隙 比 和 压缩 比 明显 降低 , 压 缩模 量 大 大提高 . 同 时 , 高压 注浆 的压 力达 到 一 定程 度 时 , 土体 在 浆 液 的作用 下发 生 劈裂 , 层 面扩 大 或 是形 成较 大 宽 度 的裂 隙 , 水 泥 浆液呈 脉 状 、 层 状 或 是平 板 状注 入 土 体中 , 形 成 土体 的结 构骨 架 . .2 2 数值模 拟 ( 1) 计 算模型 . 数 值 模拟 采用 F LA C ZD , 图 2 为 坡 体 的计算模型 , 模 型 中每 一个 网格 所代表 的实 际尺 寸 为 .0 5 m , 考 虑 到 坡体 的顶 部承 受 公 路载 荷 , 因而 在 这 一位 置 施 加 30 K N /m 的车辆 载 荷 . 坡 体采 用 应变 硬 化 ( 软 化 ) 模 型 . 这 一模 型 实 际土是 M o hr 曰C o ul o m b 模 型 的扩 展 , 其 不 同之 处 在 于 , 当某 一 区域 发 生 塑 性屈 服 时 , 土 体 的 内聚 力 、 内摩 擦 角 、 膨 胀 角 以及 抗 拉 强度 等 属性 在 M o h -r ~ C ou fo m b 模 型 中是 恒 定不 变的 , 而 在 应变 硬 化 ( 软 化 ) 模型 中则 会 发生 相 应地 变 化— 硬 化 或 软化 `10] . 模型 中 的剪切硬 化 参 数和 张 拉 硬化 参 数 的增 量 可 以表 示 为 : } △酬一 !与 △、 一 △二) 2 斗。 二)件 (A ` 。一 △碟洋 毛 . 1 , 、 ( 9 、 !△衅 二 令 ` (△留+s △d 竹 l一 田 3 、 ~ , , 一 j , l△砂 = △嘴 , 式 中 , △产 , △ent 分别 表 示 土体 的剪切 硬 化 参 数和 张 拉 硬 化 参 数 的增 量 ; △才 ,j = 1 , 3 表 示 主 塑 性 剪 应 变 增量 . (2 ) 计 算 结果 . 图 3 分别表 示 坡体 注浆前 后 的 破 坏 状态 , 注 浆后 坡 体 的 弹性 区域 明 显增 加 , 屈 服 区 域 明 显 降低 , 而 且 剪 切 屈 服 的 区域 比较 分 散 , 这 说 明注 浆后 坡 体 的 稳 定性 大大 增 强 . 图 中 所 出现 的张 拉 屈 服 以及 剪 切 屈 服 均 出现 在 公 路 路 基 的 区域 , 表 明这 两种 屈服 主 要 是 由车辆 载荷 所 引起 的 . 图 4 分 别表 示注 浆前 后坡 体 不 同位 置单 元体 在 水平 方 向上 的位 移 随计 算 时步的变 化过 程 . 其 中 的三 个 单 元 分 别 取 自坡 体 的上 部 、 下 部和 中 部 , 其 中 单元 ( 15 , 4 ) 位 于 坡 体底 部 , 单 元 ( 3 4 , 11 ) 位 于 坡 体 中部 , 而 单 元 (48 , 18) 则在 坡 体 的顶 部 , 表 1 注 浆前 后土 体 的物 理及 力学 性 能 aT b l e 1 M e c h a n i c a l Por P e r it e s o f o ir g i n a l a n d c e m e n t 一 g or u it n g 5 0 11 m a s s 土 样 含 水 率%/ 湿 密度 干密 度 土体 密度 (t · m 一 , ) ( t · m 一 , ) ( t · m 一 , ) 空 隙 比 压 缩 系数 压 缩模 量 (M P a) 注 浆 前 注 浆 后 1 1 . 3 0 1 3 . 8 5 . 6 4 . 6 7 5 . 0 4 8 . 1 5 内聚力 ( k Pa) 16 . 4 0 22 . 1 3 内摩 擦角 (/ o) 2 1 . 5 2 3 . 6 5 4 Q ù 4 `, : 0 q ù八j 6 ǎ 6 : nCU 9 内` 6 ,沙 O ` 1 1 ō了 9

