注漿對鄰近土體水平位移影響的數值模擬

孫九春，許四法，王旭鋒*，王 瑞，王 哲，奚曉廣

（1.騰達建設集團股份有限公司，上海 200120；2.浙江工業大學 巖土工程研究所，浙江 杭州 310023）

0 引 言

袖閥管注漿作為一種較為成熟的地層變形控制技術，越來越多的應用于地基處理中[1-3]。其特點是能夠小范圍、特定地層深度、可重復注漿。在注漿加固時，合理確定注漿參數是施工的關鍵。張志沛等[4]利用FLAC 3D對不同注漿方式進行了模擬，結果表明，注漿中心地面處發生隆起變形，且變形量隨著注漿壓力的增加呈現不斷增大的趨勢。唐智偉等[5]采用解析法對注漿進行了模擬計算；采用有限差分法，通過施加膨脹壓力使單元達到設定的注漿體積應變來模擬注漿，將解析法模擬注漿以及數值解法模擬注漿的結果進行對比驗證。張冬梅等[6]提出了采用注漿引起的土體體積應變模擬隧道注漿效果的方法，利用該方法，以注漿引起的隧道橫向收斂、接頭張開和錯臺變化為指標，分析了隧道側向注漿對隧道橫向變形的影響規律，揭示了注漿對隧道橫向變形的作用機理；鄭剛等[7]采用PLAXIS 3D軟件，采用體應變法模擬注漿對地鐵結構的變形影響，通過與地鐵結構水平位移實測值進行對比，表明實測與模擬結果較為接近。

由于注漿會引起周邊土體發生較大的水平變形，進而影響鄰近建（構）筑物的安全。本文結合實際工程，通過有限元分析軟件對注漿過程產生的土體變形進行分析，并將現場監測數據與有限元模擬得到的結果進行對比，分析引起土體變形的原因。

1 試驗概況

試驗場地的土層主要物理力學指標見表 1所示，潛水位埋深一般為1.80～5.20 m，對應的標高為2.88～3.97 m。該地質主要為表層雜填土、黏質粉土和砂質粉土等。

表1 各土層物理力學指標Table 1 Physical and mechanical indexes of each soil layer

2 注漿對鄰近土體水平變形數值分析

2.1 注漿數值模擬方案

（1）采用PLAXIS 2D建立有限元模型。模型邊界條件為側向邊界約束水平位移和底部邊界固定。在土體與結構之間建立界面單元以考慮土體與結構的相互作用，界面單元材料強度為相鄰土體材料強度的0.67倍，工況1的有限元網格如圖1所示。

圖1 數值模擬網格劃分Fig.1 Numerical simulation grids

（2）采用摩爾-庫倫模型模擬土體的彈塑性行為。土體參數來源于地勘檢測報告和當地的地質參數，選取的地質參數如表1所示。

（3）分析注漿參數對鄰近土體變形的影響，注漿參數包括注漿量、注漿長度和注漿深度。分析方案如表2所示，工況1～3中考慮的試驗變量是注漿量，探究不同注漿量對周邊土體變形的情況；工況 3～5中考慮的試驗變量是注漿深度，通過在不同深度進行注漿，且其他條件相同情況下分析注漿深度對土體變形的影響；工況 5～7中考慮的試驗變量是注漿長度，通過只改變注漿長度的方式，探究不同注漿長度對周邊土體變形的情況。

表2 注漿過程模擬方案Table 2 Simulation plan of grouting process

（4）注漿試驗漿液采用水泥-水單液漿，水灰比均控制在0.7。

2.2 定義材料屬性

本文有限元以現場試驗的土體參數和注漿參數為基本，模擬地層包括雜填土、黏質粉土和砂質粉土，其中雜填土厚度2 m，彈性模量為3 000 kPa，黏質粉土厚度4 m，彈性模量為4 500 kPa，砂質粉土厚度7 m，彈性模量為5 500 kPa。分別模擬注漿體在10～9 m、7～6 m和4～3 m深度地層注漿對土體產生的位移。由于注漿體介于水泥漿液和混凝土之間，注漿體的彈性模量依據實際情況采用折減法進行折減，因此注漿體彈性模量取10 000 kPa。

2.3 定義施工階段

（1）以工況1～3為例，設定注漿初始位置，注漿開始前地層不變化，注漿處的土體與所屬地層一樣，地下水根據現場實測值確定，設置在地層5 m以下。

（2）注漿處替換對應的土體，考慮注漿時產生膨脹效果，根據結石體體積計算注漿體的半徑。

（3）結合現場結石體開挖情況，注漿引起的膨脹量是依據實際施工的注漿量和結石體體積之間的關系確定，注漿模擬過程如下：

a）從初始位置起，激活其負向界面并賦予其注漿體的材料屬性。

b）在模擬注漿量 100 L時，激活注漿體的體積，均勻膨脹，即每個方向膨脹2.0%，此為工況1。

c）在模擬注漿量120 L時，激活注漿體的體積，均勻膨脹，即每個方向膨脹2.5%，此為工況2。

d）在模擬注漿量80 L時，激活注漿體的體積，均勻膨脹，即每個方向膨脹1.5%，此為工況3。

（4）經過上述步驟，計算得到模擬效果云圖，注漿體只需在分布施工中進行定義即可實現注漿效果的模擬。

3 試驗結果及分析

3.1 注漿量對土體水平位移的影響

本階段探究注漿量對土體變形的影響，在工況1～3中，水平向位移云圖如圖2所示，由圖可知在注漿附近土體變形較大，距離注漿點越遠變形越小。土體的水平位移隨注漿量的變化情況如圖3～4所示。

