排水條件下土性參數(shù)對(duì)注漿孔擴(kuò)張曲線的影響

晏云韜 陳丹丹 錢玉林

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

排水條件下土性參數(shù)對(duì)注漿孔擴(kuò)張曲線的影響

晏云韜 陳丹丹 錢玉林

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

基于有限元軟件ABAQUS，建立考慮地應(yīng)力的軸對(duì)稱模型，對(duì)排水條件下壓密注漿小孔擴(kuò)張過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改變土體力學(xué)參數(shù)和注漿壓力，研究排水條件下不同土性參數(shù)對(duì)小孔擴(kuò)張時(shí)壓力—擴(kuò)張曲線的影響，為壓密注漿法在地基加固工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒。

土體，注漿壓力，彈性模量，位移場

壓密注漿是使用稠度極高的水泥漿或砂漿注入地基中，對(duì)注漿孔周圍土體產(chǎn)生擠壓形成球形或柱形漿泡，使土體孔隙減小，提高了密實(shí)性和力學(xué)性能的一種地基加固方法，見圖1。在壓密注漿過程中，柱形漿泡半徑的產(chǎn)生與發(fā)展受上覆蓋重、地應(yīng)力、注漿壓力、工程地質(zhì)等諸多因素影響。本文旨在通過在完全排水條件下均質(zhì)土中壓密注漿數(shù)值模擬來形象的揭示地應(yīng)力、注漿壓力、土體的力學(xué)指標(biāo)對(duì)漿泡產(chǎn)生與發(fā)展的影響。

1 模型的建立與基本假設(shè)

1)本文計(jì)算模型的基本假設(shè)如下：a.土體為均質(zhì)、各向同性體，土的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，網(wǎng)格單元類型為CAX4；b.注漿壓力簡化為柔性荷載作用在注漿小孔側(cè)壁上，每段注漿長度為1 m；c.考慮土體初始地應(yīng)力場的作用；d.不考慮注漿過程中土體固結(jié)。

2)計(jì)算模型尺寸與邊界條件。本文以一個(gè)注漿孔為研究對(duì)象，土體尺寸取為直徑為10 m、高10 m的圓柱體，注漿管直徑為25 mm，建立軸對(duì)稱模型。壓密注漿見圖1，模型底部固定，外側(cè)限制水平位移，具體見圖2。

2 地應(yīng)力場對(duì)土體中位移場影響分析

本文此處采用的土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。通過在不同深度處土體施加側(cè)向注漿壓力來反映地用力場對(duì)土體的影響。通過試算分析得到極限擴(kuò)孔壓力、擴(kuò)孔半徑等。不同注漿深度處土體的擴(kuò)張曲線見圖3。相同注漿壓力(p=300 kPa)與土性參數(shù)、不同注漿深度對(duì)水平位移的影響見圖4，圖5。

表1 材料參數(shù)

材料c/kPaφ/(°)E/MPaμγ/kN·m-3eγwψ/(°)土體102510.00.318.50.87100

從圖3中可以看出，其他條件相同，當(dāng)注漿深度增大時(shí)極限擴(kuò)孔壓力增大，但極限擴(kuò)孔半徑相近。從圖4，圖5中可以看出，相同注漿壓力條件下，隨著注漿深度的增加，土體的水平位移明顯減小。

3 彈性模量對(duì)土體中位移場影響分析

本文此處僅改變土的彈性模量：10 MPa，15 MPa，20 MPa，25 MPa。其余參數(shù)同表1；注漿深度h=7 m。彈性模量對(duì)注漿孔擴(kuò)張曲線的影響見圖6。p=300 kPa時(shí)水平向位移數(shù)值模擬結(jié)果見圖7，圖8。

從圖6中可以看出，彈性模量對(duì)注漿孔極限擴(kuò)孔壓力有一定的影響，但對(duì)極限擴(kuò)孔半徑影響較小。從圖7，圖8中可以看出，相同注漿壓力條件下，土體的水平位移與塑性區(qū)半徑均減小。

4 土體凝聚力與內(nèi)摩擦角對(duì)土體中位移場的影響分析

取h=7 m,E=10 MPa進(jìn)行分析比較，其余參數(shù)同表1。取c=10 kPa，φ=20°，25°，30°，35°計(jì)算土體中位移場，其注漿孔擴(kuò)張曲線見圖9，取φ=25°，c=10 kPa，15 kPa，20 kPa，25 kPa計(jì)算土體中位移場,其注漿孔擴(kuò)張曲線見圖10，p=300 kPa時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果見圖11～圖14。

