陳瑤瑤，孫德安

(上海大學(xué)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(shù)值模擬

陳瑤瑤，孫德安

(上海大學(xué)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(zhì)量高的一種地基處理方法。為了研究路基工程中MMP成樁過(guò)程對(duì)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(jié)理論和修正劍橋模型以及現(xiàn)場(chǎng)土性參數(shù)試驗(yàn)值，模擬上海近郊某鐵路路基工程中MMP樁成樁過(guò)程，計(jì)算得到了成樁過(guò)程的超孔壓產(chǎn)生、增長(zhǎng)及消散情況，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者變化趨勢(shì)基本一致，吻合得比較好。對(duì)平整地基MMP樁擴(kuò)孔也進(jìn)行了數(shù)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(duì)比，結(jié)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(lái)我國(guó)鐵路多次進(jìn)行了大面積提速，提速后的列車對(duì)地基沉降的要求更嚴(yán)格，導(dǎo)致一些既有線路段地基不滿足強(qiáng)度和變形要求，需進(jìn)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(jiǎn)稱MMP樁)［1］是一種成樁質(zhì)量較高的水泥土攪拌樁。MMP樁在施工過(guò)程中，鉆桿上的兩組攪拌葉片同時(shí)正、反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土成樁。正反葉片切碎土體、噴漿過(guò)程中，對(duì)樁周土體產(chǎn)生擾動(dòng)，可能會(huì)對(duì)既有線產(chǎn)生較大影響，因此需要研究MMP成樁過(guò)程對(duì)樁周土體的擾動(dòng)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)MMP樁的研究主要集中在試驗(yàn)研究、施工技術(shù)及工程應(yīng)用方面［2-5］，而對(duì)其數(shù)值模擬方面的研究很少。為了能夠準(zhǔn)確反映成樁過(guò)程及成樁后黏性土體中的孔隙水壓產(chǎn)生和消散與土骨架變形的相互關(guān)系，并且考慮土的三維變形特性，本文采用Biot固結(jié)理論和考慮了三維變形特性的修正劍橋模型，通過(guò)軟件ABAQUS建立有限元模型，在有路堤和無(wú)路堤情況下對(duì)MMP樁成樁過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，將不同情況下計(jì)算得到的超孔隙水壓產(chǎn)生、消散過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 打樁過(guò)程數(shù)值模擬方法

靜壓樁的數(shù)值模擬方法一般采用圓孔擴(kuò)張理論［6］，將沉樁過(guò)程看成圓孔擴(kuò)張過(guò)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(guò)程看成擴(kuò)孔的過(guò)程，如圖1所示。MMP樁在施工過(guò)程中，由于攪拌葉片同時(shí)正、反向旋轉(zhuǎn)的壓漿作用阻斷水泥漿上冒，消除了冒漿現(xiàn)象，地面僅隆起少量松散土體，土體中未發(fā)現(xiàn)有水泥漿存在［2］。因此，孔半徑r的增大量Δr根據(jù)擴(kuò)孔產(chǎn)生的體積變化量與注入的水泥漿體積相等的原則來(lái)計(jì)算。

圖1 MMP樁成樁過(guò)程的模擬方法

2 MMP樁與靜壓樁數(shù)值模擬

2.1 施工現(xiàn)場(chǎng)概況及計(jì)算簡(jiǎn)圖

上海郊區(qū)某鐵路線為了提速，需要增加路堤的穩(wěn)定性，并減小地基沉降，因此在既有線旁用MMP樁進(jìn)行地基加固，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)。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(zhǎng)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(jì)算簡(jiǎn)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(jì)算區(qū)域分別為60 m和24 m，根據(jù)上海軟土典型分層情況，將計(jì)算土體分成5層，每層土性有一定差別，故其計(jì)算參數(shù)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(jì)算參數(shù)。地基土體上表面為自由邊界，下表面豎向固定，左側(cè)和右側(cè)水平方向固定，擴(kuò)孔通過(guò)改變孔內(nèi)壁位移邊界來(lái)實(shí)現(xiàn)。地基土上表面為透水邊界，其他為不透水邊界。

圖3是無(wú)路堤和有路堤情況下的有限元模型網(wǎng)格劃分圖。地基土單元類型采用平面應(yīng)變孔壓?jiǎn)卧?，路堤單元采用平面?yīng)變單元。即地基考慮水土耦合，而路堤假定單相介質(zhì)。無(wú)路堤地基土計(jì)算參數(shù)與路堤的地基土參數(shù)一致。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)斷面計(jì)算示意(單位：m)

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算參數(shù)

2.2.1 路堤及地基土的模型計(jì)算參數(shù)

路堤結(jié)構(gòu)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(jì)算參數(shù)如表1所示。

地基土的本構(gòu)模型采用修正劍橋模型，計(jì)算參數(shù)如表2所示。其中模型參數(shù)值是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果、上海地區(qū)長(zhǎng)期的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)規(guī)范而確定的［7］。假定地下水位在地基土表面，由于實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)地基有水平細(xì)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(shù)k=2.5×10－7m/s，比一般實(shí)驗(yàn)室測(cè)得上海軟土的滲透系數(shù)要大。

表1 路堤計(jì)算參數(shù)

表2 修正劍橋模型參數(shù)

