MMP桩湿喷法施工引起路基超孔压和位移的数值模拟
2012-02-02陈瑶瑶孙德安
陈瑶瑶，孙德安
(上海大学土木工程系，上海 200072)
MMP桩湿喷法施工引起路基超孔压和位移的数值模拟
陈瑶瑶，孙德安
(上海大学土木工程系，上海 200072)
多方位立体双向搅拌桩(MMP桩)是水泥土搅拌均匀成桩质量高的一种地基处理方法。为了研究路基工程中MMP成桩过程对桩周土体超孔压的变化，使用有限元软件ABAQUS，建立有限元模型，采用Biot固结理论和修正剑桥模型以及现场土性参数试验值，模拟上海近郊某铁路路基工程中MMP桩成桩过程，计算得到了成桩过程的超孔压产生、增长及消散情况，并与现场实测结果进行对比，两者变化趋势基本一致，吻合得比较好。对平整地基MMP桩扩孔也进行了数值模拟，将得到的超孔压变化情况和沉降情况与路基工程对比，结果表明：路基工程由于路堤荷载的作用，地表沉降有突变，超孔压值比平整地基偏小。
多方位立体双向搅拌桩 湿喷法 剑桥模型 超孔隙水压
近年来我国铁路多次进行了大面积提速，提速后的列车对地基沉降的要求更严格，导致一些既有线路段地基不满足强度和变形要求，需进行地基处理。地基加固方法很多，多方位立体双向搅拌桩(Multidirection tridimensional bidirectional mixing pile，简称MMP桩)［1］是一种成桩质量较高的水泥土搅拌桩。MMP桩在施工过程中，钻杆上的两组搅拌叶片同时正、反向旋转搅拌水泥土成桩。正反叶片切碎土体、喷浆过程中，对桩周土体产生扰动，可能会对既有线产生较大影响，因此需要研究MMP成桩过程对桩周土体的扰动。
国内外对MMP桩的研究主要集中在试验研究、施工技术及工程应用方面［2-5］，而对其数值模拟方面的研究很少。为了能够准确反映成桩过程及成桩后黏性土体中的孔隙水压产生和消散与土骨架变形的相互关系，并且考虑土的三维变形特性，本文采用Biot固结理论和考虑了三维变形特性的修正剑桥模型，通过软件ABAQUS建立有限元模型，在有路堤和无路堤情况下对MMP桩成桩过程进行数值模拟，将不同情况下计算得到的超孔隙水压产生、消散过程进行对比，并将数值模拟结果与现场实测结果进行对比。
1 打桩过程数值模拟方法
静压桩的数值模拟方法一般采用圆孔扩张理论［6］，将沉桩过程看成圆孔扩张过程，而由于MMP桩是切碎土体并向土体中注入水泥浆搅拌成桩，因此在ABAQUS中也可以将MMP桩成桩过程看成扩孔的过程，如图1所示。MMP桩在施工过程中，由于搅拌叶片同时正、反向旋转的压浆作用阻断水泥浆上冒，消除了冒浆现象，地面仅隆起少量松散土体，土体中未发现有水泥浆存在［2］。因此，孔半径r的增大量Δr根据扩孔产生的体积变化量与注入的水泥浆体积相等的原则来计算。
图1 MMP桩成桩过程的模拟方法
2 MMP桩与静压桩数值模拟
2.1 施工现场概况及计算简图
上海郊区某铁路线为了提速，需要增加路堤的稳定性，并减小地基沉降，因此在既有线旁用MMP桩进行地基加固，并进行了现场实测试验。既有线路堤的上表面宽8.0 m，下表面宽17.0 m，高3.5 m。MMP桩直径D=0.5 m，桩长L=18 m，在路堤坡脚旁打入，桩心离坡脚0.75 m。
图2是路基工程的断面计算简图。既有线路堤的上表面宽8.0 m，下表面宽17.0 m，高3.5 m。地基部分土体水平和竖向计算区域分别为60 m和24 m，根据上海软土典型分层情况，将计算土体分成5层，每层土性有一定差别，故其计算参数不同。为了建模方便，将土层①和②合并为一层，并取土层②的计算参数。地基土体上表面为自由边界，下表面竖向固定，左侧和右侧水平方向固定，扩孔通过改变孔内壁位移边界来实现。地基土上表面为透水边界，其他为不透水边界。
图3是无路堤和有路堤情况下的有限元模型网格划分图。地基土单元类型采用平面应变孔压单元，路堤单元采用平面应变单元。即地基考虑水土耦合，而路堤假定单相介质。无路堤地基土计算参数与路堤的地基土参数一致。
图2 现场断面计算示意(单位：m)
图3 有限元模型网格划分
2.2 计算参数
2.2.1 路堤及地基土的模型计算参数
路堤结构包括厚度为0.6 m的基床表层、厚度为0.9 m的基床底层和厚度为2.0 m的路堤本体。假定路堤为弹性材料，计算参数如表1所示。
地基土的本构模型采用修正剑桥模型，计算参数如表2所示。其中模型参数值是根据试验结果、上海地区长期的工程经验数据及相关规范而确定的［7］。假定地下水位在地基土表面，由于实际施工现场地基有水平细砂或粉砂夹层，渗透路径比较多，渗透比较快，因此取渗透系数k=2.5×10－7m/s，比一般实验室测得上海软土的渗透系数要大。
