CN112131804B - 一种劈裂-挤压注浆过程模拟的dem分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种劈裂‑挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，属于隧道劈裂注浆加固技术领域，隧道加固区砾石土试样的宏观力学参数和细观力学参数；建立劈裂注浆加固模型；将粘度‑时间变化函数和流速‑粘度变化函数嵌入“管道‑域”流固耦合模型中，在裂缝内进行浆液颗粒填充，在浆液颗粒之间以及浆液颗粒与裂缝颗粒重新粘结；通过函数拟合得到各细观接触参数随时间的函数变化关系；将细观接触参数随时间的函数变化关系嵌入到重新粘结的劈裂注浆加固模型中，得到颗粒间粘结强度随时间和扩散半径的变化关系。本发明综合考虑了浆液时变性和注浆结束后加固体强度随时间和注浆半径变化规律，真实反映整个注浆加固过程中岩土体的力学特性变化及强度改良效果。

Description

一种劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法

技术领域

本发明涉及隧道劈裂注浆加固技术领域，具体涉及一种可体现浆液固结时变性和空间性的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法。

背景技术

在大埋深、强岩溶地区的隧道施工过程中，极易诱发突水突泥以及围岩大变形等地质灾害。为保障施工的安全性，需及时对隧道围岩及掌子面进行深孔劈裂注浆加固，从而确保施工过程中围岩的稳定性。

随着注浆技术的广泛应用，注浆成本和注浆效果的最优性成为现在亟需解决的难题。注浆过程中，注浆量过大易导致围岩强度过高，隧道开挖困难，且增加了成本；注浆量过低，则围岩强度不足，易导致大变形甚至垮塌等严重灾害；此外，现场注浆加固对于浆液的运移扩散路径及加固时间难以把控，导致加固效果不好。

考虑到现场劈裂注浆加固的难以实施性和不可重复性，采用数值模拟方法模拟注浆加固机理可很好地解决上述问题。目前，开展了基于离散元软件PFC的一系列注浆过程模拟，研究了注浆压力、注浆孔径、浆液粘度等因素对注浆有效半径及浆液运移规律的影响，但其仅考虑了注浆劈裂土体后浆液的扩展规律，并未考虑注浆后岩土体强度随时间推移和扩散半径增加而逐渐增大的变化特性，对于加固前后岩土体的力学性能改良没有详细的分析；此外，PFC内置的“管道-域”模型假定流体是不存在的，而注浆加固后浆液与岩土体发生固结反应，因此，“管道-域”模型难以模拟注浆完毕后的浆液固结强化过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可计算劈裂注浆后浆液的扩散路径，定量分析加固后岩土体强度的改良程度的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供的一种劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，包括如下流程步骤：

步骤S110：获取隧道加固区砾石土试样的宏观力学参数和细观力学参数；

步骤S120：根据宏观力学参数和细观力学参数，建立劈裂注浆加固模型；

步骤S130：将粘度-时间变化函数和流速-粘度变化函数嵌入“管道-域”流固耦合模型中，得到改进的“管道-域”流固耦合模型；

步骤S140：基于改进的“管道-域”流固耦合模型对劈裂注浆加固模型进行劈裂注浆模拟，计算浆液的扩散半径；

步骤S150：遍历劈裂注浆加固模型中形成的宏观裂缝，在裂缝内进行浆液颗粒填充，在浆液颗粒之间以及浆液颗粒与裂缝两侧颗粒重新赋予粘结；

步骤S160：根据不同固结时间下砾石土的宏观力学参数，结合宏细观参数标定得到不同固结时间下颗粒间的细观接触参数，通过函数拟合得到各细观接触参数随时间的函数变化关系；

步骤S170：将细观接触参数随时间的函数变化关系嵌入到重新粘结的劈裂注浆加固模型中，得到颗粒间粘结强度随时间和扩散半径的变化关系。

优选的，所述步骤S110具体包括：

对隧道加固区进行钻孔取芯，得到松散砾石土原样，开展点荷载试验、直剪试验和劈裂试验，测得砾石土的基础力学参数；

对砾石土进行捣碎筛分，测得不同粒径颗粒所占比重，确定砾石土的颗粒级配；

基于颗粒级配建立标准试样模型，进行单轴压缩、直剪试验和巴西劈裂模拟，获取宏观力学参数；其中，颗粒之间粘结模型采用平缝节理模型FJM；

基于宏观力学参数对标准试样模型进行宏细观参数标定，得到一组表征砾石土力学性质的细观力学参数。

优选的，所述宏观力学参数包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角；所述细观力学参数包括变形模量、刚度比、法向粘结强度、切向粘结强度、内摩擦角和摩擦系数。