圖2 9～10 m深度注漿時的土體水平向位移云圖Fig.2 Nephogram of soil horizontal displacements when grouting at 9-10 m depth

圖3 距注漿孔2 m處土體水平位移沿深度的分布Fig.3 Distribution of soil horizontal displacements along depth 2 m away from grouting hole

圖4 距注漿孔4 m處土體水平位移沿深度的分布Fig.4 Distribution of soil horizontal displacements along depth 4 m away from grouting hole

由圖3和圖4可知，位移變化整體呈現下方大上方小的趨勢，地表3.0 m以下范圍土體變形較大，表明注漿引起土體的變形不僅僅發生在注漿所在深度處，還會對注漿上部一定范圍內產生較大影響。當注漿量為80 L和100 L時，距注漿孔2 m處的土體最大位移分別為1.75 mm和2.18 mm；距注漿孔 4 m處的土體最大位移分別為 0.25 mm和0.46 mm，表明在相同注漿量的情況下，土體變形量隨著距離的增大迅速減小。當注漿量為120 L時，距注漿孔2 m的土體最大位移值為2.75 mm，距注漿孔4 m的土體最大位移值為0.72 mm。土體的水平位移隨著注漿量的增大而不斷增大，二者呈正相關性。

3.2 注漿深度對土體水平位移的影響

本階段探究注漿深度對土體變形的影響，在工況3～5中，對應的注漿深度分別為10.0～9.0 m、4.0～3.0 m和7.0～6.0 m處。土體的水平位移隨注漿量的變化情況如圖5所示。由圖5可知，距注漿孔 2 m處的測斜孔變形呈現如下規律：注漿深度4.0～3.0 m 和 7.0～6.0 m 的最大位移分別為1.16 mm和0.83 mm，注漿深度10～9 m的土體最大位移為1.36 mm，且土體水平位移最大值在注漿所在深度的上部或者下部，這符合袖閥管注漿的注漿特性。表明在其他注漿條件一致，只改變注漿深度的情況下，注漿所在深度處土體水平位移也相對較大，土體變形主要集中在注漿位置處。

圖5 不同注漿深度下土體水平位移（2 m處）Fig.5 Horizontal displacement of soil under different grouting depth (2 m away from grouting hole)

3.3 注漿長度對土體水平位移的影響

本階段探究注漿長度對土體變形的影響，在工況 5～7中，考慮不同注漿長度對土體水平位移的影響，注漿長度分別為1.0、1.5、2.0 m。位移云圖如圖6所示，土體的水平位移隨注漿長度的變化情況如圖7～8所示。

圖6 5～7 m深度注漿時的土體水平位移位移云圖Fig.6 Nephogram of soil horizontal displacements when grouting at 5-7 m depth

圖7 不同注漿長度時距注漿孔2 m處土體水平位移實測值和模擬值對比Fig.7 Comparison of measured and simulated values of soil horizontal displacements under different grouting lengths (2 m away from grouting hole)

圖8 不同注漿長度時距注漿孔4 m處土體水平位移實測值和模擬值對比Fig.8 Comparison of measured and simulated values of soil horizontal displacements under different grouting lengths (4 m away from grouting hole)

圖7為注漿過程中X=2.0 m斷面處地層水平位移的實測值和數值模擬變化規律，圖8為注漿過程中X=4.0 m斷面處地層水平位移的實測值和數值模擬變化規律，由圖7和圖8可得，注漿所在位置處水平位移最大，數值模擬值和實測值也較為接近，注漿過程引起的土體水平位移值隨著注漿長度的增大而不斷增大。當注漿長度從1.0 m增大至2.0 m時，在距離注漿孔2 m處，土體最大水平位移值由0.72 mm增大至2.25 mm；在距離注漿孔4 m處，土體最大水平位移值由0.36 mm增大至1.72 mm。此外，隨著同一距離處土體所在深度的增大，土體水平位移呈現先增大后減小的趨勢。

4 結 論

采用有限元軟件分析注漿對鄰近土體變形的影響，討論了注漿量、注漿長度、注漿深度等注漿參數對土體變形的影響，得到了土體水平位移和注漿參數之間的關系。隨著注漿量的增大，鄰近土體最大水平位移逐漸增大；隨著注漿深度的改變，土體水平位移最大值發生在注漿所在深度處及其附近；隨著注漿長度增大，土體的最大水平位移呈現逐漸增大的趨勢，經過數值模擬結果和實測值進行對比分析，表明擬合效果良好。