第８卷第３期 ２ ０ １ ０年６月 水利与建筑工程学报 Ｖ０１．８ Ｎｏ．３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｔ：ｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｊｕｎ．，２０ｌ０ 压密注浆处理回填土地基的沉降模拟分析 ． 钱玉林 ，朱 榆 ，周余民 ， （１．扬州大学岩土３－程研究所，江苏扬州２２５００９；２．江苏邗建集团有限公司，江苏扬州２２５００９） 摘要：为评价压密注浆处理回填土地基的稳定性，以某压密注浆处理回填土地基工程为例，使用大型 通用有限元计算软件ＡＤＩＮＡ建立模型，用重启平衡初始应力技术等，对回填土地基加固前后的沉降进 行数值模拟，并与实测资料进行对比分析。结果表明，采用ＡＤＩＮＡ软件对压密注浆处理回填土地基进 行沉降计算是可行的，计算结果与实测资料基本吻合。通过ＡＤＩＮＡ软件确定位移等势线，可以更加直 观地观察加固地基土的位移、应力等情况，据此可以分析地基处理的稳定情况。 关键词：压密注浆；填土；地基处理；有限单元法 中图分类号：ＴＵ４３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ６７２一ｌ１４４（２０１０）０３￣ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｂａｃｋｆｉｌｌ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ、Ｊｌ，ｉｔｈ Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ ＱＩＡＮ Ｙｕ．１ｉｎ ，ＺＨＵ Ｙｕ ，ＺＨＯＵ Ｙｕ—ｍｉｎ ， （１．Ｃ．ｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２５００９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｈａｎｊｉａｎ Ｇｒｏｕｐ，Ｃｏ．， ｄ．，Ｙａｎｇｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２５００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｂａｃｋｆｉ１１ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｇｒｏｕｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｅｔｌｔｅｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｆｉｌ１ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｒｅａｔｉｎｇ ａｒｅ ｍｏｄｅｌｌｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＤＩＮＡ ｔｏ ｓｅｔ ｕｐ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｒｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｂａｌａｎｃｅ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｅｒｓｓ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．ａｎｄ ｔｈｅｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ．ｒｎｌｅ ｒｅ． ｓｕｉｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｓ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ａｂｏｖｅ ｉＳ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｆｉ１１￣ｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｂｙ ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｓ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ’Ｓ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ｍｏｒｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｇｒｏｕｔｉｎｇ；ｂａｃｋ ｆｉｌｌｉｎｇ；ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｒｅａｌｍｅｎｔ；ＦＥＭ １概述 ， ２回填土地基的处理 根据勘察报告，某小区场地土层分布主要为： 上部结构施工过程中发现该楼东单元发生不均匀沉降， （１）耕植土：层厚０．