砂砾石地基注浆加固效果影响因素有限元分析

伦冠贵

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥230000）

砂砾石地层在我国的分布非常广泛，其颗粒间几乎没有任何联结性，容易使建筑物发生透水、管涌甚至垮塌等对工程不利的问题。如果砂砾石地基不能满足设计要求，应采取适当的地基加固处理措施，以确保建筑物地基的稳定。

注浆加固地基是近年来水利枢纽工程建设中砂砾石地基加固处理的一种常用方法，它通过向地层中注入浆液，使土粒胶结，改变土的性质，用以提高承载力、减少沉降、增加稳定性，从而提高地基土的使用功能。

但是，由于影响注浆加固区强度的因素很多，注浆参数的选取也有很多不确定性。

因而，对于建在砂砾石地基上的水工建筑物而言，能够对地基加固效果的影响因素进行理论分析，对以后类似的工程具有现实性的指导意义。

本文将利用有限元分析软件ANSYS 对影响砂砾石地基注浆加固效果的注浆深度、面积置换率、加固区弹性模量等主要因素进行数值模拟分析，讨论不同因素对加固效果的不同影响，对工程实践作一个参考。

1 有限元计算模型的建立

本文将以2×2 注浆孔的复合地基作为典型模型进行有限元分析，并在对分析结果不造成大的影响的前提下，在建立模型过程中忽略一些次要的影响因素，对计算模型作以下假定及简化：

1.1 假定浆液呈圆柱形扩散，把浆液及其扩散区所形成的注浆加固区作为整体考虑，近似地认为圆柱形注浆桩，并按照等面积替换的原则将圆形截面以正方形代替，替换后的三维分析模型见图1。

1.2 假定注浆加固区与砂砾石层界面无相对滑动，即不设置界面接触单元。

1.3 注浆体凝固后刚度较大，故按线弹性材料计算，符合广义虎克定律；砂砾石层按弹塑性材料计算，模型采用D-P 准则分析计算。

1.4 计算边界的底部取至注浆加固区底1.5 倍处，水平方向取至基础边缘3 倍处。利用模型的对称性，实际模拟计算时计算区域取模型的1/4。

1.5 侧向边界采用水平约束，底部边界采用竖向约束，上边界为自由边界。

2 有限元模型网格划分

三维实体模型建好以后对其单元属性及网格参数进行设置，并生成有限元网格，计算区域取模型的1/4，模型单元采用SOLID45，划分好的有限元网格模型如图2 所示，计算中各材料的属性参数见表1。

图1 三维模型计算简图

图2 1/4 三维模型网格划分图

表1 计算材料参数表

3 加固效果影响因素分析

在本文分析中，除注浆深度因素分析外，注浆深度取10m；除注浆体弹性模量的因素分析外，注浆体弹性模量取1000MPa，除面积置换率的因素分析外，置换率为11.1%。

3.1 注浆深度对加固效果的影响

本文通过取注浆深度分别为4m，6m，8m，10m，12m，14m，16m时的计算结果来分析了注浆加固地基的承载性状随注浆深度的不同而产生的变化。图3 为地基沉降量随注浆深度变化的曲线图。

图3 地基沉降量随注浆深度变化曲线图

从图中可以看出：

（1）随着注浆深度的增加，地基的沉降量不断减小。这是因为随着注浆深度的增加，注浆加固区的侧阻力逐渐得到发挥，加固区间土中就会有更多的荷载通过侧阻力转移到注浆加固区，由此使加固地基的承载力得到增加，沉降量减小。这说明通过增加注浆深度来提高地基承载力、减小地基沉降量是一种有效的方法。（2）注浆深度较小时，沉降量减小的幅度比较大，但当注浆深度超过一定范围后，沉降量减小的趋势有所减缓，减小的效果不如注浆较浅时显著。这说明注浆加固地基时不能单纯依靠增加注浆深度的方法来提高地基的承载力，这里面还存在着一个临界深度的问题。当注浆深度达到临界值后，再通过增加注浆深度来提高地基承载力、减小沉降就显得工程量大而且不经济。通过分析可知，砂砾石地基中，临界注浆深度一般在10m 左右。因此，注浆深度不宜过小，也不宜过大，应以达到最优注浆深度为宜。

