MMP樁濕噴法施工引起路基超孔壓和位移的數值模擬

陳瑤瑤，孫德安

(上海大學土木工程系，上海 200072)

MMP樁濕噴法施工引起路基超孔壓和位移的數值模擬

陳瑤瑤，孫德安

(上海大學土木工程系，上海 200072)

多方位立體雙向攪拌樁(MMP樁)是水泥土攪拌均勻成樁質量高的一種地基處理方法。為了研究路基工程中MMP成樁過程對樁周土體超孔壓的變化，使用有限元軟件ABAQUS，建立有限元模型，采用Biot固結理論和修正劍橋模型以及現場土性參數試驗值，模擬上海近郊某鐵路路基工程中MMP樁成樁過程，計算得到了成樁過程的超孔壓產生、增長及消散情況，并與現場實測結果進行對比，兩者變化趨勢基本一致，吻合得比較好。對平整地基MMP樁擴孔也進行了數值模擬，將得到的超孔壓變化情況和沉降情況與路基工程對比，結果表明：路基工程由于路堤荷載的作用，地表沉降有突變，超孔壓值比平整地基偏小。

多方位立體雙向攪拌樁 濕噴法 劍橋模型 超孔隙水壓

近年來我國鐵路多次進行了大面積提速，提速后的列車對地基沉降的要求更嚴格，導致一些既有線路段地基不滿足強度和變形要求，需進行地基處理。地基加固方法很多，多方位立體雙向攪拌樁(Multidirection tridimensional bidirectional mixing pile，簡稱MMP樁)［1］是一種成樁質量較高的水泥土攪拌樁。MMP樁在施工過程中，鉆桿上的兩組攪拌葉片同時正、反向旋轉攪拌水泥土成樁。正反葉片切碎土體、噴漿過程中，對樁周土體產生擾動，可能會對既有線產生較大影響，因此需要研究MMP成樁過程對樁周土體的擾動。

國內外對MMP樁的研究主要集中在試驗研究、施工技術及工程應用方面［2-5］，而對其數值模擬方面的研究很少。為了能夠準確反映成樁過程及成樁后黏性土體中的孔隙水壓產生和消散與土骨架變形的相互關系，并且考慮土的三維變形特性，本文采用Biot固結理論和考慮了三維變形特性的修正劍橋模型，通過軟件ABAQUS建立有限元模型，在有路堤和無路堤情況下對MMP樁成樁過程進行數值模擬，將不同情況下計算得到的超孔隙水壓產生、消散過程進行對比，并將數值模擬結果與現場實測結果進行對比。

1 打樁過程數值模擬方法

靜壓樁的數值模擬方法一般采用圓孔擴張理論［6］，將沉樁過程看成圓孔擴張過程，而由于MMP樁是切碎土體并向土體中注入水泥漿攪拌成樁，因此在ABAQUS中也可以將MMP樁成樁過程看成擴孔的過程，如圖1所示。MMP樁在施工過程中，由于攪拌葉片同時正、反向旋轉的壓漿作用阻斷水泥漿上冒，消除了冒漿現象，地面僅隆起少量松散土體，土體中未發現有水泥漿存在［2］。因此，孔半徑r的增大量Δr根據擴孔產生的體積變化量與注入的水泥漿體積相等的原則來計算。

圖1 MMP樁成樁過程的模擬方法

2 MMP樁與靜壓樁數值模擬

2.1 施工現場概況及計算簡圖

上海郊區某鐵路線為了提速，需要增加路堤的穩定性，并減小地基沉降，因此在既有線旁用MMP樁進行地基加固，并進行了現場實測試驗。既有線路堤的上表面寬8.0 m，下表面寬17.0 m，高3.5 m。MMP樁直徑D=0.5 m，樁長L=18 m，在路堤坡腳旁打入，樁心離坡腳0.75 m。