优选的，所述步骤S120具体包括：

根据颗粒级配，建立以水平矩形面为注浆压裂平面、以墙体单元作为固定边界的劈裂注浆加固模型，在劈裂注浆加固模型中部预留注浆孔。

优选的，所述步骤S130中，基于浆液时变曲线赋予每个时间间隔不同的浆液粘度，求得浆液的运移速度；当浆液粘度达到峰值时浆液运移速度为0，表征浆液扩散结束；当改进的“管道-域”流固耦合模型“域”内浆液压力未断裂颗粒之间的粘结键，则浆液扩散结束。

优选的，所述步骤S140具体包括：以恒定灌注压力向注浆孔中注浆，直至劈裂注浆加固模型发生劈裂破坏，浆液沿裂纹扩展路径向四周扩展；基于各时间间隔内浆液的运移速度确定各时间间隔内的扩散长度并进行累计求和，即可得到浆液的扩散半径。

优选的，浆液流体在劈裂注浆加固模型中的流动满足立方定律，“管道-域”流固耦合模型内浆液流体层流速率为：

其中，a表示注浆孔孔径；l表示“管道-域”流固耦合模型的“管道”长度，为“管道”两侧的颗粒半径之和；p₂-p₁表示两个相邻“域”之间的压力差；μ表示浆液流体的粘度。

优选的，流体粘度μ修正为与时间相关的指数函数形式为：

其中，k、m、b为常量，通过对浆液进行不同时间段的粘度试验测试，并对粘度曲线进行指数型函数拟合得到；t表示真实物理时间，在模拟过程中可转化为时间步长与运行时间步的乘积，t₀表示粘度μ达到峰值时对应的时间，μ_max表示粘度最大值。

优选的，假定固定时间间隔Δt内浆液粘度保持不变，通过积分可得时间间隔Δt内浆液平均粘度为：

其中，i属于自然数，将公式(2)得到的平均粘度带入公式(1)，即可得到该平均粘度下的浆液的流速。

优选的，步骤S170中，在细观接触参数与时间的函数变化关系中将时间间隔以常量的方式嵌入，表征扩散半径对浆液固结的影响。

本发明有益效果：在离散元模拟劈裂注浆的基础上，进一步改善流-固耦合算法，综合考虑了注浆后岩土体强度随时间推移和扩散半径增加而逐渐变化的特性，从而能够准确模拟劈裂注浆的加固过程，实现可考虑浆液固结的时变性和空间性的劈裂注浆模拟；不仅可计算劈裂注浆后浆液的扩散路径，还可定量分析加固后岩土体强度的改良程度，从而可以从细观上分析注浆加固机理，为现场注浆施工提供了一定的理论指导。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法流程图。

图2为本发明实施例所述的劈裂注浆加固模型结构示意图。

图3为本发明实施例所述的各时间段浆液粘度的近似求解原理示意图。

图4为本发明实施例所述的浆液扩散半径的求解原理示意图。

图5为本发明实施例所述的劈裂注浆浆液扩展结果及浆液固结过程模拟原理示意图。

图6为图5中A处结构放大图。

图7为本发明实施例所述的浆液颗粒之间粘结参数随时间的函数变化关系示意图。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

为进一步完善劈裂注浆离散元数值模拟目前存在缺陷，使注浆模拟能够更真实的反映真实注浆加固效果，本发明实施例1提供的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，考虑了注浆压裂到浆液与松散砾石土固结的全过程模拟，运用该方法可真实的反映注浆加固后砾石土的强度变化特性，从而可以准确模拟浆液与松散砾石土间的胶结特性及注浆加固体的力学特性。

在本发明实施例1中，劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法具体包括如下步骤：

步骤S110：获取隧道加固区砾石土试样的基础力学参数以及颗粒级配，根据基础力学参数以及颗粒级配获取砾石土试样的宏观力学参数，基于宏观力学参数进行参数标定，获取砾石土试样的细观力学参数；

步骤S120：根据宏观力学参数和细观力学参数，建立劈裂注浆加固模型。

步骤S130：将粘度-时间变化函数和流速-粘度变化函数嵌入离散元软件PFC内置的“管道-域”流固耦合模型中，得到考虑浆液时变特性和空间特性的改进“管道-域”流固耦合模型；

