馮明偉

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

二十一世紀是大力發(fā)展海洋經(jīng)濟的時代，隨著陸地資源的進一步開發(fā)與利用，我國的發(fā)展中心漸漸向海洋領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。臨海與內(nèi)陸的地質(zhì)條件相差較大，尤其是水環(huán)境條件更為復(fù)雜。因此，有必要對海洋地質(zhì)條件做更深一步的研究。

珊瑚在巖石學上統(tǒng)稱為礁灰?guī)r。礁灰?guī)r是構(gòu)成珊瑚礁的主體，其力學性質(zhì)決定了珊瑚礁的穩(wěn)定性[1]。礁灰?guī)r是一種特殊的巖體，一是由于其組成物質(zhì)的特殊性；二是由于其發(fā)育環(huán)境的特殊性[2]。其孔洞多、含生物化石多、結(jié)構(gòu)多變、強度差別大，可簡單分為塊狀結(jié)構(gòu)、礫塊結(jié)構(gòu)、礫屑結(jié)構(gòu)、砂屑結(jié)構(gòu)及包粒結(jié)構(gòu)[3，4]?？紤]其特殊的巖體結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致了其滲透性系數(shù)高，水力聯(lián)系強等特點。因此，根據(jù)場地的地質(zhì)條件，特別是地層特征，有針對性地比選確定基坑止水防滲帷幕型式，選擇施工工藝，使基坑支護設(shè)計和施工能做到安全、經(jīng)濟，滿足環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的要求。

海南某臨?；禹椖扛鶕?jù)地層特點采用了三軸攪拌機+高壓旋噴樁的組合模式作為止水體系。然而，在施工過程中三軸攪拌機需穿越起伏較大的珊瑚礁灰?guī)r層，造成施工過程中多次卡鉆、抱鉆的情況，較大程度上延誤了工期，造成一定的經(jīng)濟損失。為此，擬采用PFC3D離散元軟件模擬三軸攪拌機在珊瑚礁灰?guī)r中鉆進，觀察其是否會出現(xiàn)卡鉆、抱鉆的情況，并提前做出一定的風險規(guī)避與處理措施，盡可能地減少施工成本，爭取按期完工。

1 模型建立

考慮此次模擬的現(xiàn)場模型較大，如按實際尺寸進行1∶1 全比例進行數(shù)值計算，考慮現(xiàn)有的計算機處理能力，每一次計算的步長較長，花費的時間會很長。為此，可根據(jù)需要結(jié)合相似比例進行適當?shù)目s小。同濟大學周健教授已通過模型試驗結(jié)合PFC2D模擬結(jié)果驗證了PFC 軟件模型相似原理類似離心機原理，即：

式中：σ 為土體應(yīng)力；L 為模型幾何尺寸；ε 為土體應(yīng)變；E 為土體彈性模量；μ 為土體泊松比；γ 為土體重度；φ 為土體內(nèi)摩擦角；c 為土體黏聚力。

為盡可能地和現(xiàn)場試驗類似，再加上考慮攪拌機與顆粒粒徑尺寸需具有一定的尺寸差，因此采用1∶2的模型進行模擬。這樣，在數(shù)值模擬過程中，需將重力加速度提高至兩倍。此外，必須要建立合理的顆粒模型。顆粒模型應(yīng)具有以下特點：

（1）能合理反映顆粒的基本特性，顆粒相比模型應(yīng)足夠小，這樣才能忽略顆粒的尺寸效應(yīng)。

（2）根據(jù)實際情況可做必要的簡化，能用盡可能小的顆粒尺寸去模擬實際情況下的土顆粒，從而減少計算量。

考慮到上述原則，采用了圓形顆粒去模擬上覆土層，以及珊瑚礁灰?guī)r。顆粒的尺寸根據(jù)與攪拌機鉆頭位置的距離不同采用了兩種不同的尺寸：在攪拌機作用3 m 范圍內(nèi)的細顆粒最小為6 cm，最大為12 cm；離攪拌機較遠的顆粒尺寸最小為12 cm，最大為24 cm。顆粒大小隨機生成。這樣既可以盡可能地減少顆粒數(shù)目，減少計算工作量。此外，靠近攪拌機對模擬結(jié)果影響較大的顆粒采用小尺寸，也使模擬結(jié)果更為準確。

2 影響因素分析及數(shù)值模擬分組

影響珊瑚礁灰?guī)r地區(qū)三軸攪拌機可攪拌性的因素較多，如果綜合考慮各個因素的相互作用顯得較為復(fù)雜。珊瑚礁灰?guī)r是三軸攪拌機攪拌的主體部分。因此，珊瑚礁灰?guī)r的強度及厚度對三軸攪拌機的可攪拌性影響最大。其次，上覆土層的厚度會對下部珊瑚礁灰?guī)r產(chǎn)生一定的豎向壓力，間接地影響了三軸攪拌機的可攪拌性。為明確珊瑚礁灰?guī)r地區(qū)三軸攪拌機可攪拌性，結(jié)合現(xiàn)場土層實際情況，將上述影響因素進行分組類比分析，詳見表1～表3 所列。

