砂礫石地基注漿加固承載力及沉降性狀有限元分析

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230000）

1 引言

砂礫石地層在我國分布廣泛，目前國內外許多水工建筑物都是布置在砂礫石地層上的。砂礫石粒間幾乎沒有任何聯結性，其復雜的特征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建設工程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，能夠對地基加固后的承載力及沉降性狀進行理論分析，對類似工程具有現實性的指導意義。

2 有限元計算模型的建立

在注漿加固地基過程中，有時需要打幾十、幾百甚至上千個注漿孔，對這樣的地基進行三維建模分析難度非常大。因此，本文將以2×2 注漿孔的復合地基模型進行有限元分析。

注漿加固地基由于漿液的擴散、漿土之間復雜的相互作用等，使得影響地基承載和沉降性狀的因素眾多，如果考慮所有因素會使分析變得很困難，而且有的分析參數也不易得到。因此，本文在對分析結果不造成大的影響的前提下，在建立模型過程中適當地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）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。建立分析模型時注漿加固區截面的形狀按照等面積替換的原則將圓形截面以正方形替換后的三維分析模型見圖1。

（2）假定注漿加固區與砂礫石層界面無相對滑動，不設置界面接觸單元。

表1 計算材料參數表

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

（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。

（5）側向邊界采用水平約束（即水平方向固定約束，豎向可動）；底部邊界采用豎向約束，上邊界為自由邊界。

圖1 三維模型計算簡圖

圖2 1/4 三維模型網格劃分圖

圖3 未加固1/4 模型地基土變形圖

圖4 加固后1/4 模型地基土變形圖

圖5 加固后基礎底面土體變形圖

圖6 基礎中心到外圍土體表面沉降變化曲線圖

3 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，執行網格劃分命令，進而生成有限元網格。本次分析中，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。

4 計算結果分析

4.1 注漿加固地基土承載力及沉降性狀分析

施加荷載為300kPa，在基本模型的基礎上保持其他參數不變，經過計算得到圖3～圖6 的計算結果。

圖3 顯示了未進行注漿加固時砂礫石地基土在均布荷載下的沉降分布情況，圖4、圖5 顯示了注漿加固后砂礫石地基土在均布荷載作用下的沉降分布情況，圖6 為土體由基礎中心向外圍延伸時的沉降變化曲線圖，由此可以發現以下幾個特點：

圖7 注漿加固區變形圖

圖8 注漿加固區附加應力云圖

圖9 注漿加固區軸線附加應力沿深度變化曲線圖

（1）地基進行注漿加固前，在外荷載作用下沉降量較大；注漿加固后，沉降量較注漿加固前有了明顯的減小，說明加固后地基承載力有了顯著的提高，加固區承擔了較多的荷載，加固效果較為顯著，且較加固前，荷載對基礎外圍的地基土的影響范圍變大。

（2）注漿加固后砂礫石地基土的沉降總體上來看分布比較均勻，沉降量變化趨勢為由注漿加固區間土向外圍逐漸減小，沿地層深度的方向逐漸變小。

（3）基礎范圍內不同位置的地基土沉降變形大小也不一樣，兩加固區之間的區間土沉降量最大，基礎中心土的沉降則略有減小。

（4）注漿加固前下臥層頂面的沉降量約為1.0cm，注漿加固后下臥層頂面的沉降量約為1.4cm，說明注漿加固后形成的加固區對下臥層的沉降產生了較大的影響，使下臥層的沉降量增大。

4.2 注漿加固區承載力及沉降性狀分析

施加荷載為300kPa，在基本模型的基礎上保持其他參數不變，經過計算得到圖7～圖9 的計算結果。

圖7 顯示了地基注漿加固后加固區的變形情況，圖8 為注漿加固區的附加應力云圖，圖9 為注漿加固區附加等效應力沿加固區軸線變化的曲線圖，由此可以發現以下幾個特點：

（1）注漿加固區的沉降較加固區間土小，說明漿液與土體膠結后使土體的強度變大。

（2）沉降量自加固區頂端到底端逐漸變小，注漿加固區頂端沉降最大，底端最小，說明加固區本身在荷載的作用下產生了壓縮現象。

（3）加固區外側的沉降較內側的沉降小，說明在加固區的相互作用下，加固區內側的附加應力要比外側大得多。

（4）同一深度下，加固區內側的應力比外側要大，說明臨近的加固區之間的“圍護”作用較為明顯，引起附加應力的疊加，從而使加固區內外側的沉降量不相同。另外，圖9 還顯示，附加應力的最大值發生在注漿加固區的中上部，由此向下附加應力值迅速減小。這是由于上層土體較大的壓縮沉降，土體的摩阻力較小的緣故。

5 結語

通過分析可以看出，建立三維有限元模型計算可以較好地模擬注漿加固地基的受力、變形特性。結果表明：砂礫石地基注漿加固后承載力有了一定提高，沉降量減小的幅度較大；注漿加固區的沉降要比加固區間土的沉降小，加固區外側的沉降較內側的沉降小；注漿對下臥層的影響較大，因此，注漿加固完成后除了要對加固區地基承載力及沉降量進行計算分析以外，還需要對下臥層進行承載力驗算。

由于本文所進行的都是理論上的分析計算，并非注漿加固后的實際效果，因此，在工程實施前，有必要進行現場模擬試驗，以便更加明確砂礫石地基注漿加固后的應力場特性、變形性能以及作用機理，對加固效果做出試驗分析，保證工程設計的準確性■