注漿對(duì)鄰近土體水平位移影響的數(shù)值模擬

孫九春，許四法，王旭鋒*，王 瑞，王 哲，奚曉廣

（1.騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 200120；2.浙江工業(yè)大學(xué) 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(shù)，越來越多的應(yīng)用于地基處理中[1-3]。其特點(diǎn)是能夠小范圍、特定地層深度、可重復(fù)注漿。在注漿加固時(shí)，合理確定注漿參數(shù)是施工的關(guān)鍵。張志沛等[4]利用FLAC 3D對(duì)不同注漿方式進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，注漿中心地面處發(fā)生隆起變形，且變形量隨著注漿壓力的增加呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。唐智偉等[5]采用解析法對(duì)注漿進(jìn)行了模擬計(jì)算；采用有限差分法，通過施加膨脹壓力使單元達(dá)到設(shè)定的注漿體積應(yīng)變來模擬注漿，將解析法模擬注漿以及數(shù)值解法模擬注漿的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。張冬梅等[6]提出了采用注漿引起的土體體積應(yīng)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(cuò)臺(tái)變化為指標(biāo)，分析了隧道側(cè)向注漿對(duì)隧道橫向變形的影響規(guī)律，揭示了注漿對(duì)隧道橫向變形的作用機(jī)理；鄭剛等[7]采用PLAXIS 3D軟件，采用體應(yīng)變法模擬注漿對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的變形影響，通過與地鐵結(jié)構(gòu)水平位移實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，表明實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果較為接近。

由于注漿會(huì)引起周邊土體發(fā)生較大的水平變形，進(jìn)而影響鄰近建（構(gòu)）筑物的安全。本文結(jié)合實(shí)際工程，通過有限元分析軟件對(duì)注漿過程產(chǎn)生的土體變形進(jìn)行分析，并將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析引起土體變形的原因。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地的土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表 1所示，潛水位埋深一般為1.80～5.20 m，對(duì)應(yīng)的標(biāo)高為2.88～3.97 m。該地質(zhì)主要為表層雜填土、黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土等。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indexes of each soil layer

2 注漿對(duì)鄰近土體水平變形數(shù)值分析

2.1 注漿數(shù)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(cè)向邊界約束水平位移和底部邊界固定。在土體與結(jié)構(gòu)之間建立界面單元以考慮土體與結(jié)構(gòu)的相互作用，界面單元材料強(qiáng)度為相鄰?fù)馏w材料強(qiáng)度的0.67倍，工況1的有限元網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分Fig.1 Numerical simulation grids

（2）采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬土體的彈塑性行為。土體參數(shù)來源于地勘檢測(cè)報(bào)告和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)參數(shù)，選取的地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

（3）分析注漿參數(shù)對(duì)鄰近土體變形的影響，注漿參數(shù)包括注漿量、注漿長(zhǎng)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(yàn)變量是注漿量，探究不同注漿量對(duì)周邊土體變形的情況；工況 3～5中考慮的試驗(yàn)變量是注漿深度，通過在不同深度進(jìn)行注漿，且其他條件相同情況下分析注漿深度對(duì)土體變形的影響；工況 5～7中考慮的試驗(yàn)變量是注漿長(zhǎng)度，通過只改變注漿長(zhǎng)度的方式，探究不同注漿長(zhǎng)度對(duì)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(yàn)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的土體參數(shù)和注漿參數(shù)為基本，模擬地層包括雜填土、黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土，其中雜填土厚度2 m，彈性模量為3 000 kPa，黏質(zhì)粉土厚度4 m，彈性模量為4 500 kPa，砂質(zhì)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(duì)土體產(chǎn)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(jù)實(shí)際情況采用折減法進(jìn)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(shè)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值確定，設(shè)置在地層5 m以下。

（2）注漿處替換對(duì)應(yīng)的土體，考慮注漿時(shí)產(chǎn)生膨脹效果，根據(jù)結(jié)石體體積計(jì)算注漿體的半徑。

（3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)結(jié)石體開挖情況，注漿引起的膨脹量是依據(jù)實(shí)際施工的注漿量和結(jié)石體體積之間的關(guān)系確定，注漿模擬過程如下：

a）從初始位置起，激活其負(fù)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(shí)，激活注漿體的體積，均勻膨脹，即每個(gè)方向膨脹2.0%，此為工況1。

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

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

（4）經(jīng)過上述步驟，計(jì)算得到模擬效果云圖，注漿體只需在分布施工中進(jìn)行定義即可實(shí)現(xiàn)注漿效果的模擬。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 注漿量對(duì)土體水平位移的影響

本階段探究注漿量對(duì)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(diǎn)越遠(yuǎn)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(shí)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(xiàn)下方大上方小的趨勢(shì)，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(fā)生在注漿所在深度處，還會(huì)對(duì)注漿上部一定范圍內(nèi)產(chǎn)生較大影響。當(dāng)注漿量為80 L和100 L時(shí)，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(dāng)注漿量為120 L時(shí)，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(guān)性。

3.2 注漿深度對(duì)土體水平位移的影響

本階段探究注漿深度對(duì)土體變形的影響，在工況3～5中，對(duì)應(yīng)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(cè)斜孔變形呈現(xiàn)如下規(guī)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(duì)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(zhǎng)度對(duì)土體水平位移的影響

本階段探究注漿長(zhǎng)度對(duì)土體變形的影響，在工況 5～7中，考慮不同注漿長(zhǎng)度對(duì)土體水平位移的影響，注漿長(zhǎng)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(zhǎng)度的變化情況如圖7～8所示。

圖6 5～7 m深度注漿時(shí)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(zhǎng)度時(shí)距注漿孔2 m處土體水平位移實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)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(zhǎng)度時(shí)距注漿孔4 m處土體水平位移實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)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(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬變化規(guī)律，圖8為注漿過程中X=4.0 m斷面處地層水平位移的實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬變化規(guī)律，由圖7和圖8可得，注漿所在位置處水平位移最大，數(shù)值模擬值和實(shí)測(cè)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(zhǎng)度的增大而不斷增大。當(dāng)注漿長(zhǎng)度從1.0 m增大至2.0 m時(shí)，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(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

采用有限元軟件分析注漿對(duì)鄰近土體變形的影響，討論了注漿量、注漿長(zhǎng)度、注漿深度等注漿參數(shù)對(duì)土體變形的影響，得到了土體水平位移和注漿參數(shù)之間的關(guān)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(fā)生在注漿所在深度處及其附近；隨著注漿長(zhǎng)度增大，土體的最大水平位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，經(jīng)過數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，表明擬合效果良好。