排水條件下土性參數對注漿孔擴張曲線的影響

晏云韜 陳丹丹 錢玉林

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225000)

排水條件下土性參數對注漿孔擴張曲線的影響

晏云韜 陳丹丹 錢玉林

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225000)

基于有限元軟件ABAQUS，建立考慮地應力的軸對稱模型，對排水條件下壓密注漿小孔擴張過程進行數值模擬，通過改變土體力學參數和注漿壓力，研究排水條件下不同土性參數對小孔擴張時壓力—擴張曲線的影響，為壓密注漿法在地基加固工程領域的應用提供借鑒。

土體，注漿壓力，彈性模量，位移場

壓密注漿是使用稠度極高的水泥漿或砂漿注入地基中，對注漿孔周圍土體產生擠壓形成球形或柱形漿泡，使土體孔隙減小，提高了密實性和力學性能的一種地基加固方法，見圖1。在壓密注漿過程中，柱形漿泡半徑的產生與發展受上覆蓋重、地應力、注漿壓力、工程地質等諸多因素影響。本文旨在通過在完全排水條件下均質土中壓密注漿數值模擬來形象的揭示地應力、注漿壓力、土體的力學指標對漿泡產生與發展的影響。

1 模型的建立與基本假設

1)本文計算模型的基本假設如下：a.土體為均質、各向同性體，土的本構關系采用Mohr-Coulomb模型，網格單元類型為CAX4；b.注漿壓力簡化為柔性荷載作用在注漿小孔側壁上，每段注漿長度為1 m；c.考慮土體初始地應力場的作用；d.不考慮注漿過程中土體固結。

2)計算模型尺寸與邊界條件。本文以一個注漿孔為研究對象，土體尺寸取為直徑為10 m、高10 m的圓柱體，注漿管直徑為25 mm，建立軸對稱模型。壓密注漿見圖1，模型底部固定，外側限制水平位移，具體見圖2。

2 地應力場對土體中位移場影響分析

本文此處采用的土體物理力學指標見表1。通過在不同深度處土體施加側向注漿壓力來反映地用力場對土體的影響。通過試算分析得到極限擴孔壓力、擴孔半徑等。不同注漿深度處土體的擴張曲線見圖3。相同注漿壓力(p=300 kPa)與土性參數、不同注漿深度對水平位移的影響見圖4，圖5。

表1 材料參數

材料c/kPaφ/(°)E/MPaμγ/kN·m-3eγwψ/(°)土體102510.00.318.50.87100

從圖3中可以看出，其他條件相同，當注漿深度增大時極限擴孔壓力增大，但極限擴孔半徑相近。從圖4，圖5中可以看出，相同注漿壓力條件下，隨著注漿深度的增加，土體的水平位移明顯減小。

3 彈性模量對土體中位移場影響分析

本文此處僅改變土的彈性模量：10 MPa，15 MPa，20 MPa，25 MPa。其余參數同表1；注漿深度h=7 m。彈性模量對注漿孔擴張曲線的影響見圖6。p=300 kPa時水平向位移數值模擬結果見圖7，圖8。

從圖6中可以看出，彈性模量對注漿孔極限擴孔壓力有一定的影響，但對極限擴孔半徑影響較小。從圖7，圖8中可以看出，相同注漿壓力條件下，土體的水平位移與塑性區半徑均減小。

4 土體凝聚力與內摩擦角對土體中位移場的影響分析

取h=7 m,E=10 MPa進行分析比較，其余參數同表1。取c=10 kPa，φ=20°，25°，30°，35°計算土體中位移場，其注漿孔擴張曲線見圖9，取φ=25°，c=10 kPa，15 kPa，20 kPa，25 kPa計算土體中位移場,其注漿孔擴張曲線見圖10，p=300 kPa時數值模擬結果見圖11～圖14。

1)p=300 kPa，c=10 kPa時土體中的位移場。

2)p=300 kPa，φ=25°時土體中的位移場。

從以上圖中可以看出，土體強度對柱孔擴張有很大影響，隨著土體強度增加，其擴張所需的極限擴張力隨之增加，但相應的極限擴孔半徑有減小趨勢。相同荷載條件下，隨著土體強度指標增大土體的水平位移和塑性區均減小。

5 土體剪脹角對土體中位移場的影響分析

取h=5 m，Es=10 MPa,c=10 kPa，φ=25°，本文此處僅改變土的剪脹角：ψ=0°，5°，10°，15°，20°進行分析比較。剪脹角對注漿孔擴張曲線的影響見圖15。p=300 kPa時土體的水平向位移場見圖16，圖17。從圖15中可以看出，當土的各項強度指標一定時，隨著土的剪脹角的增加，排水條件下柱孔擴張所需的極限擴張力隨著剪脹角的增加而增加，極限擴孔半徑也隨著剪脹角的增加而增加。從圖16，圖17可以看出，注漿壓力相同時，隨著剪脹角的增大，注漿孔擴孔半徑明顯減小。

6 結語

1)壓密注漿時隨著注漿壓力的增加,擴孔半徑不斷增大。擴孔初期,壓力—擴張曲線較為平緩，當注漿壓力接近極限值時，擴孔半徑迅速增加，實際上此時土體發生破壞，漿泡轉變為漿脈并不斷發展，壓密注漿轉變為劈裂注漿。2)地應力的大小對極限注漿壓力有較大影響，當地應力增大時，極限注漿壓力也增大，但對極限擴孔半徑影響很小，這說明雖然在均質土體中壓密注漿時不同深度所需采用的注漿壓力不同，但都可以達到相近的擴孔半徑。3)土體的彈性模量對壓密注漿壓力—擴張曲線的影響與地應力相似。彈性模量的大小對極限擴孔壓力有一定影響，對極限擴孔半徑影響很小。4)土體的強度增加時，極限擴孔壓力也增加，極限擴孔半徑有減小趨勢。5)土的剪脹角對極限擴孔壓力有非常顯著的影響，隨著剪脹角的增大，極限擴孔壓力顯著增長，極限擴孔半徑也明顯增加。這說明排水條件下土的強度和密實度對壓密注漿孔擴張的極限擴張力產生顯著的影響，在實際工程應用中或數值計算中如果忽略這種影響將會產生較大的誤差。

[1] 楊曉東.錨固與注漿技術手冊[M].北京：中國電力出版社,2010.

[2] 費 康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[3] 余海歲.巖土介質小孔擴張理論[M].周國慶，譯.北京：科學出版社,2013.

Abstract: Based on finite element software ABAQUS, establishing axial symmetry model by considering ground stress, the paper carries out numerical simulation for compaction grouting holes expanding process under drainage conditions. Through changing soil mechanical parameters and grouting pressure, it studies the impact of different soil property parameters upon small-hole grouting expansion curve under drainage conditions, which has provided some guidance for applying compaction grouting method in foundation reinforcement engineering field.

Key words: soil, casting pressure, elastic modulus, displacement field

Impact of soil property parameter upon grouting expansion curve under drainage conditions

Yan Yuntao Chen Dandan Qian Yulin

(CollegeofBuildingScience&Engineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225000,China)

2016-03-15

晏云韜(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2016)15-0059-02

TU411.3

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