步骤S140：基于改进“管道-域”流固耦合模型对劈裂注浆加固模型进行劈裂注浆模拟，计算浆液的扩散半径。

步骤S150：遍历劈裂注浆加固模型中形成的宏观裂缝，在裂缝内进行浆液颗粒填充，在浆液颗粒之间以及浆液颗粒与裂缝两侧颗粒重新赋予粘结；

步骤S160：通过不同注浆加固时间下砾石土试样的强度测试，得到不同固结时间下砾石土的宏观力学参数，通过宏细观参数标定得到不同固结时间下劈裂注浆加固模型宏观裂缝中颗粒间的细观接触参数，通过函数拟合得到各细观接触参数随时间的函数变化关系；

步骤S170：将细观接触参数随时间的函数变化关系嵌入到重新粘结的劈裂注浆加固模型中，得到颗粒间粘结强度随时间和扩散半径的变化关系。

步骤S110中，通过对隧道加固段进行钻孔取芯，得到松散砾石土原样，将该土样加工成标准试块，开展点荷载试验、直剪试验和劈裂试验，测得该砾石土的宏观力学参数；对该砾石土进行捣碎筛分，测得不同粒径颗粒所占比重，最终确定该砾石土的颗粒级配；基于筛分得到的颗粒级配曲线建立标准试样模型开展单轴压缩、直剪试验和巴西劈裂模拟，颗粒之间粘结模型采用平缝节理模型(FJM)。基于试验得到的宏观参数对模型细观参数进行标定，得到一组可表征该砾石土力学性质的细观力学参数。

步骤S120中，考虑到劈裂注浆主要是浆液将砾石土中大颗粒之间的胶结物进行压裂并充填加固的过程，细小颗粒对劈裂注浆裂缝扩展影响甚微，因此，在数值建模过程中仅考虑粒径较大的颗粒级配，建立一个水平矩形面作为注浆压裂平面，在模型中部预留注浆孔，模型四周用墙体单元作为固定边界，通过控制墙体运动来给模型施加水平与垂直主应力，进而模拟现场围岩的地应力状态。

步骤S130中，为实现浆液与颗粒之间的双向耦合，本专利采用PFC内置的“管道-域”模型进行流-固耦合建模。现有“管道-域”模型假定流体粘度恒定，且流体在“管道”中运移速度不变，而浆液粘度具有时变性，因此，为准确模拟浆液的运移过程，需要对现有模型进行改进。

首先给定一个小的固定时间间隔，基于浆液时变曲线赋予每个时间间隔不同的浆液粘度，进而求得浆液的运移速度。由于浆液运移速度逐渐变慢且模型“域”中的压力逐渐减小，设定两个判定条件：当浆液粘度达到峰值时浆液运移速度为0，表征浆液扩散结束；当模型“域”内浆液压力不足以断裂颗粒之间的粘结键，则浆液扩散结束。

步骤S140中，基于步骤S130中改进的“管道-域”模型进行劈裂注浆模拟，以恒定灌注压力向注浆孔中注浆，直至岩土体模型发生劈裂破坏，浆液沿裂纹扩展路径向模型四周扩展。基于各时间间隔内浆液的运移速度确定各间隔内的扩散长度并进行累计求和，即可得到浆液的扩散半径。

步骤S150中，步骤5：浆液在颗粒间劈裂后会产生宏观裂缝，为实现注浆完毕后浆液的固结过程，通过遍历劈裂注浆形成的宏观裂缝，在裂缝内充填浆液颗粒并与模型颗粒进行胶结。

步骤S160中，为确定注浆加固后颗粒之间粘结强度随时间的变化规律，首先开展注浆加固室内试验，得到不同注浆加固时间下试样的宏观力学参数；然后通过宏细观参数标定得到不同注浆时间下模型的细观接触参数，进而通过函数拟合得到各细观参数与时间的函数关系。

步骤S170中，将步骤S160得到的细观参数随时间的函数关系嵌入到PFC粘结接触模型中。考虑到不同浆液扩散距离所产生的时间效应，基于步骤S140设置的不同时间间隔，分别对该间隔内浆液颗粒粘结参数赋予该套函数关系，进而可以考虑注浆加固体颗粒间粘结强度随时间和扩散半径的变化关系。