４ ｍ，灰色，褐灰色粉质粘土，可塑 最大沉降量达１０ ｃｍ，沉降差达８ ｃ１＇Ｉ１，随即停止上部结构的施 状，无摇振反应，稍有光泽，韧性中等，夹粉土小薄层，含有机 工，并对回填土地基进行地基处理。 质，稍有臭味，表层薄土不参与计算； 回填土地基采用压密注浆法进行处理，基础范围内采用 （２）粉质粘土：层厚１３ ｍ，灰黄色夹灰白色条带，硬塑 双液（水泥浆十水玻璃）压密注浆，注浆浆液选用水泥浆＋水 状，稍有光泽，干强度、韧性高，致密结构，局部铁锰结核富 玻璃，水泥采用ｐｃ３２．５级，水泥浆与水玻璃的体积比为 集。杨氏弹性模量Ｅ＝６．９ ＭＰａ，泊松比 ＝０．３，粘聚力Ｃ＝ １：０．１，浆液水灰比采用０．６，根据试验孔的注浆量严格计量 ５．３ ｋＰａ，摩擦角 ＝２３．７。，密度ｐ：２．０２ ｇ／ｃ 。 施工。压密注浆孔孔径为２５ ｒｍ左右，当注浆管在砂石垫层 该小区１８ 楼东单元位处一河沟，河塘部位采用换土垫 中注至地面冒浆后，拔至灰土底部附近继续注浆至地面冒 层法进行处理，地下水位以下采用１：１砂石垫层处理（厚约 浆。压密注浆施工时，应对注浆压力进行控制。施工中，最 ４．１５ ｍ），地下水位以上采用８％灰土处理（厚约４．３０ ｍ），回 大注浆压力应根据地质情况和注浆孔的深度进行确定，最大 填土厚度呈西薄东厚，厚约２ ｍ一８ ＩＴＩ，地基土层剖面如图１ 注浆压力不宜大于１．ｏ ＭＰａ。为了确保注浆效果，注浆宜采 所示。 用先外围后中间，由东向西分期隔跳孔注浆的施工顺序。压 荷载位置 密注浆的终灌标准为：地表冒浆或浆液在１０ ｒｍｎ左右不再下 沉。压密注浆孔的平面布置见如图２。 ８％灰土层 粉质粘土 ： 砂石垫层 ３地基沉降的有限元模拟分析 图１地基土层剖面示意图 有限单元法是近３０、４０年随着电子计算机的广泛应用 收稿日期：２０１０．０３．１８ 修回日期：２０１０－０５．０６ 作者简介：钱玉林（１９６２一），男（汉族），江苏兴泰人，教授，主要从事土与结构物的相互作用的研究。 第３期 钱玉林，等：压密注浆处理回填土地基的沉降模拟分析 有限元模型荷载分布，边界约束条件如图４所示。 ６７ 而发展起来的一种数值分析方法，它具有极大的通用性和灵 活性，可以用来求解各种复杂的非线性问题。在岩土工程中 的应力变形、渗流、固结、流变、动力、温度等问题，都适宜采 用有限元法求解分析。有限元法已经成为分析岩土工程问 题的灵活、有效和适用的重要手段，国内有很多成功采用有 限元法解决工程实际问题的例子＿】 Ｊ，基础工程中运用了大 型通用有限元软件ＡＤＩＮＡ，并取得了很好效果＿４ Ｊ。本文采 用该软件对注浆处理地基进行模拟分析。 ０口０ 口： —＿卫 。０ ａ 广 ：口 ０ ｌ ａ ０ 、Ｉ——． — ［］， ［ 。 图２压密注浆孑Ｌ的平面布置 ３．１模型建立 根据工程地质勘察报告，该小区１８ 楼土质变化较为均 匀，则可以考虑加固的地基模型采用二维平面应变模型，建 模时遵循从“点一线一面”自下而上的建模。划分网格，所建 立的土层模型共５０４个节点，５５５个单元，计算模型单元形式 主要采用４结点单元。在该处地基处理中为确保注浆效果， 注浆孔设置比较密集，单孔注浆的影响范围较大，处理后的 地基简化为均质各向同性地基。由于模型中处理后的地基 与土的模量相差很大，在两者界面上常伴随有较大的剪应 力，为了合理模拟实际工程，在桩与土体间设置接触面单 元＿６Ｊ。接触面计算中设置处理后的土体边界为主面，周围土 体接触边界为从面。如图３所示。 Ａ ｉ Ｄ Ｉ 巍 群冀、 、 、 ，＊、 、 、 、 、 “ 礴§ ｉ 、， 、：童 一 ： 嚣器ｉ ０ 。 掌 嚣 广－ ｌ ｝｝、 Ｉ ｌＩ ｌ １ 【、～ｆ ｉＪＩ Ｉ ｝ｌ『Ｉ Ｉ Ｉ ｉ 图３计算模型ｆ注浆后）网格划分、接触面设置 ３．２边界条件及荷载 对整个回填土地基加固模型的底部全约束（或者ｚ向位 移约束）。在考虑模型为平面应变，则距离加固区一定范围 的边界仅加ｙ向位移约束。该二维模型在ＡＤＩＮＡ前处理模 块中是建立在’，一 平面内。地基所承受的荷载按照６层楼 的荷载组合，在模型中简化成等效均布荷载进行模拟计算。 图４模型荷载分布、边界约束条件 ３．３土的模型 土是一种复杂的复合体，具有极为复杂的力学行为。工 程中，土的线性模型和非线弹性模型用得较多，在外荷载的 作用下，土体不仅产生弹性变形还会产生塑性变形。Ｍｏｌａｒ— Ｃｏｕｌｏｍｂ强度理论是应用最为广泛的强度理论之一＿７ Ｊ，这一 理论认为土的破坏是剪切破坏，一旦土体内任一平面上的剪 应力到达了土的抗剪强度，土体就发生破坏。有限元计算 时，模型中各材料参数见表１，摩尔库伦模型破坏准则为： ＾ 一 ： ＾ …‘声＋ ．，＿ｕ…， 。 （１）… 二 二 式中： 和 ，分别表示大、小主应力；Ｃ和声分别为粘聚力和 内摩擦角。 