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)

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成樁過程對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)場土性參數(shù)試驗值，模擬上海近郊某鐵路路基工程中MMP樁成樁過程，計算得到了成樁過程的超孔壓產(chǎn)生、增長及消散情況，并與現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比，兩者變化趨勢基本一致，吻合得比較好。對平整地基MMP樁擴孔也進行了數(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

近年來我國鐵路多次進行了大面積提速，提速后的列車對地基沉降的要求更嚴格，導(dǎo)致一些既有線路段地基不滿足強度和變形要求，需進行地基處理。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樁在施工過程中，鉆桿上的兩組攪拌葉片同時正、反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土成樁。正反葉片切碎土體、噴漿過程中，對樁周土體產(chǎn)生擾動，可能會對既有線產(chǎn)生較大影響，因此需要研究MMP成樁過程對樁周土體的擾動。

國內(nèi)外對MMP樁的研究主要集中在試驗研究、施工技術(shù)及工程應(yīng)用方面［2-5］，而對其數(shù)值模擬方面的研究很少。為了能夠準確反映成樁過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，通過軟件ABAQUS建立有限元模型，在有路堤和無路堤情況下對MMP樁成樁過程進行數(shù)值模擬，將不同情況下計算得到的超孔隙水壓產(chǎn)生、消散過程進行對比，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比。

1 打樁過程數(shù)值模擬方法

靜壓樁的數(shù)值模擬方法一般采用圓孔擴張理論［6］，將沉樁過程看成圓孔擴張過程，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樁成樁過程看成擴孔的過程，如圖1所示。MMP樁在施工過程中，由于攪拌葉片同時正、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計算。

圖1 MMP樁成樁過程的模擬方法

2 MMP樁與靜壓樁數(shù)值模擬

2.1 施工現(xiàn)場概況及計算簡圖

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樁進行地基加固，并進行了現(xiàn)場實測試驗。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算簡圖。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，將計算土體分成5層，每層土性有一定差別，故其計算參數(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，擴孔通過改變孔內(nèi)壁位移邊界來實現(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)變孔壓單元，路堤單元采用平面應(yīng)變單元。即地基考慮水土耦合，而路堤假定單相介質(zhì)。無路堤地基土計算參數(shù)與路堤的地基土參數(shù)一致。

圖2 現(xiàn)場斷面計算示意(單位：m)

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2 計算參數(shù)

2.2.1 路堤及地基土的模型計算參數(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，計算參數(shù)如表2所示。其中模型參數(shù)值是根據(jù)試驗結(jié)果、上海地區(qū)長期的工程經(jīng)驗數(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，由于實際施工現(xiàn)場地基有水平細砂或粉砂夾層，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，比一般實驗室測得上海軟土的滲透系數(shù)要大。

表1 路堤計算參數(shù)

表2 修正劍橋模型參數(shù)

2.2.2 擴孔位移量的確定

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，成樁過程的模擬是通過位移邊界的設(shè)置來實現(xiàn)。MMP樁施工過程是攪拌機先切土下沉，再上提噴漿攪動成樁，為了更好地模擬成樁過程，將18 m長的樁分成6段逐步擴孔，每段3 m，分兩個過程擴孔，即先從上至下分段擴孔(對應(yīng)下沉過程)，再由下至上分段擴孔(對應(yīng)上提過程)。而擴孔總位移量Δr則是根據(jù)注入的水泥漿量與擴孔產(chǎn)生的體積量相等的原則來確定，如圖4所示。

圖4 噴漿擴孔示意

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)，可得擴孔位移量Δr≈0.026 m。

3 現(xiàn)場測試結(jié)果及計算結(jié)果

在施工現(xiàn)場，如圖2所示，孔壓計埋設(shè)點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C，D。圖5和圖6分別是成樁時測點A，B和測點C，D的實測超孔隙水壓變化值。

圖7是無路堤和有路堤情況下MMP成樁過程中對應(yīng)測點A，B的數(shù)值模擬超孔壓變化曲線，圖8是無路堤和有路堤情況下MMP成樁過程中對應(yīng)測點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個峰值，18 m處有1個峰值，這是因為MMP樁成樁過程是先下沉后上提的關(guān)系，當靠近測點時，該點超孔壓會上升并達到峰值，當離開測點時，超孔壓又會下降。成樁過程中有2次經(jīng)過10 m處，于是出現(xiàn)2個峰值，而樁長只有18 m時，成樁過程只有1次經(jīng)過該深度，因此只有1個峰值。

將圖5和圖7(b)、圖6和圖8(b)對比，即將現(xiàn)場實測的因成樁引起的超孔壓和數(shù)值模擬結(jié)果對比，可以看到數(shù)值模擬中超孔壓達到第一個峰值前，產(chǎn)生的負超孔壓比實測結(jié)果大很多，這是因為數(shù)值模擬中預(yù)留的樁孔孔壁被約束住，而擴孔的時候約束瞬間解除，相當于卸荷作用，產(chǎn)生負的超孔壓，隨著擴孔的繼續(xù)，靠近測點時，負孔壓消失，正孔壓產(chǎn)生。除去這個因素，實測超孔壓變化與模擬結(jié)果曲線趨勢基本一致。

從圖7和圖8中可以看出，無路堤情況下的超孔壓值比有路堤情況下的值大。這是因為在同一時間內(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路堤情況下的小。

圖9是在無路堤和有路堤情況下，成樁剛結(jié)束時各深度處的豎向位移情況。從圖9(a)中可以看出，無路堤情況下，擴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路堤情況下小，這是因為地基土在路堤荷載的作用下，有一定的壓實度，孔隙體積減小，導(dǎo)致擴孔引起的位移減小。

圖5 MMP樁成樁過程中現(xiàn)場實測超孔壓值(10 m深處)

圖6 MMP樁成樁過程中現(xiàn)場實測超孔壓值(18 m深處)

圖7 MMP樁成樁過程中超孔壓變化(10 m處)

圖8 MMP樁成樁過程中超孔壓變化(18 m處)

圖9 M MP樁成樁剛結(jié)束時各深度處的豎向位移

4 結(jié)論

1)采用先從上到下分步擴孔、再由下到上分步擴孔的方法，模擬MMP樁施工過程。地基土采用修正劍橋模型，使用軟件ABAQUS，在有路堤和無路堤情況下建立有限元模型對MMP樁施工過程進行了彈塑性水土耦合數(shù)值分析，得到了成樁過程中超孔隙水壓變化情況，結(jié)果表明無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)本文采用擴孔體積與水泥漿注入量相等的方法來計算擴孔量，成樁過程中得出的超孔壓數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(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，為進一步研究MMP樁性能及其設(shè)計施工提供有用的數(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。

(責任審編 王天威)