排水条件下土性参数对注浆孔扩张曲线的影响

晏云韬 陈丹丹 钱玉林

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225000)

排水条件下土性参数对注浆孔扩张曲线的影响

晏云韬 陈丹丹 钱玉林

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225000)

基于有限元软件ABAQUS，建立考虑地应力的轴对称模型，对排水条件下压密注浆小孔扩张过程进行数值模拟，通过改变土体力学参数和注浆压力，研究排水条件下不同土性参数对小孔扩张时压力—扩张曲线的影响，为压密注浆法在地基加固工程领域的应用提供借鉴。

土体，注浆压力，弹性模量，位移场

压密注浆是使用稠度极高的水泥浆或砂浆注入地基中，对注浆孔周围土体产生挤压形成球形或柱形浆泡，使土体孔隙减小，提高了密实性和力学性能的一种地基加固方法，见图1。在压密注浆过程中，柱形浆泡半径的产生与发展受上覆盖重、地应力、注浆压力、工程地质等诸多因素影响。本文旨在通过在完全排水条件下均质土中压密注浆数值模拟来形象的揭示地应力、注浆压力、土体的力学指标对浆泡产生与发展的影响。

1 模型的建立与基本假设

1)本文计算模型的基本假设如下：a.土体为均质、各向同性体，土的本构关系采用Mohr-Coulomb模型，网格单元类型为CAX4；b.注浆压力简化为柔性荷载作用在注浆小孔侧壁上，每段注浆长度为1 m；c.考虑土体初始地应力场的作用；d.不考虑注浆过程中土体固结。

2)计算模型尺寸与边界条件。本文以一个注浆孔为研究对象，土体尺寸取为直径为10 m、高10 m的圆柱体，注浆管直径为25 mm，建立轴对称模型。压密注浆见图1，模型底部固定，外侧限制水平位移，具体见图2。

2 地应力场对土体中位移场影响分析

本文此处采用的土体物理力学指标见表1。通过在不同深度处土体施加侧向注浆压力来反映地用力场对土体的影响。通过试算分析得到极限扩孔压力、扩孔半径等。不同注浆深度处土体的扩张曲线见图3。相同注浆压力(p=300 kPa)与土性参数、不同注浆深度对水平位移的影响见图4，图5。

表1 材料参数

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

从图3中可以看出，其他条件相同，当注浆深度增大时极限扩孔压力增大，但极限扩孔半径相近。从图4，图5中可以看出，相同注浆压力条件下，随着注浆深度的增加，土体的水平位移明显减小。

3 弹性模量对土体中位移场影响分析

本文此处仅改变土的弹性模量：10 MPa，15 MPa，20 MPa，25 MPa。其余参数同表1；注浆深度h=7 m。弹性模量对注浆孔扩张曲线的影响见图6。p=300 kPa时水平向位移数值模拟结果见图7，图8。

从图6中可以看出，弹性模量对注浆孔极限扩孔压力有一定的影响，但对极限扩孔半径影响较小。从图7，图8中可以看出，相同注浆压力条件下，土体的水平位移与塑性区半径均减小。

4 土体凝聚力与内摩擦角对土体中位移场的影响分析

取h=7 m,E=10 MPa进行分析比较，其余参数同表1。取c=10 kPa，φ=20°，25°，30°，35°计算土体中位移场，其注浆孔扩张曲线见图9，取φ=25°，c=10 kPa，15 kPa，20 kPa，25 kPa计算土体中位移场,其注浆孔扩张曲线见图10，p=300 kPa时数值模拟结果见图11～图14。

1)p=300 kPa，c=10 kPa时土体中的位移场。

2)p=300 kPa，φ=25°时土体中的位移场。

从以上图中可以看出，土体强度对柱孔扩张有很大影响，随着土体强度增加，其扩张所需的极限扩张力随之增加，但相应的极限扩孔半径有减小趋势。相同荷载条件下，随着土体强度指标增大土体的水平位移和塑性区均减小。

5 土体剪胀角对土体中位移场的影响分析

取h=5 m，Es=10 MPa,c=10 kPa，φ=25°，本文此处仅改变土的剪胀角：ψ=0°，5°，10°，15°，20°进行分析比较。剪胀角对注浆孔扩张曲线的影响见图15。p=300 kPa时土体的水平向位移场见图16，图17。从图15中可以看出，当土的各项强度指标一定时，随着土的剪胀角的增加，排水条件下柱孔扩张所需的极限扩张力随着剪胀角的增加而增加，极限扩孔半径也随着剪胀角的增加而增加。从图16，图17可以看出，注浆压力相同时，随着剪胀角的增大，注浆孔扩孔半径明显减小。

6 结语

1)压密注浆时随着注浆压力的增加,扩孔半径不断增大。扩孔初期,压力—扩张曲线较为平缓，当注浆压力接近极限值时，扩孔半径迅速增加，实际上此时土体发生破坏，浆泡转变为浆脉并不断发展，压密注浆转变为劈裂注浆。2)地应力的大小对极限注浆压力有较大影响，当地应力增大时，极限注浆压力也增大，但对极限扩孔半径影响很小，这说明虽然在均质土体中压密注浆时不同深度所需采用的注浆压力不同，但都可以达到相近的扩孔半径。3)土体的弹性模量对压密注浆压力—扩张曲线的影响与地应力相似。弹性模量的大小对极限扩孔压力有一定影响，对极限扩孔半径影响很小。4)土体的强度增加时，极限扩孔压力也增加，极限扩孔半径有减小趋势。5)土的剪胀角对极限扩孔压力有非常显著的影响，随着剪胀角的增大，极限扩孔压力显著增长，极限扩孔半径也明显增加。这说明排水条件下土的强度和密实度对压密注浆孔扩张的极限扩张力产生显著的影响，在实际工程应用中或数值计算中如果忽略这种影响将会产生较大的误差。

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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

晏云韬(1991- )，男，在读硕士

1009-6825(2016)15-0059-02

TU411.3

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