劈裂注漿復(fù)合土體等效彈性模量及泊松比計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工程建筑領(lǐng)域，特別是涉及一種劈裂注漿復(fù)合土體等效彈性模量及等 效泊松比的計算方法。該方法可用于可以運用劈裂注漿的工程行業(yè)，如隧道工程施，如隧道 工程施，如隧道工程施，如隧道工程施，如隧道工程施工、地基加固等。
【背景技術(shù)】
[0002] 劈裂注漿技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各類隧道及巖土工程領(lǐng)域，目的主要包括止水、加固， 糾偏、抬升等。鑒于其在巖土工程中的重要性，國內(nèi)外學(xué)者通過模型試驗，數(shù)值模擬和理論 分析等方法對其進行了大量研究。但由于其過程既復(fù)雜又隱蔽，涉及巖土、流體、材料等多 學(xué)科，目前對其研究還遠不夠完善，尤其是注漿后復(fù)合土體的力學(xué)參數(shù)方面的定量研究極 為缺乏。
[0003] 注漿后復(fù)合土體的力學(xué)參數(shù)直接關(guān)系著注漿效果的分析和評判，關(guān)系著開挖過程 中隧道的自穩(wěn)能力和對鄰近建筑物的影響程度。由于注漿后復(fù)合土體取樣困難，現(xiàn)場試驗 條件有限等原因，目前很難取得可靠的試驗資料。盡管如此，一些學(xué)者還是做出了有意義的 探索，如張友葩基于摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則，推導(dǎo)了注漿后土體的屈服函數(shù)，所得成果具有一定 的可靠性。李寧和張文舉提出以聲波波速改變來預(yù)測注漿后的彈性模量和泊松比，并分別 以數(shù)值模擬和試驗的方法對其進行了驗證，所用方法具有一定的普遍性，然而，這種方法更 適合滲透注漿和水泥土攪拌加固等處理后相對均勻的情況，對于劈裂注漿波速均勻性差， 易受測點布設(shè)的位置和距離影響。錢寶源對劈裂注漿后壓縮模量進行了理論探索，取得了 復(fù)合土體的壓縮模量計算公式，但在分析時只針對漿脈，沒有考慮漿泡。
[0004] 因此，需要一種基于漿泡分析的劈裂注漿復(fù)合土體等效彈性模量及泊松比計算方 法，以更加完善準(zhǔn)確的對工程注漿進行分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種劈裂注漿復(fù)合土體等效彈性模量及等效泊 松比的計算方法，針對平面應(yīng)變情況下的劈裂注漿復(fù)合土體彈性階段平面模型進行計算 分析，所得到的計算結(jié)果可為隧道沉降計算等問題提供理論參考。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] 劈裂注漿復(fù)合土體等效彈性模量及泊松比計算方法，該方法的步驟包括
[0008] S1、基于劈裂注漿理論和對注漿漿泡的分析，建立隧道注漿復(fù)合土體強度的基本 單元幾何模型；
[0009] S2、基于面積等效原則，對基本單元幾何模型進行簡化分析，獲得簡化基本單元幾 何模型；
[0010] S3、按照變形一致原則對簡化基本單元幾何模型進行均質(zhì)化處理，并結(jié)合注漿復(fù) 合土體的本構(gòu)關(guān)系和注漿材料本構(gòu)關(guān)系，在系數(shù)相等原則下，獲得等效彈性模量E和泊松
1其中，m為側(cè)面等效注入率，其與真實注 入率λ的關(guān)系為：/〃 = = (I - Vd)，a為漿脈寬度，Es、Eg、Gs、Gg、'和V及別為土體和 漿脈的彈性模量、剪切模量和泊松比
[0011] 優(yōu)選的，該方法進一步包括
[0012] S4、利用有限元分析法對等效彈性模量和泊松比進行解析解驗證，并獲得注入率 分別與等效彈性模量和等效泊松比的關(guān)系；漿脈模量分別與等效彈性模量和等效泊松比； 漿脈泊松比分別與等效彈性模量和等效泊松比的關(guān)系，具體的，注入率在0. 05~0. 18之間 時，得出等效彈性模量與注入率成線性遞增關(guān)系，泊松比與注入率呈近似線性遞減關(guān)系；而 隨著漿脈模量的增加，等效彈性模量呈J曲線增加，等效泊松比剛好相反；漿脈泊松比對等 效彈性模量影響可以忽略，但與等效泊松比成線性遞增關(guān)系。
[0013] 優(yōu)選的，所述步驟Sl包括
[0014] S11、根據(jù)土體密實程度，漿液稠度、注漿壓力和漿液流速，對注漿漿泡的大小進行 分析；
[0015] S12、基于漿泡的分析，將軟土注漿按平面應(yīng)變情況處理，近似認為鉆桿與地表面 平行，近似認為漿脈等寬；
[0016] S13、保持軟土注漿時，初次劈裂面我豎直方向，二次劈裂面為水平方向，形成單孔 劈裂的平面模型，即隧道注漿復(fù)合土體強度的基本單元幾何模型。
[0017] 優(yōu)選的，所述單孔劈裂的平面模型為十字型。
[0018] 優(yōu)選的，所述注漿壓力控制在能使二次劈裂形成水平方向劈裂的二次劈裂壓力范 圍內(nèi)。
[0019] 優(yōu)選的，所述步驟S3包括