·242· 北京科技大学学报 2004年第3期 30 kN/m 本相似.从图中可以看出，注浆后坡体的自稳定 时间提前，而且其在水平方向上的位移值也明显 10.00 降低，不同位置单元的位移降低幅度大约在 5.00 30%-50%之间. 图5分别表示在主动土压力条件下，注浆前 0 后坡体的破裂面包络线轮廓.位于屈服面上部的 2.507.5012.5017.5022.5027.5032.50 为塑性屈服区域，而位于屈服面下部区域为弹性 B/m 区域.从图中可以看出，注浆后坡体的弹性区域 图2计算网格及边界条件 Fig.2 Simulation grids plot and boundary condition of the 明显增加，坡体的自稳定能力大大增强.这是因 soil slope 为在注浆体尤其是高压注浆的作用下，当注浆的 压力大于土体中间主应力值，时，土体中就会形 每一个单元距坡面的距离为3m.在三个单元中 成新的劈裂面，如此继续下去土层就会形成网状 顶部单元的位移量最大，这与公路所承受的车辆 浆脉，其内聚力和内摩擦角得到提高 载荷有直接关系，由于注浆前后坡体的原始应力 图6分别表示注浆前和注浆后，平行于坡面 状态变化不大，同时所取的单元体均位于坡体内 方向距坡面3m处坡体（自下而上）在水平方向 部相对稳定的区域，所以坡体的位移变化趋势基 上的位移速度变化情况，从图中可以看出：坡体 (a)注浆前 (b)注浆后 丽随龙反城 限植夏国富线 图3注浆前后坡体的破坏状态 Fig.3 State contours before and after grouting -1.0 (a)注浆前 0.0 (15,4) (b)注浆后 -1.5 0.5 (15,4) -2.0 -1.0 (34,11) -2.5 的 -1.5 (34,11) -3.0 下 -2.0 (48,18) (48,18) -3.5 -2.5 4.0 -3.0 1000 2000300040005000 10002000300040005000 计算时步 计算时步 图4注浆前后坡体不同位置的单元在水平方向上的位移变化曲线 Fig.4 Curves of the X-displacement in different positions vs the number of computing steps before and after grouting 1.0 0.8 (a)注浆前 (b)注浆后 0.6 0.6 0.4 至04 0.2 回0.2 尽 0 0.20.40.60.81.01.2 0.20.40.60.81.0 法向应力/MPa 法向应力/Pa 图5注浆前后坡体的破裂面包络线 Fig.5 Failure surface plots before and after grouting

万b LZ` N 0 . 3 张友 葩等 : 土 体注 浆后 的 性能 分析 却 ga = 价ga 一 叭 ( 7 ) △气 二 c ga 一 c , = 二 六饥 一闪 六 `几一 c 日 , 由此 根 据注 浆 机 理 , 不 妨设 由于土 体 与浆 液 的相 互作 用 而 引 起 内聚 力 和 内摩 擦 角 变 化 的系 数分 别 为 kc , 瓜 , 这两 个 系数 可 以借助于 室 内实 验 和现 场 测试 获 取 , 也 可 以采 用文 献 [31 中的方 法 . 由此 可 以求 得 注 浆 以后 土 体的 内聚 力 和 内摩 擦 角 的增 加值 : { ` · }师 一 e B )kC (8 ) g一 价J凡 由( 8) 和 (4) 式 就 可 以求 出注 浆后 土 体 的实 际 屈服 ( 临界 ) 函数式 . 并 由此可 以计 算 出土 体 的屈 服 包 络 面 ( 如 图 1 所 示 ) . 二 一UnUn 4 , 了 ù 洲山. 、心 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 口 1 / k P a 图 1 M o h r` C o u fo m b 破裂 准则 F i g . 1 M o h r 曰 C o u l o m b fa n u r e c r it e ir o n 2 事例分 析 .2 1 实 验 结 果 2 05 国道位 于 山 东 省 泰安 市 境 内的某 土 质边 坡 , 在外 部载 荷和 地 表水 的 长期 作用 下 发生 了滑 移 , 根据 工程 的实际情 况设 计采 用 了 中高压 注浆 和 微 型抗 滑桩 的加 固方案 , 设计 中所 建 议 的注浆 压力 为 .2 0一 2 . 5 M P a . 根据 勘 察报 告 , 边 坡 的土质 比 较 均 匀 , 主 要 由含砂 砾 的亚 粘土 组成 , 亚粘土 呈粉 粒和 粘 粒 , 砂砾 含 量较 高 , 局部 达 到 巧% , 平 均 为 5% , 砾 石 的主要 成 分 为花 岗岩 、 泥 岩和 灰岩 碎 块 , 因而可 注 性较好 . 