高壓旋噴樁施工引起土體變形數(shù)值模擬研究

張 帥 張建經(jīng) 劉夢(mèng)冉

(西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

我國(guó)在沿海區(qū)域分布廣泛的深厚軟土層，隨著中國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的推進(jìn)，軟土地區(qū)上層建筑在建設(shè)之前常采用高壓旋噴樁對(duì)地基進(jìn)行處理，在高壓旋噴樁施工過程中由于高壓泥漿在短時(shí)間內(nèi)灌入土體中，將引起土體發(fā)生變形，所以在建筑物周邊進(jìn)行高壓旋噴樁施工時(shí)需要優(yōu)先考慮高壓旋噴樁施工過程對(duì)土體側(cè)向位移的影響。

目前關(guān)于高壓旋噴樁施工所引起土體側(cè)向位移的研究主要分為兩類：一類是理論研究，在圓孔擴(kuò)張理論的基礎(chǔ)上，王志豐[1-3]，沈水龍[4，5]，Chai等[6，7]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)了高壓旋噴樁施工過程中所引起土體位移的半理論半經(jīng)驗(yàn)方法；另一類是采用數(shù)值模擬的手段，戚藍(lán)[8]，呂若冰等[9]利用有限元分析了高壓旋噴樁施工過程中對(duì)周圍土體的影響。

1 工程概況

江門市位于三角洲平原區(qū)，地面高程在2.2 m～5.4 m之間，軟土層分布不均，平均厚度約6.51 m。根據(jù)地勘資料，高壓旋噴樁施工區(qū)域表層為雜填土，厚度約3 m，高壓旋噴樁施工主要在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚度約7 m，高壓旋噴樁插入粉質(zhì)粘土層中約2 m。土層具體情況如圖1，圖2所示。

本文在江門市某路擴(kuò)展高壓旋噴樁施工現(xiàn)場(chǎng)資料基礎(chǔ)上采用有限元軟件分析了高壓旋噴樁施工過程中對(duì)周邊土體側(cè)向位移的影響。

2 有限元建模

高壓旋噴樁施工過程可以簡(jiǎn)化為向土體內(nèi)部注入一定體積具有一定壓力的流體，在該流體作用下，使得土體產(chǎn)生劈裂以及擠土效應(yīng)等作用。本文將高壓旋噴樁施工過程簡(jiǎn)化為圓孔擴(kuò)張膨脹問題，結(jié)合高壓旋噴樁施工現(xiàn)場(chǎng)地勘資料建立了三維數(shù)值模型，土體采用摩爾—庫(kù)侖模型，高壓旋噴樁采用彈性模型。為了建立較少受到外界影響的三維計(jì)算模型，需消除模型邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，具體方案為底部施加完全固定約束，側(cè)面施加法向固定約束，而切向方向不約束，上表面為自由邊界、無約束。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料，建立的三維數(shù)值計(jì)算模型所采用的參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

在高壓旋噴樁施工過程中由于管道壁的摩阻在高壓泥漿到達(dá)噴嘴處時(shí)注漿壓力會(huì)有所降低，噴嘴處的注漿壓力的大小如式(1)所示。

p0=np

(1)

其中，p0為噴嘴處的壓力；n為管道壁損失，一般取0.9；p為注漿壓力[10]。

高壓旋噴注漿過程中，高壓流體在介質(zhì)中噴射時(shí)對(duì)周邊土體的壓力規(guī)律可以用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

pm=?d0.5p0/xδ

(2)

其中，?，δ均為系數(shù)，?的大小與噴桿的旋轉(zhuǎn)速度與提升速度相關(guān)；d為噴嘴直徑,m；p0為噴嘴處出口壓力,kPa；x為噴嘴中心軸距離噴嘴的距離,m[9]。

建成的三維有限元模型如圖3，圖4所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 單樁結(jié)果分析

