砂砾石地基注浆加固承载力及沉降性状有限元分析

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230000）

1 引言

砂砾石地层在我国分布广泛，目前国内外许多水工建筑物都是布置在砂砾石地层上的。砂砾石粒间几乎没有任何联结性，其复杂的特征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建设工程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，能够对地基加固后的承载力及沉降性状进行理论分析，对类似工程具有现实性的指导意义。

2 有限元计算模型的建立

在注浆加固地基过程中，有时需要打几十、几百甚至上千个注浆孔，对这样的地基进行三维建模分析难度非常大。因此，本文将以2×2 注浆孔的复合地基模型进行有限元分析。

注浆加固地基由于浆液的扩散、浆土之间复杂的相互作用等，使得影响地基承载和沉降性状的因素众多，如果考虑所有因素会使分析变得很困难，而且有的分析参数也不易得到。因此，本文在对分析结果不造成大的影响的前提下，在建立模型过程中适当地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）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。建立分析模型时注浆加固区截面的形状按照等面积替换的原则将圆形截面以正方形替换后的三维分析模型见图1。

（2）假定注浆加固区与砂砾石层界面无相对滑动，不设置界面接触单元。

表1 计算材料参数表

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

（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。

（5）侧向边界采用水平约束（即水平方向固定约束，竖向可动）；底部边界采用竖向约束，上边界为自由边界。

图1 三维模型计算简图

图2 1/4 三维模型网格划分图

图3 未加固1/4 模型地基土变形图

图4 加固后1/4 模型地基土变形图

图5 加固后基础底面土体变形图

图6 基础中心到外围土体表面沉降变化曲线图

3 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，执行网格划分命令，进而生成有限元网格。本次分析中，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。

4 计算结果分析

4.1 注浆加固地基土承载力及沉降性状分析

施加荷载为300kPa，在基本模型的基础上保持其他参数不变，经过计算得到图3～图6 的计算结果。

图3 显示了未进行注浆加固时砂砾石地基土在均布荷载下的沉降分布情况，图4、图5 显示了注浆加固后砂砾石地基土在均布荷载作用下的沉降分布情况，图6 为土体由基础中心向外围延伸时的沉降变化曲线图，由此可以发现以下几个特点：

图7 注浆加固区变形图

图8 注浆加固区附加应力云图

图9 注浆加固区轴线附加应力沿深度变化曲线图

（1）地基进行注浆加固前，在外荷载作用下沉降量较大；注浆加固后，沉降量较注浆加固前有了明显的减小，说明加固后地基承载力有了显著的提高，加固区承担了较多的荷载，加固效果较为显著，且较加固前，荷载对基础外围的地基土的影响范围变大。

（2）注浆加固后砂砾石地基土的沉降总体上来看分布比较均匀，沉降量变化趋势为由注浆加固区间土向外围逐渐减小，沿地层深度的方向逐渐变小。

（3）基础范围内不同位置的地基土沉降变形大小也不一样，两加固区之间的区间土沉降量最大，基础中心土的沉降则略有减小。

（4）注浆加固前下卧层顶面的沉降量约为1.0cm，注浆加固后下卧层顶面的沉降量约为1.4cm，说明注浆加固后形成的加固区对下卧层的沉降产生了较大的影响，使下卧层的沉降量增大。

4.2 注浆加固区承载力及沉降性状分析

施加荷载为300kPa，在基本模型的基础上保持其他参数不变，经过计算得到图7～图9 的计算结果。

图7 显示了地基注浆加固后加固区的变形情况，图8 为注浆加固区的附加应力云图，图9 为注浆加固区附加等效应力沿加固区轴线变化的曲线图，由此可以发现以下几个特点：

（1）注浆加固区的沉降较加固区间土小，说明浆液与土体胶结后使土体的强度变大。

（2）沉降量自加固区顶端到底端逐渐变小，注浆加固区顶端沉降最大，底端最小，说明加固区本身在荷载的作用下产生了压缩现象。

（3）加固区外侧的沉降较内侧的沉降小，说明在加固区的相互作用下，加固区内侧的附加应力要比外侧大得多。

（4）同一深度下，加固区内侧的应力比外侧要大，说明临近的加固区之间的“围护”作用较为明显，引起附加应力的叠加，从而使加固区内外侧的沉降量不相同。另外，图9 还显示，附加应力的最大值发生在注浆加固区的中上部，由此向下附加应力值迅速减小。这是由于上层土体较大的压缩沉降，土体的摩阻力较小的缘故。

5 结语

通过分析可以看出，建立三维有限元模型计算可以较好地模拟注浆加固地基的受力、变形特性。结果表明：砂砾石地基注浆加固后承载力有了一定提高，沉降量减小的幅度较大；注浆加固区的沉降要比加固区间土的沉降小，加固区外侧的沉降较内侧的沉降小；注浆对下卧层的影响较大，因此，注浆加固完成后除了要对加固区地基承载力及沉降量进行计算分析以外，还需要对下卧层进行承载力验算。

由于本文所进行的都是理论上的分析计算，并非注浆加固后的实际效果，因此，在工程实施前，有必要进行现场模拟试验，以便更加明确砂砾石地基注浆加固后的应力场特性、变形性能以及作用机理，对加固效果做出试验分析，保证工程设计的准确性■