总494期
2019年第8期（3月中）
侧向开孔注浆的诱导劈裂机理研究
陈钊1，罗光1，杜雪明2
（1.广西翔路建设有限责任公司，广西南宁530000；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083）
摘要：为了更好地了解侧向开孔条件下浆液渗流场与土体应力场之间的耦合效应，揭示诱导劈裂机理，构建开孔注浆理论
模型并进行基于离散元软件的侧向开孔劈裂注浆数值分析。研究结果表明：单孔无诱导情况下，浆液的扩散方向是不可控制的；若在注浆孔周围开设一个诱导孔，注浆孔周围的裂纹会呈现明显的定向扩展；随着诱导孔与注浆孔的距离逐渐增大，诱导孔对注浆孔的裂隙扩展方向的影响会逐渐变小。
关键词：注浆；诱导劈裂；侧向开孔中图分类号：U415文献标识码：A
0引言
诱导劈裂注浆是指在病害区域进行灌浆时，通过在注浆孔周围布置诱导孔，从而使得预注注浆孔附近土体的应力重新分布，进而使得注浆孔附近土体的主应力场分布发生改变（通过往诱导孔注入浆液，然后在注浆孔内进行水力劈裂改变应力场分布），从而形成局部土体软弱区[1-3]。之后，在局部土体软弱区，浆液在注浆压力作用下将沿预定诱导方向进一步劈裂和扩散，无诱导孔布置时，在原地应力场作用下，浆液主要沿竖向方向不断劈裂土体；当布置诱导孔之后，注浆孔附近土体的最小主应力的大小和方向都发生了变化，浆液主要沿水平方向劈裂土体。
与常规劈裂注浆的不同之处在于，它可以较好地控制浆液劈裂方向，同时也可以较为准确地控制浆液的扩散范围，这很有利于提高注浆效果。除此之外，注浆过程中由于浆液扩散而形成的浆脉骨架也会在很大程度上影响注浆的效果，通过诱导劈裂注浆可以促使浆液按照设计的方向劈裂扩散，这有助于浆液固结体抗压强度的提升。
σφ=
图1
诱导孔
y
sy
A
dsx
注浆孔诱导孔
Bdsx
x
sy
诱导劈裂注浆力学机制分析图
式（1）~（3）中：ρ和φ为径向和环向坐标；σρ为极坐标系中的径向正应力；σφ为极坐标系中的环向正应力；τρφ为径向面的切应力。令σx=kσy=kq（k为侧向压力系数），注浆孔附近径向r处土体的应力计算公式为：
σφ=(k+1)q-2(k-1)qcos2φ
σρ=0,τρφ=0
24σx+σyæöσx-σyæö
1+r2÷+cos2φç1+3r4÷ç2è2ρøρøè
22σx-σyæöæö
τρφ=sin2φç1-r2÷ç1+3r2÷2ρøèρøè
（2）（3）
1诱导劈裂注浆力学机理分析
通常情况下，病害区所需注浆的范围一般都很大，因此，注浆孔周边的应力场分布规律问题可以简化为平面应力应变问题
[4-6]
。另外，在此假设所研究的对象为单层土
体，而且与弹性力学中的基本假设相吻合。一般地，在注浆孔平面上主要有两个方向的受力，即，竖向地应力y（其方向平行于横截面，其大小在长度方向上无变化）和水平地应力x（忽略浆液自重），如图1所示。
根据应力叠加的原理，注浆平面内任一点的应力解可以通过式（1）~式（3）表示，本文取受压方向为正方向。σρ=
σx+σyær2ö+σx-σycos2φæ1-r2öæ1-3r2ö1-÷ç÷ç÷2ç2ρ2øρ2øρ2øèèè
（4）（5）
由式（4）和式（5）可以看出，注浆孔孔周仅存在环向正应力。当在距A点上方附近处布置诱导孔后，这会引起A点应力场的分布，会增加其应力集中程度；这在一定程度上会缓和B点处的应力集中程度。当诱导孔与注浆孔之间的距离达到某一特定值时，A点和B点的应力值基本相等。若进一步减小两孔之间的间距，则A点的应力值会大于B点的应力值，此时B点处的主应力是注浆孔附近主应力的最小
（1）
收稿日期：2018-11-16
作者简介：陈钊（1979—），男，广西南宁人，高级工程师，从事公路工程建设管理相关工作。
16
值。在此种情况下进行劈裂注浆，浆液运动方向将会沿着B点水平劈裂。
22.1侧向开孔条件下诱导劈裂注浆微观机理分析
几何模型及边界条件
为了深入分析侧向开孔条件下诱导劈裂注浆微观机
理，采用离散元软件PFC进行数值分析。计算模型采用了长方形平面模型，边长中间孔直径为15mm，计算边界采用位移边界，即约束平面模型的四个边的位移，在长方形左侧圆孔内施加不断变化的压力水头（模拟注浆压力），如图2所示。
（a）单孔无诱导（b）单孔诱导（1倍孔径距）
（c）单孔诱导（2倍孔径距）
（d）单孔诱导（3倍孔径距）
图2
侧向开孔诱导注浆效果图
2.2材料力学参数选取公路路基区域土体力学参数和计算荷载控制方式如表1
所示。
表1数值模型参数
力学参数参数值均质度3弹性模量（MPa）72黏聚力（Pa）2×106泊松比0.35孔隙率
0.162.3结果分析
可以看出，单孔无诱导情况下，给孔壁施加一定的注浆压力（4MPa），注浆孔周围的裂纹呈四周扩散态，没有特定的方向性，反映到注浆扩散上是无法控制浆液的流动趋势。在注浆孔周围开设一个诱导孔，注浆孔周围的裂纹不再和单孔无诱导那样没有特定的方向，而是呈现明显的定向扩展，即裂隙明显地朝诱导孔的方向扩展开来，具有明
交通世界TRANSPOWORLD显的定向性。由此可知，在注浆过程中，可以通过注入不同的浆液来改变被注岩土介质的孔隙结构特征和应力分布状态，进而实现浆液的定向扩散运动；同时，随着诱导孔与注浆孔的距离逐渐增大，诱导孔对注浆孔的裂隙扩展方向的影响会逐渐变小，当孔间的距离达到2倍以上孔径时，诱导孔对注浆孔裂隙扩展方向几乎没有影响。这表明，在注浆过程中，可以在适当的距离布置诱导孔，通过对诱导孔采取措施（注入水、水玻璃或者水泥浆）来改变周围岩土介质的孔隙结构，进而控制浆液的劈裂方向，控制其扩散方向，从而实现较好的注浆加固效果。
3结论
（1）单孔无诱导情况下，给孔壁施加一定的注浆压力，注浆孔周围的裂纹呈四周扩散态，没有特定的方向性，反映到注浆扩散上是无法控制浆液的流动趋势。
（2）若在注浆孔周围开设一个诱导孔，注浆孔周围的裂纹会呈现明显的定向扩展，即裂隙明显地朝诱导孔的方向扩展开来，具有明显的定向性。
（3）随着诱导孔与注浆孔的距离逐渐增大，诱导孔对注浆孔的裂隙扩展方向的影响会逐渐变小，特别是当孔间距的距离到达2倍孔径以上时，诱导孔对注浆孔裂隙扩展方向几乎没有影响。
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（编辑：唐勍勍）
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