劈裂注浆复合土体等效弹性模量及泊松比计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工程建筑领域，特别是涉及一种劈裂注浆复合土体等效弹性模量及等 效泊松比的计算方法。该方法可用于可以运用劈裂注浆的工程行业，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。
【背景技术】
[0002] 劈裂注浆技术已广泛应用于各类隧道及岩土工程领域，目的主要包括止水、加固， 纠偏、抬升等。鉴于其在岩土工程中的重要性，国内外学者通过模型试验，数值模拟和理论 分析等方法对其进行了大量研究。但由于其过程既复杂又隐蔽，涉及岩土、流体、材料等多 学科，目前对其研究还远不够完善，尤其是注浆后复合土体的力学参数方面的定量研究极 为缺乏。
[0003] 注浆后复合土体的力学参数直接关系着注浆效果的分析和评判，关系着开挖过程 中隧道的自稳能力和对邻近建筑物的影响程度。由于注浆后复合土体取样困难，现场试验 条件有限等原因，目前很难取得可靠的试验资料。尽管如此，一些学者还是做出了有意义的 探索，如张友葩基于摩尔库伦屈服准则，推导了注浆后土体的屈服函数，所得成果具有一定 的可靠性。李宁和张文举提出以声波波速改变来预测注浆后的弹性模量和泊松比，并分别 以数值模拟和试验的方法对其进行了验证，所用方法具有一定的普遍性，然而，这种方法更 适合渗透注浆和水泥土搅拌加固等处理后相对均匀的情况，对于劈裂注浆波速均匀性差， 易受测点布设的位置和距离影响。钱宝源对劈裂注浆后压缩模量进行了理论探索，取得了 复合土体的压缩模量计算公式，但在分析时只针对浆脉，没有考虑浆泡。
[0004] 因此，需要一种基于浆泡分析的劈裂注浆复合土体等效弹性模量及泊松比计算方 法，以更加完善准确的对工程注浆进行分析。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种劈裂注浆复合土体等效弹性模量及等效泊 松比的计算方法，针对平面应变情况下的劈裂注浆复合土体弹性阶段平面模型进行计算 分析，所得到的计算结果可为隧道沉降计算等问题提供理论参考。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
[0007] 劈裂注浆复合土体等效弹性模量及泊松比计算方法，该方法的步骤包括
[0008] S1、基于劈裂注浆理论和对注浆浆泡的分析，建立隧道注浆复合土体强度的基本 单元几何模型；
[0009] S2、基于面积等效原则，对基本单元几何模型进行简化分析，获得简化基本单元几 何模型；
[0010] S3、按照变形一致原则对简化基本单元几何模型进行均质化处理，并结合注浆复 合土体的本构关系和注浆材料本构关系，在系数相等原则下，获得等效弹性模量E和泊松
1其中，m为侧面等效注入率，其与真实注 入率λ的关系为：/〃 = = (I - Vd)，a为浆脉宽度，Es、Eg、Gs、Gg、'和V及别为土体和 浆脉的弹性模量、剪切模量和泊松比
[0011] 优选的，该方法进一步包括
[0012] S4、利用有限元分析法对等效弹性模量和泊松比进行解析解验证，并获得注入率 分别与等效弹性模量和等效泊松比的关系；浆脉模量分别与等效弹性模量和等效泊松比； 浆脉泊松比分别与等效弹性模量和等效泊松比的关系，具体的，注入率在0. 05~0. 18之间 时，得出等效弹性模量与注入率成线性递增关系，泊松比与注入率呈近似线性递减关系；而 随着浆脉模量的增加，等效弹性模量呈J曲线增加，等效泊松比刚好相反；浆脉泊松比对等 效弹性模量影响可以忽略，但与等效泊松比成线性递增关系。
[0013] 优选的，所述步骤Sl包括
[0014] S11、根据土体密实程度，浆液稠度、注浆压力和浆液流速，对注浆浆泡的大小进行 分析；
[0015] S12、基于浆泡的分析，将软土注浆按平面应变情况处理，近似认为钻杆与地表面 平行，近似认为浆脉等宽；
[0016] S13、保持软土注浆时，初次劈裂面我竖直方向，二次劈裂面为水平方向，形成单孔 劈裂的平面模型，即隧道注浆复合土体强度的基本单元几何模型。
[0017] 优选的，所述单孔劈裂的平面模型为十字型。
[0018] 优选的，所述注浆压力控制在能使二次劈裂形成水平方向劈裂的二次劈裂压力范 围内。