圖2是路基工程的斷面計算簡圖。既有線路堤的上表面寬8.0 m，下表面寬17.0 m，高3.5 m。地基部分土體水平和豎向計算區域分別為60 m和24 m，根據上海軟土典型分層情況，將計算土體分成5層，每層土性有一定差別，故其計算參數不同。為了建模方便，將土層①和②合并為一層，并取土層②的計算參數。地基土體上表面為自由邊界，下表面豎向固定，左側和右側水平方向固定，擴孔通過改變孔內壁位移邊界來實現。地基土上表面為透水邊界，其他為不透水邊界。

圖3是無路堤和有路堤情況下的有限元模型網格劃分圖。地基土單元類型采用平面應變孔壓單元，路堤單元采用平面應變單元。即地基考慮水土耦合，而路堤假定單相介質。無路堤地基土計算參數與路堤的地基土參數一致。

圖2 現場斷面計算示意(單位：m)

圖3 有限元模型網格劃分

2.2 計算參數

2.2.1 路堤及地基土的模型計算參數

路堤結構包括厚度為0.6 m的基床表層、厚度為0.9 m的基床底層和厚度為2.0 m的路堤本體。假定路堤為彈性材料，計算參數如表1所示。

地基土的本構模型采用修正劍橋模型，計算參數如表2所示。其中模型參數值是根據試驗結果、上海地區長期的工程經驗數據及相關規范而確定的［7］。假定地下水位在地基土表面，由于實際施工現場地基有水平細砂或粉砂夾層，滲透路徑比較多，滲透比較快，因此取滲透系數k=2.5×10－7m/s，比一般實驗室測得上海軟土的滲透系數要大。

表1 路堤計算參數

表2 修正劍橋模型參數

2.2.2 擴孔位移量的確定

工程中MMP樁施工采用濕噴法，每延米水泥噴量約為50 kg，水灰比 W/C=0.5，水泥相對密度是3.1。

在軟件ABAQUS中建立模型，樁的初始半徑設置為r=0.25 m，成樁過程的模擬是通過位移邊界的設置來實現。MMP樁施工過程是攪拌機先切土下沉，再上提噴漿攪動成樁，為了更好地模擬成樁過程，將18 m長的樁分成6段逐步擴孔，每段3 m，分兩個過程擴孔，即先從上至下分段擴孔(對應下沉過程)，再由下至上分段擴孔(對應上提過程)。而擴孔總位移量Δr則是根據注入的水泥漿量與擴孔產生的體積量相等的原則來確定，如圖4所示。

圖4 噴漿擴孔示意

式中，mc，mw分別表示每延米注入土體的水泥漿中水泥的質量和水的質量，Gs是水泥的相對密度，ρw是水的密度。

由水灰比W/C=0.5得mw=0.5mc=25 kg，而Gs=3.1，ρw=1 ×103kg/m3，r=0.25 m，將以上已知量代入式(1)，可得擴孔位移量Δr≈0.026 m。

3 現場測試結果及計算結果

在施工現場，如圖2所示，孔壓計埋設點距地表的深度分別是10 m和18 m，在10 m深處離樁心1.2 m和2.8 m處各埋設一只孔壓計A，B，在18 m深處離樁心3 m和7 m處各埋設一只孔壓計C，D。圖5和圖6分別是成樁時測點A，B和測點C，D的實測超孔隙水壓變化值。

圖7是無路堤和有路堤情況下MMP成樁過程中對應測點A，B的數值模擬超孔壓變化曲線，圖8是無路堤和有路堤情況下MMP成樁過程中對應測點C，D的數值模擬超孔壓變化曲線。

從圖5至圖8中可以看出，10 m深處超孔壓變化曲線有2個峰值，18 m處有1個峰值，這是因為MMP樁成樁過程是先下沉后上提的關系，當靠近測點時，該點超孔壓會上升并達到峰值，當離開測點時，超孔壓又會下降。成樁過程中有2次經過10 m處，于是出現2個峰值，而樁長只有18 m時，成樁過程只有1次經過該深度，因此只有1個峰值。

