高壓旋噴樁施工引起土體變形數值模擬研究

張 帥 張建經 劉夢冉

(西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500)

0 引言

我國在沿海區域分布廣泛的深厚軟土層，隨著中國基礎建設的推進，軟土地區上層建筑在建設之前常采用高壓旋噴樁對地基進行處理，在高壓旋噴樁施工過程中由于高壓泥漿在短時間內灌入土體中，將引起土體發生變形，所以在建筑物周邊進行高壓旋噴樁施工時需要優先考慮高壓旋噴樁施工過程對土體側向位移的影響。

目前關于高壓旋噴樁施工所引起土體側向位移的研究主要分為兩類：一類是理論研究，在圓孔擴張理論的基礎上，王志豐[1-3]，沈水龍[4，5]，Chai等[6，7]結合現場試驗數據推導了高壓旋噴樁施工過程中所引起土體位移的半理論半經驗方法；另一類是采用數值模擬的手段，戚藍[8]，呂若冰等[9]利用有限元分析了高壓旋噴樁施工過程中對周圍土體的影響。

1 工程概況

江門市位于三角洲平原區，地面高程在2.2 m～5.4 m之間，軟土層分布不均，平均厚度約6.51 m。根據地勘資料，高壓旋噴樁施工區域表層為雜填土，厚度約3 m，高壓旋噴樁施工主要在淤泥質粉質粘土層中，淤泥質粉質粘土厚度約7 m，高壓旋噴樁插入粉質粘土層中約2 m。土層具體情況如圖1，圖2所示。

本文在江門市某路擴展高壓旋噴樁施工現場資料基礎上采用有限元軟件分析了高壓旋噴樁施工過程中對周邊土體側向位移的影響。

2 有限元建模

高壓旋噴樁施工過程可以簡化為向土體內部注入一定體積具有一定壓力的流體，在該流體作用下，使得土體產生劈裂以及擠土效應等作用。本文將高壓旋噴樁施工過程簡化為圓孔擴張膨脹問題，結合高壓旋噴樁施工現場地勘資料建立了三維數值模型，土體采用摩爾—庫侖模型，高壓旋噴樁采用彈性模型。為了建立較少受到外界影響的三維計算模型，需消除模型邊界效應對計算結果的影響，具體方案為底部施加完全固定約束，側面施加法向固定約束，而切向方向不約束，上表面為自由邊界、無約束。

根據現場地勘資料，建立的三維數值計算模型所采用的參數如表1所示。

表1 土層參數表

在高壓旋噴樁施工過程中由于管道壁的摩阻在高壓泥漿到達噴嘴處時注漿壓力會有所降低，噴嘴處的注漿壓力的大小如式(1)所示。

p0=np

(1)

其中，p0為噴嘴處的壓力；n為管道壁損失，一般取0.9；p為注漿壓力[10]。

高壓旋噴注漿過程中，高壓流體在介質中噴射時對周邊土體的壓力規律可以用相關經驗公式計算：

pm=?d0.5p0/xδ

(2)

其中，?，δ均為系數，?的大小與噴桿的旋轉速度與提升速度相關；d為噴嘴直徑,m；p0為噴嘴處出口壓力,kPa；x為噴嘴中心軸距離噴嘴的距離,m[9]。

建成的三維有限元模型如圖3，圖4所示。

3 數值模擬結果分析

3.1 單樁結果分析

高壓旋噴樁施工過程中土體側向位移主要與注漿壓力、土體的參數有關，在模擬施工的過程中根據高壓旋噴樁的施工特點，采用分段加壓的方式，在樁3 m以下部分施工時注漿壓力p=20 MPa，在樁頂部分注漿壓力p=3 MPa。圖5為單樁施工結束后土體總位移云圖。從圖5中可以看出高壓旋噴樁施工過程中土體的總位移從地表向下先增加后減小，在土體的交界處由于不同的土層、土體之間發生層間滑動，因此土體位移發生突變。

高壓旋噴樁施工過程中土體側向位移隨深度的變化，以及隨樁中心距離的變化曲線如圖6,圖7所示。從圖中可以看出在高壓旋噴樁施工過程中在樁周邊的土體發生塑性變形，在距離樁中心超過一定距離后土體將發生彈性變形，在塑性區域的土體側向位移變化整體呈先減小后增大再減小的趨勢，在塑性區域土體交界處側向位移突變明顯。在彈性區域由于埋深的增加，垂直地應力逐漸增大，高壓旋噴樁施工過程中土體的側向位移隨著深度呈現先增大后減小的趨勢。從側向位移隨距離樁中心距離變化曲線可以看出，隨著距離樁中心距離的增加，高壓旋噴樁施工所引起的側向位移逐漸減小，在距離樁中心4 m內，隨著距離的增加土體的側向位移變化速率較大。

3.2 群樁結果分析

為方便表示以中心樁為坐標原點，建立直角坐標系如圖8所示。

高壓旋噴樁施工過程中對土體的位移是累加的效應，即I=∑Ii，其中Ii為第i根樁施工所引起的土體位移[11]。但這種累加效應又不是簡單的累加，在群樁施工的過程中，受施工工序的影響，后排旋噴樁施工時由于前排旋噴樁的“阻礙”，導致后排旋噴樁施工時對土體的擾動會小于理論計算的累加值。圖9～圖11為距離第一排中心樁1 m，2 m，3 m處剖面位移云圖。從圖9～圖11可以看出，高壓旋噴樁施工過程中土體的位移從地表向下呈先增加后減小的趨勢，這與單根旋噴樁施工趨勢相同，在水平方向上，土體的位移由中心樁向兩邊呈現遞減趨勢。

圖12～圖14為高壓旋噴樁群樁施工過程中側向位移隨深度的變化曲線圖，從圖12～圖14中可以看出高壓旋噴樁群樁在施工過程中側向位移在深度上呈現先增加后減小的趨勢，在埋深6 m左右達到位移最大值。在橫向上自中心樁向兩邊呈現遞減的趨勢，減小的幅度隨著距離中心樁距離的增加而增加。

4 結論

本文根據江門某路擴建現場地勘資料采用有限元的方法建立了高壓旋噴樁單樁以及群樁施工時的三維有限元模型，通過數值模擬得到了以下結論：

1)高壓旋噴樁單樁施工過程中在彈性區土體的側向位移隨著深度呈現先增大后減小的趨勢，在塑性區土體側向位移變化整體呈先減小后增大再減小的趨勢。

2)高壓旋噴樁單樁施工過程中隨著距離樁中心距離的增加，高壓旋噴樁施工所引起的側向位移逐漸減小，在距離4 m內，隨著距離的增加土體的側向位移變化速率較大。

3)高壓旋噴樁群樁在施工過程中側向位移在埋深6 m左右約樁長一半時達到側向位移最大值。在橫向上自中心樁向兩邊呈現遞減的趨勢，減小的幅度隨著距離中心樁距離的增加而增加。

綜上所述，軟土中高壓旋噴樁施工過程中應當控制樁與既有建筑之間的間距，在既有建筑周邊近距離施工時應當嚴格控制注漿壓力以及成樁樁徑，以降低對既有建筑的影響。