根据 现场 的实验 结 果 , 其 注浆 前 后土 体 的物理 力 学 性质 如 表 1 . 从 表 1 中 可 以看 出 , 边坡 中 的土 体在 中高压 注 浆的作用下 可 以实现 土体 的 整体 改性 . 注 浆 后 边 坡 土 体在 浆 液 的 渗透 、 压 密作 用 下 被 充实 , 空 隙 比 和 压缩 比 明显 降低 , 压 缩模 量 大 大提高 . 同 时 , 高压 注浆 的压 力达 到 一 定程 度 时 , 土体 在 浆 液 的作用 下发 生 劈裂 , 层 面扩 大 或 是形 成较 大 宽 度 的裂 隙 , 水 泥 浆液呈 脉 状 、 层 状 或 是平 板 状注 入 土 体中 , 形 成 土体 的结 构骨 架 . .2 2 数值模 拟 ( 1) 计 算模型 . 数 值 模拟 采用 F LA C ZD , 图 2 为 坡 体 的计算模型 , 模 型 中每 一个 网格 所代表 的实 际尺 寸 为 .0 5 m , 考 虑 到 坡体 的顶 部承 受 公 路载 荷 , 因而 在 这 一位 置 施 加 30 K N /m 的车辆 载 荷 . 坡 体采 用 应变 硬 化 ( 软 化 ) 模 型 . 这 一模 型 实 际土是 M o hr 曰C o ul o m b 模 型 的扩 展 , 其 不 同之 处 在 于 , 当某 一 区域 发 生 塑 性屈 服 时 , 土 体 的 内聚 力 、 内摩 擦 角 、 膨 胀 角 以及 抗 拉 强度 等 属性 在 M o h -r ~ C ou fo m b 模 型 中是 恒 定不 变的 , 而 在 应变 硬 化 ( 软 化 ) 模型 中则 会 发生 相 应地 变 化— 硬 化 或 软化 `10] . 模型 中 的剪切硬 化 参 数和 张 拉 硬化 参 数 的增 量 可 以表 示 为 : } △酬一 !与 △、 一 △二) 2 斗。 二)件 (A ` 。一 △碟洋 毛 . 1 , 、 ( 9 、 !△衅 二 令 ` (△留+s △d 竹 l一 田 3 、 ~ , , 一 j , l△砂 = △嘴 , 式 中 , △产 , △ent 分别 表 示 土体 的剪切 硬 化 参 数和 张 拉 硬 化 参 数 的增 量 ; △才 ,j = 1 , 3 表 示 主 塑 性 剪 应 变 增量 . (2 ) 计 算 结果 . 图 3 分别表 示 坡体 注浆前 后 的 破 坏 状态 , 注 浆后 坡 体 的 弹性 区域 明 显增 加 , 屈 服 区 域 明 显 降低 , 而 且 剪 切 屈 服 的 区域 比较 分 散 , 这 说 明注 浆后 坡 体 的 稳 定性 大大 增 强 . 图 中 所 出现 的张 拉 屈 服 以及 剪 切 屈 服 均 出现 在 公 路 路 基 的 区域 , 表 明这 两种 屈服 主 要 是 由车辆 载荷 所 引起 的 . 图 4 分 别表 示注 浆前 后坡 体 不 同位 置单 元体 在 水平 方 向上 的位 移 随计 算 时步的变 化过 程 . 其 中 的三 个 单 元 分 别 取 自坡 体 的上 部 、 下 部和 中 部 , 其 中 单元 ( 15 , 4 ) 位 于 坡 体底 部 , 单 元 ( 3 4 , 11 ) 位 于 坡 体 中部 , 而 单 元 (48 , 18) 则在 坡 体 的顶 部 , 表 1 注 浆前 后土 体 的物 理及 力学 性 能 aT b l e 1 M e c h a n i c a l Por P e r it e s o f o ir g i n a l a n d c e m e n t 一 g or u it n g 5 0 11 m a s s 土 样 含 水 率%/ 湿 密度 干密 度 土体 密度 (t · m 一 , ) ( t · m 一 , ) ( t · m 一 , ) 空 隙 比 压 缩 系数 压 缩模 量 (M P a) 注 浆 前 注 浆 后 1 1 . 3 0 1 3 . 8 5 . 6 4 . 6 7 5 . 0 4 8 . 1 5 内聚力 ( k Pa) 16 . 4 0 22 . 1 3 内摩 擦角 (/ o) 2 1 . 5 2 3 . 6 5 4 Q ù 4 `, : 0 q ù八j 6 ǎ 6 : nCU 9 内` 6 ,沙 O ` 1 1 ō了 9