在实施例1中，步骤S110中得到砂砾土的宏观力学参数主要包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角；进行宏细观参数标定时主要标定的细观参量为变形模量、刚度比、法向粘结强度、切向粘结强度、内摩擦角和摩擦系数。

步骤S120中,模型采用的粘结参数由步骤S110得到，模型尺寸选取实际注浆尺寸的一部分，注浆孔大小选取实际注浆孔尺寸。

步骤S130中，流体在平行板中的流动满足立方定律，管道内体积层流速率可定义为：

其中，a表示注浆孔孔径；l表示“管道-域”流固耦合模型的“管道”长度，为“管道”两侧的颗粒半径之和；p₂-p₁表示两个相邻“域”之间的压力差；μ表示浆液流体的粘度。

为考虑注浆过程中流体粘度的时变性，本专利将公式(1)中的流体粘度μ修正为与时间相关的指数函数形式，如公式(2)所示：

其中，k、m、b为常量，通过对浆液进行不同时间段的粘度试验测试，并对粘度曲线进行指数型函数拟合得到；t表示真实物理时间，在模拟过程中可转化为时间步长与运行时间步的乘积，t₀表示粘度μ达到峰值时对应的时间，μ_max表示粘度最大值。

在步骤S170中，考虑到不同浆液扩散距离所产生的时间效应，应在细观参数与时间的函数关系中进一步将时间间隔Δt以常量的方式嵌入，从而表征扩散半径对浆液固结的影响。

实施例2

本发明实施例2提供了一种劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，该方法考虑了浆液固结时变性和空间性，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：针对现场注浆加固区进行钻孔取芯并开展常规力学试验，测得其力学参数以及颗粒级配，基于PFC开展宏细观参数标定工作，确定可用于模拟该砾石土材料的细观参数。

步骤2：基于步骤1得到的颗粒级配及粘结参数建立劈裂注浆加固模型。

步骤3：对PFC内置的“管道-域”流固耦合模型进行改进，将浆液粘度随时间的变化函数及浆液流速随粘度的变化函数嵌入模型，进而考虑浆液的时变特性和空间特性。

步骤4：基于改进的“管道-域”模型进行劈裂注浆模拟，分别计算每个时间间隔内浆液的扩散长度并进行累加求和，最终得到浆液的扩散半径。

步骤5：考虑浆液的充填固结效果，遍历劈裂注浆形成的宏观裂缝，并在裂缝内生成浆液颗粒进行填充，在浆液颗粒之间以及浆液颗粒与裂缝两侧颗粒重新赋予粘结。

步骤6：开展不同注浆加固时间下砾石土试样的强度测试，得到不同固结时间下砾石土的力学参数，然后通过宏细观参数标定分别得到不同固结时间下颗粒间细观接触参数，进而通过函数拟合得到各细观参数随时间的函数变化关系。

步骤7：将步骤6得到的细观参数随时间的函数关系嵌入到PFC粘结接触模型中，并将该套粘结参数应用在浆液颗粒之间。

实施例2中，劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法在具体应用中，

(1)宏细观参数标定

通过对现场待加固区的松散砾石土进行钻孔取样，将其制成标准试件开展点荷载试验、直剪试验和劈裂试验，测得岩土材料的基础力学参数(抗压强度σ_c、抗拉强度σ_t、弹性模量E_t、粘聚力c和内摩擦角

)；通过筛分装置对样品进行捣碎筛分，得到其级配曲线；基于PFC建立标准试样模型，颗粒之间采用平缝节理模型，开展单轴压缩、巴西劈裂及直剪试验模拟，对模型细观参数进行标定(变形模量E、刚度比k、法向粘结强度fj-ten、切向粘结强度fj-coh、内摩擦角fj-fa和摩擦系数fj-fric)。在标定过程中采用控制单一变量的方法，对细观参数逐个进行标定，基于材料的宏观强度和变形破坏特征，最终标定出一组可表征该砾石土力学性质的物理力学参数。

(2)注浆模型的建立及地应力施加

如图2所示，考虑到劈裂注浆主要是浆液将砾石土中大颗粒之间的胶结物进行压裂并充填加固的过程，细小颗粒对劈裂注浆裂缝扩展影响甚微，因此，基于(1)中得到的粗颗粒的颗粒级配和细观粘结参数，建立一个矩形注浆加固平面，在模型中部预留注浆孔。为真实反映围岩所处的地应力状态，模型四周用墙体单元作为固定边界，并赋予墙体速度给模型施加水平与垂直地应力。