3.2 面积置换率对加固效果的影响

本文通过改变注浆孔间距的方法来改变注浆加固地基的面积置换率，从而分析面积置换率的不同对注浆加固地基所造成的不同影响。本文选取的面积置换率分别为5.8%、11.1%、22.3%、34.9%、50.2%。图4 为注浆加固地基沉降量随不同面积置换率变化的曲线图。

图4 地基沉降量随面积置换率变化曲线图

从图中可以看出：

（1）随着面积置换率的增加，地基的沉降量不断减小。这是因为面积置换率越大，注浆加固区承担的荷载也相应增大，使加固区间土承担的荷载变小，因此地基沉降量减小。（2）荷载水平越高，相同置换率下地基沉降量越大。在置换率较低时，随着置换率的增加，沉降减小的效果较为显著；置换率较高时，随着置换率的进一步增大，曲线变得较为平缓，说明沉降减小效果不再显著。这是因为当置换率过大时，由于加固区的距离太近，反而不利于发挥加固区间土的承载潜力，从而加固堤基的承载力得不到有效的提高，因此沉降量减小不再明显。通过分析可知，砂砾石地基中，临界面积置换率一般在35%左右。因此，注浆孔的间距应以达到最优置换率为宜。

3.3 注浆加固区弹性模量对加固效果的影响

注浆浆液的材料、配比不同，会造成加固地基后加固区的弹性模量也不同。本文通过取地基注浆加固后加固区弹性模量分别 为 300MPa、500MPa、800MPa、1000MPa、1500MPa、2000MPa、3000MPa 时的计算结果来分析注浆加固效果随注浆体弹性模量变化的影响。图5 为注浆加固地基沉降量随注浆加固区弹性模量变化的曲线图。

图5 地基沉降量随注浆加固区弹性模量变化曲线图从图中可以看出：

（1）随着注浆加固区弹性模量大增大，加固地基的沉降变小。注浆加固区的弹性模量越大，沉降越小；加固区的弹性模量越小，沉降越大。这是因为加固区的弹性模量越大，其分担的荷载也越大，使加固区间土分担的荷载变小，承载力相对降低，因此沉降随之降低。（2）施加荷载越大，沉降随弹性模量变化的曲线越陡。这说明在荷载水平较高的情况下，通过增加加固区的弹性模量能有效的减小地基的沉降；在荷载水平较低的情况下，增加加固区的弹性模量并没有起到很好的加固效果。（3）当加固区的弹性模量小于1000MPa 时，加固地基沉降量随加固区弹性模量的增大而减小且减小的幅度较大，变化曲线比较陡；随着加固区弹性模量的继续增大，加固地基沉降量减小的幅度大大变小，变化曲线开始变得比较平缓，沉降减小效果不再显著。因此，在对地层进行注浆加固之前，应尽可能地对加固地层进行模拟试验，以测得加固后最优的弹性模量，达到既减小工程成本又得到最好的加固效果的目的。

4 结论

通过分析可以看出，建立三维有限元模型计算可以较好的对影响注浆加固地基效果的主要影响因素进行分析，增加注浆深度、增加面积置换率以及加大注浆加固区的弹性模量都能够使加固效果变得良好，但这里面也都有一个度的问题，超过了一定的限度，则不但不能够对加固效果起更加显著的作用，反而对工程的成本控制不利。因而，在工程设计中，应主要控制这个三个影响因素，掌握最优的注浆深度、弹性模量、面积置换率，这样才既能起到最好的加固效果，又能节省工程投资，节约经济成本。