在软弱地层中进行地下工程开挖以及穿越施工时,易引起较大的沉降变形,给工程施工带来极大风险。劈裂注浆法作为软弱地层加固的常用方法,可以有效提高土体的强度和抗渗性能,目前已广泛应用于预防和处置软弱地层相关灾害与风险。但由于劈裂注浆扩散过程的隐蔽性及研究方法的有限性,其扩散机理及加固理论研究远落后于蓬勃发展的工程实践,已经成为制约劈裂注浆向科学化和可控化发展的关键因素。本文综合采用室内试验、数值模拟和理论分析等手段对土体劈裂注浆扩散和加固机理进行了系统地研究。主要研究内容和成果如下:(1)基于自主设计的劈裂注浆试验装置,再现了有软弱界面地层劈裂注浆扩散过程和扩散规律,获得了粘土地层劈裂注浆裂缝动态扩展的步进方式、浆脉的空间分布形态,以及劈裂扩展速度和裂缝宽度随注浆压力的变化规律。试验结果表明,注浆压力对劈裂缝扩展速度、宽度和形态影响显著;劈裂注浆时裂缝是以“扩展-停滞-再扩展-再停滞…”的循序渐进的方式步进;在粘土中,劈裂缝尖端扩展前,前方土体先出现若干斜向微裂缝,再连通形成劈裂通道。(2)基于自主研发的采用有限元(FEM)和流体体积函数法(VOF)的数值计算程序,对均质地层和有软弱界面地层劈裂注浆进行了数值模拟。模拟结果与现场试验和室内试验结果均具有很好的一致性,证明了数值计算程序的适用性和准确性。采用该程序进一步分析了土体黏聚力、渗透系数、土体模量等因素对沿软弱界面单条劈裂缝扩展过程和空间形态的影响规律。研究表明,土体黏聚力是影响启裂压力的主要因素,土体模量是影响裂缝宽度的主要因素,渗透系数是影响扩散形式的主要因素;随着土体黏聚力增加、模量减小,裂缝尖端由长而尖的“楔形头”转变为短而钝的“钝头”。(3)采用FEM/VOF方法,对均质地层单孔劈裂注浆扩展过程和浆脉形态的影响因素进行模拟。研究了单孔劈裂注浆自劈裂产生、扩展直至浆脉形成的整个动态过程,深入分析了劈裂注浆各阶段应力场和位移场的变化过程,获得了注浆深度、土体模量、渗透系数和注浆压力等因素对浆脉几何形态的影响规律。研究结果表明,二次劈裂后斜向浆脉分支的产生和扩展使地层抬升量快速增加;浆脉在不同注浆深度、不同土体中的分布形态不同,但浆脉形态可以通过调整注浆压力大小和施加方式等方法来控制。(4)研究了双孔以及多孔劈裂注浆扩散过程和规律,获得注浆孔间距、注浆顺序及布孔方式对浆脉扩展的影响规律。分析了双孔同时劈裂注浆的扩散和抬升规律及孔间干扰机理,并对双孔分序和多孔同时劈裂注浆扩散规律进行研究。研究发现,双孔同时注浆时,孔间浆脉发生水平偏转,孔间距越小偏转角度越大;浆脉的偏转与水平应力和竖向应力差不断增大有关;双孔同时劈裂注浆抬升量大于各孔单独注浆抬升量之和,随着注浆孔间距增加,地层抬升曲线由“单峰”向“双峰”过渡;多孔同时劈裂注浆时,布孔中心位置是注浆薄弱点。研究结果补充了双孔及多孔注浆理论,对多孔同时劈裂注浆工程实践具有一定的参考意义。(5)基于单孔劈裂注浆模拟结果,建立了注浆复合体平面模型,用以分析劈裂注浆的加固机理并计算复合体压缩模量。将单孔劈裂注浆浆脉形态及注浆后土体和浆脉的模量参数导入计算模型中,再展开压缩试验模拟,获得注浆复合体压缩模量,进而分析浆脉骨架作用与挤密作用二者对注浆加固效果的影响权重。获得了不同注浆压力、不同深度、不同初始模量和浆脉结石体模量时的复合体压缩模量,并分析了复合体压缩模量与这些因素的关系。研究结果为工程设计中注浆方案选择以及注浆后土体的参数选择提供参考。(6)将研究成果应用于具体工程实践。基于劈裂注浆扩散规律和加固理论研究成果,提出以“扩散范围和扩散形态控制、加固效果控制及注浆压力控制”为宗旨的“多梯段注浆压力和速率控制”方法,并在北京新机场综合管廊穿越项目帷幕注浆工程中得到成功的应用。本文采用的劈裂注浆模拟方法能够客观真实的体现劈裂注浆整个过程,比传统有限元法和离散元法更贴切,在劈裂注浆数值模拟方法方面为国内外学者提供了新的思路。通过室内试验、数值模拟和理论分析等综合手段,获得了软弱地层劈裂注浆扩散和加固机理,丰富了劈裂注浆理论体系,为劈裂注浆的设计和施工提供了理论参考依据。