(3)浆液与颗粒耦合及浆液时变性实现

为实现浆液与颗粒之间的双向耦合，本专利采用PFC内置的“管道-域”模型进行流-固耦合建模。采用的“管道-域”模型指所建模型中存在许多由封闭的粒子链构成的空隙区域，该区域可作为实现储水功能的“水库”，该“水库”可用来存储并传递水压力，被称为流体“域”，假定流体的渗流路径由颗粒接触的地方相切于两个颗粒之间的平行板通道组成，该通道称为“管道”。在耦合计算过程中，“域”中的水压力是随时间步不断更新变换的，每一计算时步压力都会更新并且作为体力作用于周围颗粒上。

流体在平行板中的流动满足立方定律，管道内体积层流速率可定义为：

其中，a表示注浆孔孔径；l表示“管道-域”流固耦合模型的“管道”长度，为“管道”两侧的颗粒半径之和；p₂-p₁表示两个相邻“域”之间的压力差；μ表示浆液流体的粘度。

现有研究表明，注浆过程中，浆液粘度随时间推移成指数增大，而浆液运移速度随浆液粘度的增大而成非线性减小趋势，如公式(3)所示，因此，如图3所示，为准确模拟浆液的运移过程，首先给定一个小的固定时间间隔Δt，假定该时间段内浆液粘度保持不变，则通过积分可知该时间间隔内浆液平均粘度为：

其中，i属于自然数，i＝1,2,3,...。将公式(4)得到的平均粘度带入公式(3)，即可得到该粘度下浆液的流速v_i。由于浆液运移速度逐渐变慢且模型“域”中的压力逐渐减小，设定两个判定条件：当浆液粘度达到峰值时浆液运移速度为0，表征浆液扩散结束；当模型“域”内浆液压力不足以断裂颗粒之间的粘结键，则浆液扩散结束。

(4)劈裂注浆过程模拟及扩散半径求解

基于(3)中改进的“管道-域”模型进行劈裂注浆模拟，以恒定灌注压力向注浆孔中注浆，直至岩土体模型发生劈裂破坏，浆液沿裂纹扩展路径向模型四周扩展。基于(3)中各时间间隔内浆液的运移速度v_i求出各间隔内的浆液扩散长度并进行累计求和，即可得到浆液的扩散半径：

(5)浆液固结过程模拟的实现

将步骤6得到的细观参数随时间的函数关系嵌入到PFC粘结接触模型中。考虑到不同浆液扩散距离所产生的时间效应，基于步骤4设置的不同时间间隔，分别对该间隔内浆液颗粒粘结参数赋予该套函数关系，进而可以考虑注浆加固体颗粒间粘结强度随时间和扩散半径的变化关系。

如图5、6所示，为实现注浆完毕后浆液的固结过程模拟，通过遍历劈裂注浆形成的宏观裂缝，在裂缝间生成细小颗粒代表浆液，并在浆液颗粒之间以及浆液颗粒与裂缝两侧颗粒重新赋予粘结。

为确定注浆加固后颗粒之间粘结强度随时间的变化规律，首先开展注浆加固室内试验，并通过对不同注浆加固时间下的试样进行基础力学试验，分别得到不同固结时间下的宏观力学参数；然后通过宏细观参数标定得到不同注浆时间下模型的细观接触参数，进而通过函数拟合得到各细观参数与时间的函数关系。考虑到浆液扩散距离所产生的时间效应，分别对各时间间隔内的浆液颗粒粘结进行赋值，如图7所示，最终各细观粘结参数随时间的函数关系如下：

其中，A₁至A₆、C₁至C₆分别表示函数拟合后的常量系数。

通过迭代计算，最终完成浆液固结过程的模拟。

综上所述，本发明实施例所述的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，基于现有的离散元模型，在模拟岩土体劈裂注浆时综合考虑了注浆过程中的浆液时变性和注浆结束后加固体强度随时间和注浆半径变化规律，可以更真实的反映整个注浆加固过程中岩土体的力学特性变化及强度改良效果。

