砂礫石地基注漿加固效果影響因素有限元分析

倫冠貴

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥230000）

砂礫石地層在我國的分布非常廣泛，其顆粒間幾乎沒有任何聯(lián)結(jié)性，容易使建筑物發(fā)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(shè)計(jì)要求，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)牡鼗庸烫幚泶胧源_保建筑物地基的穩(wěn)定。

注漿加固地基是近年來水利樞紐工程建設(shè)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(jié)，改變土的性質(zhì)，用以提高承載力、減少沉降、增加穩(wěn)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(qū)強(qiáng)度的因素很多，注漿參數(shù)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?qū)Φ鼗庸绦Ч挠绊懸蛩剡M(jìn)行理論分析，對以后類似的工程具有現(xiàn)實(shí)性的指導(dǎo)意義。

本文將利用有限元分析軟件ANSYS 對影響砂礫石地基注漿加固效果的注漿深度、面積置換率、加固區(qū)彈性模量等主要因素進(jìn)行數(shù)值模擬分析，討論不同因素對加固效果的不同影響，對工程實(shí)踐作一個(gè)參考。

1 有限元計(jì)算模型的建立

本文將以2×2 注漿孔的復(fù)合地基作為典型模型進(jìn)行有限元分析，并在對分析結(jié)果不造成大的影響的前提下，在建立模型過程中忽略一些次要的影響因素，對計(jì)算模型作以下假定及簡化：

1.1 假定漿液呈圓柱形擴(kuò)散，把漿液及其擴(kuò)散區(qū)所形成的注漿加固區(qū)作為整體考慮，近似地認(rèn)為圓柱形注漿樁，并按照等面積替換的原則將圓形截面以正方形代替，替換后的三維分析模型見圖1。

1.2 假定注漿加固區(qū)與砂礫石層界面無相對滑動，即不設(shè)置界面接觸單元。

1.3 注漿體凝固后剛度較大，故按線彈性材料計(jì)算，符合廣義虎克定律；砂礫石層按彈塑性材料計(jì)算，模型采用D-P 準(zhǔn)則分析計(jì)算。

1.4 計(jì)算邊界的底部取至注漿加固區(qū)底1.5 倍處，水平方向取至基礎(chǔ)邊緣3 倍處。利用模型的對稱性，實(shí)際模擬計(jì)算時(shí)計(jì)算區(qū)域取模型的1/4。

1.5 側(cè)向邊界采用水平約束，底部邊界采用豎向約束，上邊界為自由邊界。

2 有限元模型網(wǎng)格劃分

三維實(shí)體模型建好以后對其單元屬性及網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并生成有限元網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域取模型的1/4，模型單元采用SOLID45，劃分好的有限元網(wǎng)格模型如圖2 所示，計(jì)算中各材料的屬性參數(shù)見表1。

圖1 三維模型計(jì)算簡圖

圖2 1/4 三維模型網(wǎng)格劃分圖

表1 計(jì)算材料參數(shù)表

3 加固效果影響因素分析

在本文分析中，除注漿深度因素分析外，注漿深度取10m；除注漿體彈性模量的因素分析外，注漿體彈性模量取1000MPa，除面積置換率的因素分析外，置換率為11.1%。

3.1 注漿深度對加固效果的影響

本文通過取注漿深度分別為4m，6m，8m，10m，12m，14m，16m時(shí)的計(jì)算結(jié)果來分析了注漿加固地基的承載性狀隨注漿深度的不同而產(chǎn)生的變化。圖3 為地基沉降量隨注漿深度變化的曲線圖。

圖3 地基沉降量隨注漿深度變化曲線圖

從圖中可以看出：

（1）隨著注漿深度的增加，地基的沉降量不斷減小。這是因?yàn)殡S著注漿深度的增加，注漿加固區(qū)的側(cè)阻力逐漸得到發(fā)揮，加固區(qū)間土中就會有更多的荷載通過側(cè)阻力轉(zhuǎn)移到注漿加固區(qū)，由此使加固地基的承載力得到增加，沉降量減小。這說明通過增加注漿深度來提高地基承載力、減小地基沉降量是一種有效的方法。（2）注漿深度較小時(shí)，沉降量減小的幅度比較大，但當(dāng)注漿深度超過一定范圍后，沉降量減小的趨勢有所減緩，減小的效果不如注漿較淺時(shí)顯著。這說明注漿加固地基時(shí)不能單純依靠增加注漿深度的方法來提高地基的承載力，這里面還存在著一個(gè)臨界深度的問題。當(dāng)注漿深度達(dá)到臨界值后，再通過增加注漿深度來提高地基承載力、減小沉降就顯得工程量大而且不經(jīng)濟(jì)。通過分析可知，砂礫石地基中，臨界注漿深度一般在10m 左右。因此，注漿深度不宜過小，也不宜過大，應(yīng)以達(dá)到最優(yōu)注漿深度為宜。