1)p=300 kPa，c=10 kPa時(shí)土體中的位移場。

2)p=300 kPa，φ=25°時(shí)土體中的位移場。

從以上圖中可以看出，土體強(qiáng)度對(duì)柱孔擴(kuò)張有很大影響，隨著土體強(qiáng)度增加，其擴(kuò)張所需的極限擴(kuò)張力隨之增加，但相應(yīng)的極限擴(kuò)孔半徑有減小趨勢。相同荷載條件下，隨著土體強(qiáng)度指標(biāo)增大土體的水平位移和塑性區(qū)均減小。

5 土體剪脹角對(duì)土體中位移場的影響分析

取h=5 m，Es=10 MPa,c=10 kPa，φ=25°，本文此處僅改變土的剪脹角：ψ=0°，5°，10°，15°，20°進(jìn)行分析比較。剪脹角對(duì)注漿孔擴(kuò)張曲線的影響見圖15。p=300 kPa時(shí)土體的水平向位移場見圖16，圖17。從圖15中可以看出，當(dāng)土的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)一定時(shí)，隨著土的剪脹角的增加，排水條件下柱孔擴(kuò)張所需的極限擴(kuò)張力隨著剪脹角的增加而增加，極限擴(kuò)孔半徑也隨著剪脹角的增加而增加。從圖16，圖17可以看出，注漿壓力相同時(shí)，隨著剪脹角的增大，注漿孔擴(kuò)孔半徑明顯減小。

6 結(jié)語

1)壓密注漿時(shí)隨著注漿壓力的增加,擴(kuò)孔半徑不斷增大。擴(kuò)孔初期,壓力—擴(kuò)張曲線較為平緩，當(dāng)注漿壓力接近極限值時(shí)，擴(kuò)孔半徑迅速增加，實(shí)際上此時(shí)土體發(fā)生破壞，漿泡轉(zhuǎn)變?yōu)闈{脈并不斷發(fā)展，壓密注漿轉(zhuǎn)變?yōu)榕炎{。2)地應(yīng)力的大小對(duì)極限注漿壓力有較大影響，當(dāng)?shù)貞?yīng)力增大時(shí)，極限注漿壓力也增大，但對(duì)極限擴(kuò)孔半徑影響很小，這說明雖然在均質(zhì)土體中壓密注漿時(shí)不同深度所需采用的注漿壓力不同，但都可以達(dá)到相近的擴(kuò)孔半徑。3)土體的彈性模量對(duì)壓密注漿壓力—擴(kuò)張曲線的影響與地應(yīng)力相似。彈性模量的大小對(duì)極限擴(kuò)孔壓力有一定影響，對(duì)極限擴(kuò)孔半徑影響很小。4)土體的強(qiáng)度增加時(shí)，極限擴(kuò)孔壓力也增加，極限擴(kuò)孔半徑有減小趨勢。5)土的剪脹角對(duì)極限擴(kuò)孔壓力有非常顯著的影響，隨著剪脹角的增大，極限擴(kuò)孔壓力顯著增長，極限擴(kuò)孔半徑也明顯增加。這說明排水條件下土的強(qiáng)度和密實(shí)度對(duì)壓密注漿孔擴(kuò)張的極限擴(kuò)張力產(chǎn)生顯著的影響，在實(shí)際工程應(yīng)用中或數(shù)值計(jì)算中如果忽略這種影響將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

[1] 楊曉東.錨固與注漿技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國電力出版社,2010.

[2] 費(fèi) 康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[3] 余海歲.巖土介質(zhì)小孔擴(kuò)張理論[M].周國慶，譯.北京：科學(xué)出版社,2013.

Abstract: Based on finite element software ABAQUS, establishing axial symmetry model by considering ground stress, the paper carries out numerical simulation for compaction grouting holes expanding process under drainage conditions. Through changing soil mechanical parameters and grouting pressure, it studies the impact of different soil property parameters upon small-hole grouting expansion curve under drainage conditions, which has provided some guidance for applying compaction grouting method in foundation reinforcement engineering field.

Key words: soil, casting pressure, elastic modulus, displacement field

Impact of soil property parameter upon grouting expansion curve under drainage conditions

Yan Yuntao Chen Dandan Qian Yulin

(CollegeofBuildingScience&Engineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225000,China)

2016-03-15

晏云韜(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2016)15-0059-02

TU411.3

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