Vol.26N0.3 张友葩等：土体注浆后的性能分析 ·243· 注浆后整个坡体在水平方向上的位移速度明显 度从1.6×10m/s降到了8×107m/s,这说明坡体的 降低，而且速度的波动幅度也明显变小，趋于一 整体稳定性得到了较大程度的提高，注浆后，在 种相对平缓的状态，尤其是坡体的上部其位移速 公路车辆载荷作用下坡体保持稳定状态， -10 12 (a)注浆 b)注浆后 -14 -1.2 -16 -1.4 10 15 20 25 10152025 距离m 距离m 图6注浆前后沿坡体（距离坡面3m处）在X方向上的位移速度变化曲线 Fig.6 Curves of distance vs X-displacement before and after grouting (be at 3 m to the slope surface) 3结论 讨[0岩石力学与工程学报，2002,21(3：326 4杨米加，陈明雄，贺永年.注浆理论的研究现状及发 注浆后岩土介质的内聚力和内摩擦角都会 展方向[).岩石力学与工程学报，2001,20(6：839 有不同程度地提高，其中内聚力的提高幅度较 5梁炯鋆.我国岩土工程预应力锚索的发展问题[A) 大.在外部载荷作用下，岩土体的弹性区域明显 国际岩土锚固与灌浆技术新进展M.北京：中国建 增大，塑性剪应变的屈服区域和体积应变的屈服 筑工业出版社，1998 6 Nichol S C,Goodings D J.Physical model testing of com- 区域则由注浆前的集中变得相对分散，而且总体 paction grouting in cohesionless soil [J].J Geotech Ge- 规模也相对减少，从而大大增加了岩土体的稳定 oenvir Eng,2000(9):848 性和承载能力. 7岩土注浆理论与工程事例协作组.岩土注浆理论与 参考文献 工程事例M.北京：科学出版社，2001.4 8 Lee JS,Bang C S,Mok Y J.Numerical and experimental 1 Rankin WJ.Recent developments in compensation grout- analysis of penetration grouting in jointed rock masses [J]. ing [J].J Tunnel Tunneling,1996,28(5):36 Int J Rock Mech Min Sci,1998.37(7):1027 2 Widmann R.International society for rock mechanics com- 9葛家良，软岩巷道注浆加固机理及注浆技术问题的 mission on rock grouting[J].Int J Rock Mech Min Sci, 研究D1.徐州：中国矿业大学，195 1996,33(8):803 10 FLAC Manual of Constitutive Model Theory and Imple 3李宁，张平，闫建文，灌浆的数值仿真分析模型探 mentation [M].Itasca Consulting Group p2-12-98,2002 Property Analysis of Rock and Soil Masses Properties After Cement-grouting ZHANG Youpa,WU Shunchuan,FANG Zulie Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Based on the Mohr-Coulomb failure criteria,the yield functions were deduced under the passive earth pressure condition.By using of the in-situ test data and assisted by FLAC2D,the numerical analysis of an un- stable soil slope located at the No.205 national highway is carried out.The results show that the increment ofelastic area and the decrement of lateral displacement in the soil slope after cement-grouting are notable,also the strain- sheared area and the volume strain area tend to dissipation. KEY WORDS rock and soil mass;middle-high pressure grouting;property analysis;numerical simulation;co- hesion;friction angle