3.2 面積置換率對加固效果的影響

本文通過改變注漿孔間距的方法來改變注漿加固地基的面積置換率，從而分析面積置換率的不同對注漿加固地基所造成的不同影響。本文選取的面積置換率分別為5.8%、11.1%、22.3%、34.9%、50.2%。圖4 為注漿加固地基沉降量隨不同面積置換率變化的曲線圖。

圖4 地基沉降量隨面積置換率變化曲線圖

從圖中可以看出：

（1）隨著面積置換率的增加，地基的沉降量不斷減小。這是因?yàn)槊娣e置換率越大，注漿加固區(qū)承擔(dān)的荷載也相應(yīng)增大，使加固區(qū)間土承擔(dān)的荷載變小，因此地基沉降量減小。（2）荷載水平越高，相同置換率下地基沉降量越大。在置換率較低時(shí)，隨著置換率的增加，沉降減小的效果較為顯著；置換率較高時(shí)，隨著置換率的進(jìn)一步增大，曲線變得較為平緩，說明沉降減小效果不再顯著。這是因?yàn)楫?dāng)置換率過大時(shí)，由于加固區(qū)的距離太近，反而不利于發(fā)揮加固區(qū)間土的承載潛力，從而加固堤基的承載力得不到有效的提高，因此沉降量減小不再明顯。通過分析可知，砂礫石地基中，臨界面積置換率一般在35%左右。因此，注漿孔的間距應(yīng)以達(dá)到最優(yōu)置換率為宜。

3.3 注漿加固區(qū)彈性模量對加固效果的影響

注漿漿液的材料、配比不同，會造成加固地基后加固區(qū)的彈性模量也不同。本文通過取地基注漿加固后加固區(qū)彈性模量分別 為 300MPa、500MPa、800MPa、1000MPa、1500MPa、2000MPa、3000MPa 時(shí)的計(jì)算結(jié)果來分析注漿加固效果隨注漿體彈性模量變化的影響。圖5 為注漿加固地基沉降量隨注漿加固區(qū)彈性模量變化的曲線圖。

圖5 地基沉降量隨注漿加固區(qū)彈性模量變化曲線圖從圖中可以看出：

（1）隨著注漿加固區(qū)彈性模量大增大，加固地基的沉降變小。注漿加固區(qū)的彈性模量越大，沉降越??；加固區(qū)的彈性模量越小，沉降越大。這是因?yàn)榧庸虆^(qū)的彈性模量越大，其分擔(dān)的荷載也越大，使加固區(qū)間土分擔(dān)的荷載變小，承載力相對降低，因此沉降隨之降低。（2）施加荷載越大，沉降隨彈性模量變化的曲線越陡。這說明在荷載水平較高的情況下，通過增加加固區(qū)的彈性模量能有效的減小地基的沉降；在荷載水平較低的情況下，增加加固區(qū)的彈性模量并沒有起到很好的加固效果。（3）當(dāng)加固區(qū)的彈性模量小于1000MPa 時(shí)，加固地基沉降量隨加固區(qū)彈性模量的增大而減小且減小的幅度較大，變化曲線比較陡；隨著加固區(qū)彈性模量的繼續(xù)增大，加固地基沉降量減小的幅度大大變小，變化曲線開始變得比較平緩，沉降減小效果不再顯著。因此，在對地層進(jìn)行注漿加固之前，應(yīng)盡可能地對加固地層進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以測得加固后最優(yōu)的彈性模量，達(dá)到既減小工程成本又得到最好的加固效果的目的。

4 結(jié)論

通過分析可以看出，建立三維有限元模型計(jì)算可以較好的對影響注漿加固地基效果的主要影響因素進(jìn)行分析，增加注漿深度、增加面積置換率以及加大注漿加固區(qū)的彈性模量都能夠使加固效果變得良好，但這里面也都有一個(gè)度的問題，超過了一定的限度，則不但不能夠?qū)庸绦Ч鸶语@著的作用，反而對工程的成本控制不利。因而，在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)主要控制這個(gè)三個(gè)影響因素，掌握最優(yōu)的注漿深度、彈性模量、面積置換率，這樣才既能起到最好的加固效果，又能節(jié)省工程投資，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。