砂礫石地基注漿加固效果影響因素有限元分析

倫冠貴

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥230000）

砂礫石地層在我國的分布非常廣泛，其顆粒間幾乎沒有任何聯結性，容易使建筑物發生透水、管涌甚至垮塌等對工程不利的問題。如果砂礫石地基不能滿足設計要求，應采取適當的地基加固處理措施，以確保建筑物地基的穩定。

注漿加固地基是近年來水利樞紐工程建設中砂礫石地基加固處理的一種常用方法，它通過向地層中注入漿液，使土粒膠結，改變土的性質，用以提高承載力、減少沉降、增加穩定性，從而提高地基土的使用功能。

但是，由于影響注漿加固區強度的因素很多，注漿參數的選取也有很多不確定性。

因而，對于建在砂礫石地基上的水工建筑物而言，能夠對地基加固效果的影響因素進行理論分析，對以后類似的工程具有現實性的指導意義。

本文將利用有限元分析軟件ANSYS 對影響砂礫石地基注漿加固效果的注漿深度、面積置換率、加固區彈性模量等主要因素進行數值模擬分析，討論不同因素對加固效果的不同影響，對工程實踐作一個參考。

1 有限元計算模型的建立

本文將以2×2 注漿孔的復合地基作為典型模型進行有限元分析，并在對分析結果不造成大的影響的前提下，在建立模型過程中忽略一些次要的影響因素，對計算模型作以下假定及簡化：

1.1 假定漿液呈圓柱形擴散，把漿液及其擴散區所形成的注漿加固區作為整體考慮，近似地認為圓柱形注漿樁，并按照等面積替換的原則將圓形截面以正方形代替，替換后的三維分析模型見圖1。

1.2 假定注漿加固區與砂礫石層界面無相對滑動，即不設置界面接觸單元。

1.3 注漿體凝固后剛度較大，故按線彈性材料計算，符合廣義虎克定律；砂礫石層按彈塑性材料計算，模型采用D-P 準則分析計算。

1.4 計算邊界的底部取至注漿加固區底1.5 倍處，水平方向取至基礎邊緣3 倍處。利用模型的對稱性，實際模擬計算時計算區域取模型的1/4。

1.5 側向邊界采用水平約束，底部邊界采用豎向約束，上邊界為自由邊界。

2 有限元模型網格劃分

三維實體模型建好以后對其單元屬性及網格參數進行設置，并生成有限元網格，計算區域取模型的1/4，模型單元采用SOLID45，劃分好的有限元網格模型如圖2 所示，計算中各材料的屬性參數見表1。

圖1 三維模型計算簡圖

圖2 1/4 三維模型網格劃分圖

表1 計算材料參數表

3 加固效果影響因素分析

在本文分析中，除注漿深度因素分析外，注漿深度取10m；除注漿體彈性模量的因素分析外，注漿體彈性模量取1000MPa，除面積置換率的因素分析外，置換率為11.1%。

3.1 注漿深度對加固效果的影響

本文通過取注漿深度分別為4m，6m，8m，10m，12m，14m，16m時的計算結果來分析了注漿加固地基的承載性狀隨注漿深度的不同而產生的變化。圖3 為地基沉降量隨注漿深度變化的曲線圖。

圖3 地基沉降量隨注漿深度變化曲線圖

從圖中可以看出：

（1）隨著注漿深度的增加，地基的沉降量不斷減小。這是因為隨著注漿深度的增加，注漿加固區的側阻力逐漸得到發揮，加固區間土中就會有更多的荷載通過側阻力轉移到注漿加固區，由此使加固地基的承載力得到增加，沉降量減小。這說明通過增加注漿深度來提高地基承載力、減小地基沉降量是一種有效的方法。（2）注漿深度較小時，沉降量減小的幅度比較大，但當注漿深度超過一定范圍后，沉降量減小的趨勢有所減緩，減小的效果不如注漿較淺時顯著。這說明注漿加固地基時不能單純依靠增加注漿深度的方法來提高地基的承載力，這里面還存在著一個臨界深度的問題。當注漿深度達到臨界值后，再通過增加注漿深度來提高地基承載力、減小沉降就顯得工程量大而且不經濟。通過分析可知，砂礫石地基中，臨界注漿深度一般在10m 左右。因此，注漿深度不宜過小，也不宜過大，應以達到最優注漿深度為宜。