V b l . 2 6 N 0 . 3 张友 葩 等 : 土体 注浆 后 的性 能分 析 一 2 43 - 注 浆 后 整 个 坡 体在 水 平 方 向上 的 位 移速 度 明 显 降低 , 而 且速 度 的波动 幅 度 也 明显 变小 , 趋 于 一 种相 对 平 缓 的状态 . 尤 其 是坡 体 的上 部其 位 移速 度 从 1 . x6 1-0 , 耐 s 降到 了 x8 l 。刀 耐 s , 这 说 明坡体 的 整 体稳 定性 得 到 了较大 程度 的提 高 . 注 浆后 , 在 公 路 车辆 载 荷 作用 下 坡 体保 持稳 定状 态 . ǎ 刁-l19 . 1日盆, 、侧瑕泌妇尽板独à -2 -4 荀 一 8 一 10 一 12 一 14 一 16 (a) 注浆 2 早散洲赫 4 { ” ’ l) 8 「 ) “ ( O _ 「 } (b )注浆后 ` r 4 卜 ǎ . 1日二, à侧瑕泌划疽校、衬 F ig . 6 3 结 论 5 1 0 1 5 2 0 2 5 5 1 0 15 2 0 2 5 距 离 m/ 距 离 m/ 图 6 注桨 前后 沿坡 体 (距 离坡 面 3 m 处 )在尤方 向上 的位 移 速度 变化 曲线 C u vr e s o f d i s t a n e e v s X￾d i s Pal e e m e n t b e of er a n d a fet r g or u it n g ( b e a t 3 m ot th e s of P e s u r af e e) 讨 [J] . 岩 石 力学 与工 程学 报 , 2 0 0 2 , 2 1 ( 3 ) : 3 2 6 注 浆 后 岩 土 介 质 的 内聚 力和 内摩 擦 角 都会 有 不 同程 度 地 提 高 , 其 中 内聚 力 的提 高 幅 度较 大 . 在 外 部载 荷 作用 下 , 岩 土体 的弹 性 区域 明显 增 大 , 塑 性剪 应 变 的屈服 区 域和 体积 应 变 的屈 服 区域 则 由注浆 前 的集 中变 得相 对 分散 , 而且 总体 规 模 也相对 减 少 , 从 而大 大 增加 了岩 土 体 的稳定 性 和 承载 能 力 . 参 考 文 献 1 R a n k 1 n W J . eR c en t d e v e 1 o Pm e in s in e o m P en s at i o n g r o u t - i n g [刀 . J T u n n e l uT n e l in g , 1 9 9 6 , 2 8( 5 ) : 3 6 2 Wi dm an R . 1 n t e m at i o n a l s o c i eyt fo r or e k m e c h an i e s e o m - m i s s i o n o n r o e k g r o ut i n g 【J] . Iin J R o e k M e e h M i n S c i , 19 9 6 , 3 3 ( 8 ) : 8 0 3 3 李 宁 , 张平 , 闰建 文 . 灌 浆 的数值仿 真分析 模型探 4 杨 米加 , 陈 明雄 , 贺 永年 . 注浆 理论 的研 究 现状 及发 展 方 向 [J ] . 岩 石 力学 与工 程 学报 , 2 0 0 1 , 2 0 ( 6 ) : 8 3 9 5 梁炯 鉴 . 我 国岩土 工程 预 应力 锚 索的 发展 问题 [A] . 国际 岩土锚 固与灌 浆技 术 新进 展 [M ] . 北 京: 中 国建 筑 工业 出版 社 , 1 9 9 8 6 N i e ho l S C , G o o di n g s D J . Phy s i e a l m o d e l t e s t i n g o f e o m - P a e ti o n gr o ut i n g in e o h e s i o ul e s s 5 0 11 [J] . J G e o t e e h G e - o e vn i r E n g , 2 0 0 0 ( 9 ) : 8 4 8 7 岩 土注 浆理 论 与工 程事 例协 作 组 . 