高壓旋噴樁施工過程中土體側(cè)向位移主要與注漿壓力、土體的參數(shù)有關(guān)，在模擬施工的過程中根據(jù)高壓旋噴樁的施工特點(diǎn)，采用分段加壓的方式，在樁3 m以下部分施工時(shí)注漿壓力p=20 MPa，在樁頂部分注漿壓力p=3 MPa。圖5為單樁施工結(jié)束后土體總位移云圖。從圖5中可以看出高壓旋噴樁施工過程中土體的總位移從地表向下先增加后減小，在土體的交界處由于不同的土層、土體之間發(fā)生層間滑動(dòng)，因此土體位移發(fā)生突變。

高壓旋噴樁施工過程中土體側(cè)向位移隨深度的變化，以及隨樁中心距離的變化曲線如圖6,圖7所示。從圖中可以看出在高壓旋噴樁施工過程中在樁周邊的土體發(fā)生塑性變形，在距離樁中心超過一定距離后土體將發(fā)生彈性變形，在塑性區(qū)域的土體側(cè)向位移變化整體呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)，在塑性區(qū)域土體交界處側(cè)向位移突變明顯。在彈性區(qū)域由于埋深的增加，垂直地應(yīng)力逐漸增大，高壓旋噴樁施工過程中土體的側(cè)向位移隨著深度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。從側(cè)向位移隨距離樁中心距離變化曲線可以看出，隨著距離樁中心距離的增加，高壓旋噴樁施工所引起的側(cè)向位移逐漸減小，在距離樁中心4 m內(nèi)，隨著距離的增加土體的側(cè)向位移變化速率較大。

3.2 群樁結(jié)果分析

為方便表示以中心樁為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系如圖8所示。

高壓旋噴樁施工過程中對(duì)土體的位移是累加的效應(yīng)，即I=∑Ii，其中Ii為第i根樁施工所引起的土體位移[11]。但這種累加效應(yīng)又不是簡(jiǎn)單的累加，在群樁施工的過程中，受施工工序的影響，后排旋噴樁施工時(shí)由于前排旋噴樁的“阻礙”，導(dǎo)致后排旋噴樁施工時(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)會(huì)小于理論計(jì)算的累加值。圖9～圖11為距離第一排中心樁1 m，2 m，3 m處剖面位移云圖。從圖9～圖11可以看出，高壓旋噴樁施工過程中土體的位移從地表向下呈先增加后減小的趨勢(shì)，這與單根旋噴樁施工趨勢(shì)相同，在水平方向上，土體的位移由中心樁向兩邊呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

圖12～圖14為高壓旋噴樁群樁施工過程中側(cè)向位移隨深度的變化曲線圖，從圖12～圖14中可以看出高壓旋噴樁群樁在施工過程中側(cè)向位移在深度上呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在埋深6 m左右達(dá)到位移最大值。在橫向上自中心樁向兩邊呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，減小的幅度隨著距離中心樁距離的增加而增加。

4 結(jié)論

本文根據(jù)江門某路擴(kuò)建現(xiàn)場(chǎng)地勘資料采用有限元的方法建立了高壓旋噴樁單樁以及群樁施工時(shí)的三維有限元模型，通過數(shù)值模擬得到了以下結(jié)論：

1)高壓旋噴樁單樁施工過程中在彈性區(qū)土體的側(cè)向位移隨著深度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在塑性區(qū)土體側(cè)向位移變化整體呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)。

2)高壓旋噴樁單樁施工過程中隨著距離樁中心距離的增加，高壓旋噴樁施工所引起的側(cè)向位移逐漸減小，在距離4 m內(nèi)，隨著距離的增加土體的側(cè)向位移變化速率較大。

3)高壓旋噴樁群樁在施工過程中側(cè)向位移在埋深6 m左右約樁長(zhǎng)一半時(shí)達(dá)到側(cè)向位移最大值。在橫向上自中心樁向兩邊呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，減小的幅度隨著距離中心樁距離的增加而增加。

綜上所述，軟土中高壓旋噴樁施工過程中應(yīng)當(dāng)控制樁與既有建筑之間的間距，在既有建筑周邊近距離施工時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制注漿壓力以及成樁樁徑，以降低對(duì)既有建筑的影響。