表1 珊瑚礁灰?guī)r厚度變化的主要參數(shù)表

表2 珊瑚礁灰?guī)r強度變化的主要參數(shù)表

表3 上覆土層厚度變化的主要參數(shù)表

3 三軸攪拌機卡鉆、抱鉆條件分析

在整個數(shù)值模擬過程中，分別記錄三軸攪拌機鉆穿珊瑚礁灰?guī)r整個過程中鉆桿所受到的豎向應(yīng)力及抵抗扭矩。由于提供三軸攪拌機向下移動的動力來源于其自身重力，因此當鉆桿所受的豎向阻力大于三軸攪拌機自重時，攪拌機將無法繼續(xù)鉆進，繼而出現(xiàn)卡鉆的情況；當鉆頭附近的巖土層提供抵抗扭矩大于鉆頭自身的額定扭矩時，鉆頭也將會出現(xiàn)抱鉆的不利情況[5]。

根據(jù)三軸攪拌機性能參數(shù)給出攪拌機卡鉆的條件：

式中：F 為三軸攪拌機鉆頭所受的力；G 為三軸攪拌機的自重；W 為兩臺動力頭的總功率；v 為鉆頭豎向鉆進速度。

三軸攪拌機出現(xiàn)抱鉆的條件如下：

式中：M 為三軸攪拌機受到的彎矩大小。

4 PFC3D 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在模擬試驗過程中，每計算1 000 步就記錄一次三軸攪拌機與巖土體顆粒的相互作用顆粒分布圖，以下分別給出幾個典型階段的顆粒分布圖，見圖1所示。

圖1 典型階段的顆粒分布圖

4.1 珊瑚礁灰?guī)r厚度的影響

當灰?guī)r強度為6 MPa、上覆土層為4 m 時，得到不同灰?guī)r厚度條件下鉆頭鉆進深度與三軸攪拌機豎向抗力及抵抗彎矩的關(guān)系，如圖2 及圖3 所示。

圖2 灰?guī)r厚度、鉆進深度與豎向抗力關(guān)系圖

圖3 灰?guī)r厚度、鉆進深度與抵抗彎矩關(guān)系圖

從圖2、圖3 可以看出，三軸攪拌機由于豎向動力不足的緣故在7 m 處出現(xiàn)下沉攪拌困難情況，但此時巖土體顆粒給予攪拌樁的抵抗彎矩不足以使三軸攪拌樁出現(xiàn)抱鉆的情況，因此施工現(xiàn)場會出現(xiàn)三軸攪拌樁一直在轉(zhuǎn)動卻無法正常下潛的現(xiàn)象。隨著鉆頭的長時間轉(zhuǎn)動，鉆頭下方的巖石會漸漸損壞可在一定程度上得到一定的下潛空間。當三軸攪拌樁攪拌至7.5 m 時，攪拌樁會出現(xiàn)卡鉆、抱鉆情況，將無法進一步施工。

同時通過對比不同層厚的曲線圖可發(fā)現(xiàn)，當珊瑚礁灰?guī)r深度超過3.0 m 后，攪拌機鉆頭會達到其工作功率的極限狀態(tài)。若超過3 m 則會出現(xiàn)卡鉆、抱鉆的風險，反之，則可順利施工。

4.2 珊瑚礁灰?guī)r強度的影響

當灰?guī)r厚度為4 m、上覆土層為4 m，得到不同灰?guī)r強度條件下鉆頭鉆進深度與三軸攪拌機豎向抗力及抵抗彎矩的關(guān)系，如圖4 及圖5 所示。

圖4 灰?guī)r強度、鉆進深度與豎向抗力關(guān)系圖

從圖4、圖5 可以看出，三軸攪拌機由于豎向動力不足的緣故分別在7.3 m、7 m 及6.0 m 處出現(xiàn)卡鉆情況。由于三軸攪拌機功率不足，分別在8.0 m、7.5 m 及6.5 m 處出現(xiàn)抱鉆情況。

圖5 灰?guī)r強度、鉆進深度與抵抗彎矩關(guān)系圖

4.3 上覆土層厚度的影響

當灰?guī)r強度為6 MPa、厚度為4 m，得到不同上覆土層厚度條件下鉆頭鉆進深度與三軸攪拌機豎向抗力及抵抗彎矩的關(guān)系，如圖6 及圖7 所示。

圖6 上覆土層厚度、鉆進深度與豎向抗力關(guān)系圖

圖7 上覆土層厚度、鉆進深度與抵抗彎矩關(guān)系圖

從圖6、圖7 可以看出，三軸攪拌機由于豎向動力不足的緣故分別在6.0 m、7.0 m 及9.0 m 處出現(xiàn)卡鉆情況。由于三軸攪拌機功率不足，分別在6.0 m、7.5 m 及9.0 m 處出現(xiàn)抱鉆情況。