岩土 注浆 理 论与 工 程事 例 [M ] . 北京 : 科 学 出版社 , 2 0 01 . 4 8 L e e J S , B a n g C S , M o k Y J . N u m e r i e a l an d e xP e r im e in a l an a ly s i s o f P en etr at ion g r o ut in g in j o int e d or e k m a s s e s [ J ] . ntI J R o e k M e e h Min s c i , 1 9 9 8 , 3 7 ( 7 ) : 10 2 7 9 葛家 良 . 软 岩巷 道注 浆加 固机 理 及注浆 技术 问题 的 研 究 [D ] . 徐 州 : 中 国矿业 大 学 , 1 9 95 1 0 F L A C M an u a l o f C o n s ti tu t iv e M o d e l T h e o yr an d I m Pl e m e n t a t i o n [M] . ft as e a C o n s u it i n g G r o uP PZ 一 1 2 一 9 8 , 2 0 0 2 P r o P e yrt A n a l y s i s o f R o e k an d 5 0 11M a s s e s P r o P e rt i e s A ft e r C e m e n t 一 g r o ut i n g Z石叼N G oY uP a, 砰 U hS un hc au n , FA N G uZ lie C i v il an d nE v l r o n m ent al nE g in e e r l l g S e h o o l , U iVn er s ity o f s e i cen e an d eT e lm o l o g y B e ij ign , B e ij ign l 00 0 83 , C h in a A B S T R A C T B a s e d o n het M o h-r C oul o m b fa il uer c irt ier a , het y i e l d fu n ict o n s w e er d e du c e d u n d e r ht e P a s s i v e e a rt h P r e s s uer e o n d it i o n . B y u s in g o f t h e i n 一 s iut t e s t dat a an d as s i s t e d b y FL A C ZD , ht e n u r n ier e al an ly s i s o f an -un s t ab l e 5 0 11 s l o p e l o e at e d at ht e N o . 2 0 5 n at i o n al h ig hw 盯 1 5 c a r l i e d out . hT e r e s u lt s s h o w ht at ht e i n e emr e in o f e l a s t i e ar e a an d ht e d e e r e m e nt o f lat aer l d i s Pl a c e m e nt i n ht e 5 0 11 s loP e a ft e r e e m e nt 一 g o ut in g aer no t ab l e , a l s o het s t r a l n - s h e ar e d ar e a an d ht e v o l u l n e s t r a l n aer a et n d t o d i s s iP at ion . K E Y WO R D S or e k an d 5 0 11 m as s : m i d d l e 一 h igh P r e s s ur e gr out ign ; Por P e yrt an aly s i s ; num ier e a l s im u lat ion ; e o - he is on ; 伍ict on an gl e