[0020] S31、按照變形一致原則對簡化基本單元幾何模型進行均質(zhì)化處理，其注漿材料本 構(gòu)關(guān)
_，E和V分別為彈性模量和泊松比，剪切模量G =E/2(l+v)；
[0021] S32、基于應(yīng)力等效條件：
5口應(yīng)變協(xié)調(diào)條件：
皂中，m為側(cè)面等效注入率，其與真實注入 率λ的關(guān)系為：》= rtA = P -4 ^ ，a為漿脈寬度，Es、Eg、Gs、Gg、vdP V沒別為土體和漿 脈的彈性模量、剪切模量和泊松比
據(jù)應(yīng)力應(yīng)變條件可得注漿復(fù)合 土體的本構(gòu)關(guān)系：
[002
[0023] S33、對上述本構(gòu)關(guān)系
進行簡化處理，獲得等效彈性模量E和泊松比V:
[0025] 優(yōu)選的，當(dāng)Vs= V辦，彳 " ' <>
[V = V5=Vg
[0026] 優(yōu)選的，漿脈與漿泡的關(guān)系為：在漿脈寬度一定得情況下，漿泡直徑越大誤差越 大；在漿泡直徑一定的情況下，漿脈寬度越小誤差越大。
[0027] 優(yōu)選的，將所述漿泡直徑控制在0. 12m~0. 16m之間
[0028] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0029] 本發(fā)明所述技術(shù)方案優(yōu)點在于：
[0030] 1、本發(fā)明實現(xiàn)簡單，僅需通過理論計算，即可推導(dǎo)劈裂注漿脈的復(fù)合彈性參數(shù)，避 免了實踐中注漿脈的復(fù)雜試驗。
[0031] 2、本發(fā)明可以較為合理地應(yīng)用于各類巖土工程劈裂注漿領(lǐng)域及隧道開挖沉降等 問題的研究，主要包括止水、加固，糾偏、抬升等。本方法可以較為精確地預(yù)測劈裂注漿后復(fù) 合土體的等效彈性參數(shù)。
[0032] 2、本發(fā)明通過有限元法計算，驗證了理論推導(dǎo)解析解的可行性。并且分析了各注 入?yún)?shù)之間的變化關(guān)系，可以在實際應(yīng)用中，根據(jù)注入率在〇. 05~0. 18之間時，得出等效 彈性模量與注入率成線性遞增關(guān)系，泊松比與注入率呈近似線性遞減關(guān)系；而隨著漿脈模 量的增加，等效彈性模量呈J曲線增加，等效泊松比剛好相反；漿脈泊松比對等效彈性模量 影響可以忽略，但與等效泊松比成線性遞增關(guān)系。
【附圖說明】
[0033] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明；
[0034] 圖1示出本發(fā)明所述劈裂面的示意圖；
[0035] 圖2示出本發(fā)明所述劈裂模型的示意圖；
[0036] 圖3示出本發(fā)明所述漿脈等效模型的示意圖；
[0037] 圖4示出本發(fā)明所述基于面積等效的單元幾何模型的示意圖；
[0038] 圖5示出本發(fā)明所述單元幾何模型體均質(zhì)化后的示意圖；
[0039] 圖6示出本發(fā)明實施例中M。壓縮變形圖；
[0040] 圖7示出本發(fā)明實施例中M壓縮變形圖；
[0041] 圖8示出本發(fā)明所述彈性模量及泊松比計算方法的示意圖
[0042] 圖9示出本發(fā)明實施例中等效彈性模量與漿脈泊松比關(guān)系圖；
[0043] 圖10示出本發(fā)明實施例中等效彈性模量與注入率關(guān)系圖；
[0044] 圖11示出本發(fā)明實施例中等效彈性模量與土-漿彈性模量比（η)關(guān)系圖；
[0045] 圖12示出本發(fā)明實施例中等效泊松比與漿脈泊松比關(guān)系圖；
[0046] 圖13示出本發(fā)明實施例中等效泊松比與注入率關(guān)系圖；
[0047] 圖14示出本發(fā)明實施例中等效泊松比與土-漿彈性模量比（η)關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0048] 為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說 明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具 體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0049] 本發(fā)明公開了一種劈裂注漿復(fù)合土體等效彈性模量及泊松比計算方法，該方法首 先在已有研究的基礎(chǔ)上，按面積等效原則提出了隧道劈裂注漿后的二維簡化單元體模型， 并按變形協(xié)調(diào)原則推導(dǎo)了復(fù)合土體的等效彈性參數(shù)解析解。接著采用有限元方法，分別分 析不了不同漿泡大小和不同漿脈寬度對等效簡化單元體模型計算結(jié)果的影響，同時與解析 結(jié)果進行了比較。最后基于解析結(jié)果進行了參數(shù)影響分析。結(jié)果表明：按面積等效原則把 模型進行簡化后，計算精度能滿足工程要求，可按簡化模型進行理論分析；解析結(jié)果與有限 元結(jié)果吻合良好，可以進行工程預(yù)測；復(fù)合土體彈性參數(shù)主要受漿體