以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，其特征在于，包括如下流程步骤：

步骤S110：获取隧道加固区砾石土试样的宏观力学参数和细观力学参数；

步骤S120：根据宏观力学参数和细观力学参数，建立劈裂注浆加固模型；

步骤S130：将粘度-时间变化函数和流速-粘度变化函数嵌入“管道-域”流固耦合模型中，得到改进的“管道-域”流固耦合模型；

其中，流体粘度

修正为与时间相关的指数函数形式为：

其中，k、m、b为常量，通过对浆液进行不同时间段的粘度试验测试，并对粘度曲线进行指数型函数拟合得到；t表示真实物理时间，在模拟过程中可转化为时间步长与运行时间步的乘积，t₀表示粘度

达到峰值时对应的时间，

表示粘度最大值；

浆液流体在劈裂注浆加固模型中的流动满足立方定律，“管道-域”流固耦合模型内浆液流体层流速为：

其中，

表示注浆孔孔径；

表示“管道-域”流固耦合模型的“管道”长度，为“管道”两侧的颗粒半径之和；

表示两个相邻“域”之间的压力差；

表示浆液流体的粘度；

步骤S140：基于改进的“管道-域”流固耦合模型对劈裂注浆加固模型进行劈裂注浆模拟，计算浆液的扩散半径；

步骤S150：遍历劈裂注浆加固模型中形成的宏观裂缝，在裂缝内进行浆液颗粒填充，在浆液颗粒之间以及浆液颗粒与裂缝两侧颗粒重新赋予粘结；

步骤S160：根据不同固结时间下砾石土的宏观力学参数，结合宏观力学参数和细观力学参数标定得到不同固结时间下颗粒间的细观接触参数，通过函数拟合得到各细观接触参数随时间的函数变化关系；

步骤S170：将细观接触参数随时间的函数变化关系嵌入到重新粘结的劈裂注浆加固模型中，得到颗粒间粘结强度随时间和扩散半径的变化关系；

假定固定时间间隔

内浆液粘度保持不变，基于公式（1）的函数关系，通过积分得到时间间隔

内浆液平均粘度为：

其中，i属于自然数，将公式（3）得到的平均粘度

替换公式（2）中的

，即得到该平均粘度下的浆液的流速；

基于各时间间隔内浆液的流速

求出各间隔内的浆液扩散长度并进行累计求和，即可得到浆液的扩散半径：

考虑到不同浆液扩散距离所产生的时间效应，基于设置的不同时间间隔，分别对该间隔内浆液颗粒粘结参数赋予公式（4）的函数关系，进而得到颗粒间粘结强度随时间和扩散半径的变化关系。

2.根据权利要求1所述的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，其特征在于，所述步骤S110具体包括：

对隧道加固区进行钻孔取芯，得到松散砾石土原样，开展点荷载试验、直剪试验和劈裂试验，测得砾石土的基础力学参数；

对砾石土进行捣碎筛分，测得不同粒径颗粒所占比重，确定砾石土的颗粒级配；

基于颗粒级配建立标准试样模型，进行单轴压缩、直剪试验和巴西劈裂模拟，获取宏观力学参数；其中，颗粒之间粘结模型采用平缝节理模型FJM；

基于宏观力学参数对标准试样模型进行宏细观参数标定，得到一组表征砾石土力学性质的细观力学参数。

3.根据权利要求2所述的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，其特征在于：所述宏观力学参数包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角；所述细观力学参数包括变形模量、刚度比、法向粘结强度、切向粘结强度、内摩擦角和摩擦系数。

4.根据权利要求2所述的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，其特征在于，所述步骤S120具体包括：

根据颗粒级配，建立以水平矩形面为注浆压裂平面、以墙体单元作为固定边界的劈裂注浆加固模型，在劈裂注浆加固模型中部预留注浆孔。

5.根据权利要求4所述的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，其特征在于，所述步骤S130中，基于浆液时变曲线赋予每个时间间隔不同的浆液粘度，求得浆液的运移速度；当浆液粘度达到峰值时浆液运移速度为0，表征浆液扩散结束；当改进的“管道-域”流固耦合模型“域”内浆液压力未断裂颗粒之间的粘结键时，则浆液扩散结束。

6.根据权利要求5所述的劈裂-挤压注浆过程模拟的DEM分析方法，其特征在于，所述步骤S140具体包括：以恒定灌注压力向注浆孔中注浆，直至劈裂注浆加固模型发生劈裂破坏，浆液沿裂纹扩展路径向四周扩展；基于各时间间隔内浆液的运移速度确定各时间间隔内的扩散长度并进行累计求和，即可得到浆液的扩散半径。

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