2.2.2 擴(kuò)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(duì)密度是3.1。

在軟件ABAQUS中建立模型，樁的初始半徑設(shè)置為r=0.25 m，成樁過(guò)程的模擬是通過(guò)位移邊界的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。MMP樁施工過(guò)程是攪拌機(jī)先切土下沉，再上提噴漿攪動(dòng)成樁，為了更好地模擬成樁過(guò)程，將18 m長(zhǎng)的樁分成6段逐步擴(kuò)孔，每段3 m，分兩個(gè)過(guò)程擴(kuò)孔，即先從上至下分段擴(kuò)孔(對(duì)應(yīng)下沉過(guò)程)，再由下至上分段擴(kuò)孔(對(duì)應(yīng)上提過(guò)程)。而擴(kuò)孔總位移量Δr則是根據(jù)注入的水泥漿量與擴(kuò)孔產(chǎn)生的體積量相等的原則來(lái)確定，如圖4所示。

圖4 噴漿擴(kuò)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(zhì)量和水的質(zhì)量，Gs是水泥的相對(duì)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(kuò)孔位移量Δr≈0.026 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及計(jì)算結(jié)果

在施工現(xiàn)場(chǎng)，如圖2所示，孔壓計(jì)埋設(shè)點(diǎn)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(shè)一只孔壓計(jì)A，B，在18 m深處離樁心3 m和7 m處各埋設(shè)一只孔壓計(jì)C，D。圖5和圖6分別是成樁時(shí)測(cè)點(diǎn)A，B和測(cè)點(diǎn)C，D的實(shí)測(cè)超孔隙水壓變化值。

圖7是無(wú)路堤和有路堤情況下MMP成樁過(guò)程中對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)A，B的數(shù)值模擬超孔壓變化曲線，圖8是無(wú)路堤和有路堤情況下MMP成樁過(guò)程中對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)C，D的數(shù)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(gè)峰值，18 m處有1個(gè)峰值，這是因?yàn)镸MP樁成樁過(guò)程是先下沉后上提的關(guān)系，當(dāng)靠近測(cè)點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)超孔壓會(huì)上升并達(dá)到峰值，當(dāng)離開(kāi)測(cè)點(diǎn)時(shí)，超孔壓又會(huì)下降。成樁過(guò)程中有2次經(jīng)過(guò)10 m處，于是出現(xiàn)2個(gè)峰值，而樁長(zhǎng)只有18 m時(shí)，成樁過(guò)程只有1次經(jīng)過(guò)該深度，因此只有1個(gè)峰值。

將圖5和圖7(b)、圖6和圖8(b)對(duì)比，即將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的因成樁引起的超孔壓和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，可以看到數(shù)值模擬中超孔壓達(dá)到第一個(gè)峰值前，產(chǎn)生的負(fù)超孔壓比實(shí)測(cè)結(jié)果大很多，這是因?yàn)閿?shù)值模擬中預(yù)留的樁孔孔壁被約束住，而擴(kuò)孔的時(shí)候約束瞬間解除，相當(dāng)于卸荷作用，產(chǎn)生負(fù)的超孔壓，隨著擴(kuò)孔的繼續(xù)，靠近測(cè)點(diǎn)時(shí)，負(fù)孔壓消失，正孔壓產(chǎn)生。除去這個(gè)因素，實(shí)測(cè)超孔壓變化與模擬結(jié)果曲線趨勢(shì)基本一致。

從圖7和圖8中可以看出，無(wú)路堤情況下的超孔壓值比有路堤情況下的值大。這是因?yàn)樵谕粫r(shí)間內(nèi)，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(wú)路堤情況下的小。

圖9是在無(wú)路堤和有路堤情況下，成樁剛結(jié)束時(shí)各深度處的豎向位移情況。從圖9(a)中可以看出，無(wú)路堤情況下，擴(kuò)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(chǎn)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(fā)生突變?？拷鼧吨艿穆∑鹆勘葻o(wú)路堤情況下小，這是因?yàn)榈鼗猎诼返毯奢d的作用下，有一定的壓實(shí)度，孔隙體積減小，導(dǎo)致擴(kuò)孔引起的位移減小。

圖5 MMP樁成樁過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)超孔壓值(10 m深處)

圖6 MMP樁成樁過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)超孔壓值(18 m深處)

圖7 MMP樁成樁過(guò)程中超孔壓變化(10 m處)

圖8 MMP樁成樁過(guò)程中超孔壓變化(18 m處)

圖9 M MP樁成樁剛結(jié)束時(shí)各深度處的豎向位移

4 結(jié)論

1)采用先從上到下分步擴(kuò)孔、再由下到上分步擴(kuò)孔的方法，模擬MMP樁施工過(guò)程。地基土采用修正劍橋模型，使用軟件ABAQUS，在有路堤和無(wú)路堤情況下建立有限元模型對(duì)MMP樁施工過(guò)程進(jìn)行了彈塑性水土耦合數(shù)值分析，得到了成樁過(guò)程中超孔隙水壓變化情況，結(jié)果表明無(wú)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(wú)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(kuò)孔體積與水泥漿注入量相等的方法來(lái)計(jì)算擴(kuò)孔量，成樁過(guò)程中得出的超孔壓數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)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(jìn)一步研究MMP樁性能及其設(shè)計(jì)施工提供有用的數(shù)值模擬方法。

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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(zé)任審編 王天威)