表1 路堤计算参数
表2 修正剑桥模型参数
2.2.2 扩孔位移量的确定
工程中MMP桩施工采用湿喷法，每延米水泥喷量约为50 kg，水灰比 W/C=0.5，水泥相对密度是3.1。
在软件ABAQUS中建立模型，桩的初始半径设置为r=0.25 m，成桩过程的模拟是通过位移边界的设置来实现。MMP桩施工过程是搅拌机先切土下沉，再上提喷浆搅动成桩，为了更好地模拟成桩过程，将18 m长的桩分成6段逐步扩孔，每段3 m，分两个过程扩孔，即先从上至下分段扩孔(对应下沉过程)，再由下至上分段扩孔(对应上提过程)。而扩孔总位移量Δr则是根据注入的水泥浆量与扩孔产生的体积量相等的原则来确定，如图4所示。
图4 喷浆扩孔示意
式中，mc，mw分别表示每延米注入土体的水泥浆中水泥的质量和水的质量，Gs是水泥的相对密度，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，将以上已知量代入式(1)，可得扩孔位移量Δr≈0.026 m。
3 现场测试结果及计算结果
在施工现场，如图2所示，孔压计埋设点距地表的深度分别是10 m和18 m，在10 m深处离桩心1.2 m和2.8 m处各埋设一只孔压计A，B，在18 m深处离桩心3 m和7 m处各埋设一只孔压计C，D。图5和图6分别是成桩时测点A，B和测点C，D的实测超孔隙水压变化值。
图7是无路堤和有路堤情况下MMP成桩过程中对应测点A，B的数值模拟超孔压变化曲线，图8是无路堤和有路堤情况下MMP成桩过程中对应测点C，D的数值模拟超孔压变化曲线。
从图5至图8中可以看出，10 m深处超孔压变化曲线有2个峰值，18 m处有1个峰值，这是因为MMP桩成桩过程是先下沉后上提的关系，当靠近测点时，该点超孔压会上升并达到峰值，当离开测点时，超孔压又会下降。成桩过程中有2次经过10 m处，于是出现2个峰值，而桩长只有18 m时，成桩过程只有1次经过该深度，因此只有1个峰值。
将图5和图7(b)、图6和图8(b)对比，即将现场实测的因成桩引起的超孔压和数值模拟结果对比，可以看到数值模拟中超孔压达到第一个峰值前，产生的负超孔压比实测结果大很多，这是因为数值模拟中预留的桩孔孔壁被约束住，而扩孔的时候约束瞬间解除，相当于卸荷作用，产生负的超孔压，随着扩孔的继续，靠近测点时，负孔压消失，正孔压产生。除去这个因素，实测超孔压变化与模拟结果曲线趋势基本一致。
从图7和图8中可以看出，无路堤情况下的超孔压值比有路堤情况下的值大。这是因为在同一时间内，地基土在路堤荷载的作用下很快被压缩，孔隙水的排出速度更大，超孔隙水压力的值比无路堤情况下的小。
图9是在无路堤和有路堤情况下，成桩刚结束时各深度处的竖向位移情况。从图9(a)中可以看出，无路堤情况下，扩孔引起桩周土体隆起，隆起量随着深度的增加而减少，靠近桩端深度处(z=17 m)产生少量沉降。其它深度处离桩心的距离越大，隆起量越小。从图9(b)中可以看出，地表由于路堤荷载的作用，坡脚处隆起量发生突变。靠近桩周的隆起量比无路堤情况下小，这是因为地基土在路堤荷载的作用下，有一定的压实度，孔隙体积减小，导致扩孔引起的位移减小。
图5 MMP桩成桩过程中现场实测超孔压值(10 m深处)
图6 MMP桩成桩过程中现场实测超孔压值(18 m深处)
图7 MMP桩成桩过程中超孔压变化(10 m处)
图8 MMP桩成桩过程中超孔压变化(18 m处)
图9 M MP桩成桩刚结束时各深度处的竖向位移
4 结论
1)采用先从上到下分步扩孔、再由下到上分步扩孔的方法，模拟MMP桩施工过程。地基土采用修正剑桥模型，使用软件ABAQUS，在有路堤和无路堤情况下建立有限元模型对MMP桩施工过程进行了弹塑性水土耦合数值分析，得到了成桩过程中超孔隙水压变化情况，结果表明无路堤情况下的超孔压值比有路堤情况下的值稍大，而由于路堤荷载的影响，地表隆起量分布与无路堤情况下的分布不同，地表沉降在路堤两边坡脚有突变。
2)本文采用扩孔体积与水泥浆注入量相等的方法来计算扩孔量，成桩过程中得出的超孔压数值模拟结果与实测结果吻合得比较好。由此可看出，这种模拟方法是正确可靠的，为进一步研究MMP桩性能及其设计施工提供有用的数值模拟方法。
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TU472.3+6
A
1003-1995(2012)06-0098-04
2011-11-20;
2012-03-10
陈瑶瑶(1987— )，女，江西抚州人，硕士。
(责任审编 王天威)