[0019] 优选的，所述步骤S3包括
[0020] S31、按照变形一致原则对简化基本单元几何模型进行均质化处理，其注浆材料本 构关
_，E和V分别为弹性模量和泊松比，剪切模量G =E/2(l+v)；
[0021] S32、基于应力等效条件：
5口应变协调条件：
皂中，m为侧面等效注入率，其与真实注入 率λ的关系为：》= rtA = P -4 ^ ，a为浆脉宽度，Es、Eg、Gs、Gg、vdP V沒别为土体和浆 脉的弹性模量、剪切模量和泊松比
据应力应变条件可得注浆复合 土体的本构关系：
[002
[0023] S33、对上述本构关系
进行简化处理，获得等效弹性模量E和泊松比V:
[0025] 优选的，当Vs= V辦，彳 " ' <>
[V = V5=Vg
[0026] 优选的，浆脉与浆泡的关系为：在浆脉宽度一定得情况下，浆泡直径越大误差越 大；在浆泡直径一定的情况下，浆脉宽度越小误差越大。
[0027] 优选的，将所述浆泡直径控制在0. 12m~0. 16m之间
[0028] 本发明的有益效果如下：
[0029] 本发明所述技术方案优点在于：
[0030] 1、本发明实现简单，仅需通过理论计算，即可推导劈裂注浆脉的复合弹性参数，避 免了实践中注浆脉的复杂试验。
[0031] 2、本发明可以较为合理地应用于各类岩土工程劈裂注浆领域及隧道开挖沉降等 问题的研究，主要包括止水、加固，纠偏、抬升等。本方法可以较为精确地预测劈裂注浆后复 合土体的等效弹性参数。
[0032] 2、本发明通过有限元法计算，验证了理论推导解析解的可行性。并且分析了各注 入参数之间的变化关系，可以在实际应用中，根据注入率在〇. 05~0. 18之间时，得出等效 弹性模量与注入率成线性递增关系，泊松比与注入率呈近似线性递减关系；而随着浆脉模 量的增加，等效弹性模量呈J曲线增加，等效泊松比刚好相反；浆脉泊松比对等效弹性模量 影响可以忽略，但与等效泊松比成线性递增关系。
【附图说明】
[0033] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明；
[0034] 图1示出本发明所述劈裂面的示意图；
[0035] 图2示出本发明所述劈裂模型的示意图；
[0036] 图3示出本发明所述浆脉等效模型的示意图；
[0037] 图4示出本发明所述基于面积等效的单元几何模型的示意图；
[0038] 图5示出本发明所述单元几何模型体均质化后的示意图；
[0039] 图6示出本发明实施例中M。压缩变形图；
[0040] 图7示出本发明实施例中M压缩变形图；
[0041] 图8示出本发明所述弹性模量及泊松比计算方法的示意图
[0042] 图9示出本发明实施例中等效弹性模量与浆脉泊松比关系图；
[0043] 图10示出本发明实施例中等效弹性模量与注入率关系图；
[0044] 图11示出本发明实施例中等效弹性模量与土-浆弹性模量比（η)关系图；
[0045] 图12示出本发明实施例中等效泊松比与浆脉泊松比关系图；
[0046] 图13示出本发明实施例中等效泊松比与注入率关系图；
[0047] 图14示出本发明实施例中等效泊松比与土-浆弹性模量比（η)关系图。
【具体实施方式】
[0048] 为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说 明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具 体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0049] 本发明公开了一种劈裂注浆复合土体等效弹性模量及泊松比计算方法，该方法首 先在已有研究的基础上，按面积等效原则提出了隧道劈裂注浆后的二维简化单元体模型， 并按变形协调原则推导了复合土体的等效弹性参数解析解。接着采用有限元方法，分别分 析不了不同浆泡大小和不同浆脉宽度对等效简化单元体模型计算结果的影响，同时与解析 结果进行了比较。最后基于解析结果进行了参数影响分析。结果表明：按面积等效原则把 模型进行简化后，计算精度能满足工程要求，可按简化模型进行理论分析；解析结果与有限 元结果吻合良好，可以进行工程预测；复合土体弹性参数主要受浆体