將圖5和圖7(b)、圖6和圖8(b)對比，即將現場實測的因成樁引起的超孔壓和數值模擬結果對比，可以看到數值模擬中超孔壓達到第一個峰值前，產生的負超孔壓比實測結果大很多，這是因為數值模擬中預留的樁孔孔壁被約束住，而擴孔的時候約束瞬間解除，相當于卸荷作用，產生負的超孔壓，隨著擴孔的繼續，靠近測點時，負孔壓消失，正孔壓產生。除去這個因素，實測超孔壓變化與模擬結果曲線趨勢基本一致。

從圖7和圖8中可以看出，無路堤情況下的超孔壓值比有路堤情況下的值大。這是因為在同一時間內，地基土在路堤荷載的作用下很快被壓縮，孔隙水的排出速度更大，超孔隙水壓力的值比無路堤情況下的小。

圖9是在無路堤和有路堤情況下，成樁剛結束時各深度處的豎向位移情況。從圖9(a)中可以看出，無路堤情況下，擴孔引起樁周土體隆起，隆起量隨著深度的增加而減少，靠近樁端深度處(z=17 m)產生少量沉降。其它深度處離樁心的距離越大，隆起量越小。從圖9(b)中可以看出，地表由于路堤荷載的作用，坡腳處隆起量發生突變。靠近樁周的隆起量比無路堤情況下小，這是因為地基土在路堤荷載的作用下，有一定的壓實度，孔隙體積減小，導致擴孔引起的位移減小。

圖5 MMP樁成樁過程中現場實測超孔壓值(10 m深處)

圖6 MMP樁成樁過程中現場實測超孔壓值(18 m深處)

圖7 MMP樁成樁過程中超孔壓變化(10 m處)

圖8 MMP樁成樁過程中超孔壓變化(18 m處)

圖9 M MP樁成樁剛結束時各深度處的豎向位移

4 結論

1)采用先從上到下分步擴孔、再由下到上分步擴孔的方法，模擬MMP樁施工過程。地基土采用修正劍橋模型，使用軟件ABAQUS，在有路堤和無路堤情況下建立有限元模型對MMP樁施工過程進行了彈塑性水土耦合數值分析，得到了成樁過程中超孔隙水壓變化情況，結果表明無路堤情況下的超孔壓值比有路堤情況下的值稍大，而由于路堤荷載的影響，地表隆起量分布與無路堤情況下的分布不同，地表沉降在路堤兩邊坡腳有突變。

2)本文采用擴孔體積與水泥漿注入量相等的方法來計算擴孔量，成樁過程中得出的超孔壓數值模擬結果與實測結果吻合得比較好。由此可看出，這種模擬方法是正確可靠的，為進一步研究MMP樁性能及其設計施工提供有用的數值模擬方法。

［1］劉松玉，儲海巖，宮能和，等．雙向水泥土攪拌樁機［P］．中國專利：2004，10065862.9，2006-9-13．

［2］劉松玉，席培勝，儲海巖，等．雙向水泥土攪拌樁加固軟土地基試驗研究［J］．巖土力學，2007，28(3)：560-564．

［3］趙永強．多方位立體雙向攪拌樁施工技術［J］．施工技術，2009，38(9)：44-46．

［4］錢國玉，郭克誠，陳磊．多向水泥砂漿攪拌樁在高填方地基加固中的應用［J］．鐵道建筑，2010(8)：100-103．

［5］席培勝，宮能和，儲海巖，等．雙向攪拌樁加固軟土地基應用研究［J］．施工技術，2007，36(1)：5-8．

［6］VESIC A S．Expansion of cavities in infinite soil mass［J］．Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering，ASCE，1972，98(3)：265-290．

［7］徐中華．上海地區支護結構與主體地下結構相結合的深基坑變形性狀研究［D］．上海：上海交通大學，2007．

TU472.3+6

A

1003-1995(2012)06-0098-04

2011-11-20;

2012-03-10

陳瑤瑤(1987— )，女，江西撫州人，碩士。

(責任審編 王天威)