3.2 面積置換率對加固效果的影響

本文通過改變注漿孔間距的方法來改變注漿加固地基的面積置換率，從而分析面積置換率的不同對注漿加固地基所造成的不同影響。本文選取的面積置換率分別為5.8%、11.1%、22.3%、34.9%、50.2%。圖4 為注漿加固地基沉降量隨不同面積置換率變化的曲線圖。

圖4 地基沉降量隨面積置換率變化曲線圖

從圖中可以看出：

（1）隨著面積置換率的增加，地基的沉降量不斷減小。這是因為面積置換率越大，注漿加固區承擔的荷載也相應增大，使加固區間土承擔的荷載變小，因此地基沉降量減小。（2）荷載水平越高，相同置換率下地基沉降量越大。在置換率較低時，隨著置換率的增加，沉降減小的效果較為顯著；置換率較高時，隨著置換率的進一步增大，曲線變得較為平緩，說明沉降減小效果不再顯著。這是因為當置換率過大時，由于加固區的距離太近，反而不利于發揮加固區間土的承載潛力，從而加固堤基的承載力得不到有效的提高，因此沉降量減小不再明顯。通過分析可知，砂礫石地基中，臨界面積置換率一般在35%左右。因此，注漿孔的間距應以達到最優置換率為宜。

3.3 注漿加固區彈性模量對加固效果的影響

注漿漿液的材料、配比不同，會造成加固地基后加固區的彈性模量也不同。本文通過取地基注漿加固后加固區彈性模量分別 為 300MPa、500MPa、800MPa、1000MPa、1500MPa、2000MPa、3000MPa 時的計算結果來分析注漿加固效果隨注漿體彈性模量變化的影響。圖5 為注漿加固地基沉降量隨注漿加固區彈性模量變化的曲線圖。

圖5 地基沉降量隨注漿加固區彈性模量變化曲線圖從圖中可以看出：

（1）隨著注漿加固區彈性模量大增大，加固地基的沉降變小。注漿加固區的彈性模量越大，沉降越小；加固區的彈性模量越小，沉降越大。這是因為加固區的彈性模量越大，其分擔的荷載也越大，使加固區間土分擔的荷載變小，承載力相對降低，因此沉降隨之降低。（2）施加荷載越大，沉降隨彈性模量變化的曲線越陡。這說明在荷載水平較高的情況下，通過增加加固區的彈性模量能有效的減小地基的沉降；在荷載水平較低的情況下，增加加固區的彈性模量并沒有起到很好的加固效果。（3）當加固區的彈性模量小于1000MPa 時，加固地基沉降量隨加固區彈性模量的增大而減小且減小的幅度較大，變化曲線比較陡；隨著加固區彈性模量的繼續增大，加固地基沉降量減小的幅度大大變小，變化曲線開始變得比較平緩，沉降減小效果不再顯著。因此，在對地層進行注漿加固之前，應盡可能地對加固地層進行模擬試驗，以測得加固后最優的彈性模量，達到既減小工程成本又得到最好的加固效果的目的。

4 結論

通過分析可以看出，建立三維有限元模型計算可以較好的對影響注漿加固地基效果的主要影響因素進行分析，增加注漿深度、增加面積置換率以及加大注漿加固區的彈性模量都能夠使加固效果變得良好，但這里面也都有一個度的問題，超過了一定的限度，則不但不能夠對加固效果起更加顯著的作用，反而對工程的成本控制不利。因而，在工程設計中，應主要控制這個三個影響因素，掌握最優的注漿深度、彈性模量、面積置換率，這樣才既能起到最好的加固效果，又能節省工程投資，節約經濟成本。