綜合對比上述數(shù)值模擬結(jié)果來看，灰?guī)r強度及厚度對三軸攪拌機攪拌性能影響最大。當灰?guī)r強度超過4 MPa，厚度超過3 m 后，三軸攪拌機豎向抗力及抵抗彎矩達到其自身性能極限，會出現(xiàn)卡鉆、抱鉆情況。由于上覆土層相對于珊瑚礁灰?guī)r而言土質(zhì)較差，對于三軸攪拌機來說不足以限制其攪拌性能，都能打穿上覆土層，進入灰?guī)r3 m 后才出現(xiàn)卡鉆、抱鉆情況。

5 模擬規(guī)律與現(xiàn)場施工情況對比

2013 年，在海南某工程三軸攪拌樁的施工現(xiàn)場，詳細記錄了三軸攪拌樁攪拌珊瑚礁灰?guī)r層的施工過程。其中某一區(qū)域通過前期勘察獲知詳細地勘信息如下：上覆土層厚度約為4 m，珊瑚礁灰?guī)r厚度約為5 m，強度為6 MPa。

三軸攪拌樁在上覆土層中攪拌時，分別在2.8 m和3.5 m 處出現(xiàn)兩次攪拌樁較難轉(zhuǎn)動的情況，但通過上提攪拌樁后再繼續(xù)施打攪拌樁的措施，三軸攪拌樁得以繼續(xù)施工并較易地打穿上覆土層進入珊瑚礁灰?guī)r層。剛進入灰?guī)r層時，三軸攪拌樁的豎向下潛速度開始減小，處于緩慢下降狀態(tài)，在4.5 m 和6.3 m處出現(xiàn)了攪拌樁空轉(zhuǎn)，豎向位移極小的現(xiàn)象。通過上提攪拌樁，運走部分較大灰?guī)r的處理之后，攪拌樁順利打入到7 m 左右處（即珊瑚礁灰?guī)r深3 m 處）。此后三軸攪拌樁空轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯，豎向幾乎沒有位移，幾乎沒有下潛空間。通過多次上提和外運巖土渣后，三軸攪拌樁才有微小的下潛可能，而且下潛速度極慢，施工較為困難。直到攪拌樁打入到7.5 m 處，攪拌樁直接卡鉆、抱鉆，無法上提和繼續(xù)攪拌。只能通過外力措施鑿至珊瑚礁灰?guī)r層外運阻礙攪拌樁施工的較大珊瑚礁塊體，三軸攪拌樁才得以順利上提。

根據(jù)現(xiàn)場的施工記錄并對比數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該模擬成果與現(xiàn)場的施工日志記錄內(nèi)容較為符合。

6 總結(jié)

本文利用PFC3D離散元軟件對珊瑚礁灰?guī)r地區(qū)三軸攪拌樁可攪拌性能進行研究分析，并結(jié)合現(xiàn)場施工情況得到以下結(jié)論。

（1）對于含珊瑚礁灰?guī)r地區(qū)影響三軸攪拌樁可攪拌性能的因素很多，珊瑚礁灰?guī)r厚度、強度，以及上覆土層的性質(zhì)對于三軸攪拌樁可攪拌性能的影響較大。

（2）結(jié)合離散元軟件PFC3D將巖土體離散成不同大小的顆粒，并模擬出珊瑚礁灰?guī)r厚度、強度，以及上覆土層厚度等影響因素影響下的三軸攪拌樁可攪拌過程，并分析出各個因素對于三軸攪拌樁可攪拌型的影響效應(yīng)。

（3）通過PFC3D離散元軟件的計算分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：珊瑚礁灰?guī)r的厚度、強度對于含珊瑚礁灰?guī)r地區(qū)的三軸攪拌樁的可攪拌性能影響極大，尤其是珊瑚礁灰?guī)r強度的影響尤為明顯，而上覆土層厚度的影響效應(yīng)則較小。通過具體模擬數(shù)值發(fā)現(xiàn)，當珊瑚礁灰?guī)r強度大于6 MPa，厚度超過3 m 時，在珊瑚礁灰?guī)r層的三軸攪拌樁卡、抱鉆的概率陡然增大。隨著上覆土層厚度的增加，三軸攪拌樁卡、抱鉆的概率則基本沒有影響。

（4）在影響三軸攪拌樁可攪拌性的三因素中，珊瑚礁灰?guī)r強度的影響效應(yīng)為第一位的，珊瑚礁灰?guī)r厚度為第二位，上覆土層的厚度的影響效應(yīng)則最微小。因此，在實際施工過程中遇到性質(zhì)較好的珊瑚礁灰?guī)r層時，現(xiàn)場應(yīng)做好預(yù)先處理措施，以免發(fā)生三軸攪拌樁卡、抱鉆情況，造成施工進度延誤和巨大的經(jīng)濟損失。