表１材料计算参数 ３．４模拟分析 模拟计算前要考虑土体固结沉降所产生的初始应力，即 在开始进行施加外荷载之前要使得自重应力场保持平衡。 一般认为，土体固结之后，土层中是存在一个应力场的，但在 这个应力场的作用下土体并不产生位移，即置初始位移为 零。 注浆加固回填土地基，恢复了部分原先的不均匀沉降。 模拟加固后的回填土地基同样要先载人应力场，此时地应力 场其实分为自重应力场和构造应力场，但在计算中，常常忽 略后者，只考虑自重应力场的作用。这部分可以采用ＡＤＩＮＡ 软件的重启运算，在新模型中载人地应力场 ］。 ３．５计算结果及分析 采用ＡＤＩＮＡ提供的等值曲线方式表示，可以更加直观地 观察加固地基土的位移、应力等情况，也可以通过列表给出 确切计算结果，为实际工程提供了强有力的参考依据＿９Ｉｌ 。 从自重引起的土层应力分布（图５）中可以看出，回填土 处理后的地基有明显不均匀的初始应力，奇异的应力分布曲 水利与建筑工程学报 第８卷 线出现在河沟的底部，在该区域应力相对集中。上面灰土部 分的应力稍小于周围的土体。结构必然会在上部荷载作用 下出现不均匀沉降。图中出现的应力状况符合实际情况。 图６显示复合地基在上部荷载作用下，将模型基础视作 刚性基础模拟计算所得的有限元分析结果可以发现，复合地 基ｚ向位移中较大值的等值线形态分布不均匀，有较大的地 基沉降集中在基础的东侧。复合地基Ｙ向位移分布如图７， 图中表层基础东侧土体有明显的集中挤压，西侧同时因基础 有水平向东位移而出现表层土的Ｙ向的正向迁移；复合地基 内部东侧地下出现最大的水平位移，这与地基整体沉降偏向 东侧有着很大的联系。实际楼层单元整体向东侧倾斜，观测 点的沉降模拟计算得到的结果与实际位移情况一致，见图８。 ｏ 珈 枷 枷 枷 ㈣ 图５回填土地基自重引起的应力等值线图（单位：Ｐａ） 图６荷载下复合地基 向位移等值线图（单位：ｍ） 注浆加固土与未加固土相比，其压缩系数普遍降低，压 缩模量明显提高［１１］。复合地基经注浆处理地基后，在上部 荷载作用下的地基 向位移等值曲线如图９。其沉降曲线在 处理过的地基部位分布相对均匀，整体比较稳定，即加固土 体的压缩模量有所提高。同时，在经过注浆处理地基的表层 两侧边缘局部有少许的上抬（ｚ向的正位移），而且东侧的位 移较大，影响的范围也大许多。 综合ＡＤＩＮＡ后处理结果和现场测量数据，得出注浆前后 加固地基观测点处的ｚ向位移时程曲线（如图８、１０），该测点 位于该楼层单元地表东侧。在前期复合地基处理工程实际 图７荷载下复合地基Ｙ向位移等值线图（单位：ｍ） ０ ２０ ４０ ６０ ８０ １００ 时ｆ］ｕ／ｄ 图８注浆前观测点 向位移时程曲线 图９注浆后荷载下地基ｚ向位移等值线图（单位：ｍ） 监测过程中，测量点出现最大沉降变形沉降量达到１０２．１１ ｍｉｎ。有限元模拟中该处理节点的 向最终位移为一１０７．９９ ｎｌｌＴｌ，仅比实际沉降量大５．７６％。与实际测量结果拟合度较 高。回填土地基经过注浆加固，土体抬升后有少量的沉降发 生，东侧该点观测９０ ｄ的沉降量为０．９１ ｔｏｎｉ，此处软件中节 点的 向最终位移为一１．２９ ｍｉｌｌ。模型中加固处理后的地基 采用各向同性线弹性材料，地基沉降位移呈线性变化。由于 前期注浆处理的地基尚未稳定，实测沉降曲线有较大的起 伏。待后期趋于平稳后实测沉降曲线变化较小，使得两条ｚ 向位移时程曲线的相位差在部分区段相对较大，总体的地基 沉降趋势相近。 第３期 钱玉林，等：压密注浆处理回填土地基的沉降模拟分析 ７３—２７４． ［２］孙常玉，宫必宁．基于ＡＤＩＮＡ接触算法的岩质边坡稳定分析 ［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２００５，４（４）：２６—２７． ［３］熊政，何蕴龙，韩健．ＡＤＩＮＡ软件在土石坝渗流场计算中的应 用［Ｊ］．西北水力发电，２００６，２２（１）：３９－４２． ［４］ 陈建峰，石振明，沈明荣．宽路堤软土路基沉降的有限元模拟 ［Ｊ］．公路交通科技，２００３，（４）：２３—２５，３７． ［５］李军，张勤，王利东．基于ＡＤＩＮＡ的路堤软土地基沉降非线性 有限元分析［Ｊ］．中外公路，２００６，２６（２）：１４．１６． 图１Ｏ注浆后观测点 向位移时程曲线图 ［６］张向东，田亚光，张维正．ＡＤＩＮＡ在桩锚深基坑三维有限元分析 中的应用［Ｊ］．科学技术与工程，２００６，６（２４）：３８７７．３８８０． ４结论 ［７］章根德．土的本构模型及其工程应用［Ｍ］．北京：科学出版社， １９９５：１５７—１５８． 计算结果表明，采用ＡＤＩＮＡ软件对压密注浆处理回填土 ［８］ＡＤＩＮＡ北京代表处．ＡＤＩＮＡ中文土木练习手册［Ｍ］．北京：亚得 科技，２００４：２５－２６． 地基进行沉降计算是可行的，通过位移等势线的确定可以用 于计算分析地基处理的稳定情况，从而为工程应用提供了有 效的解决方案。利用ＡＤＩＮＡ强大的前后处理功能能够为工 ［９］岳戈，陈权，等．ＡＤＩＮＡ应用基础与实例详解［Ｍ］．北京：人民 交通出版社，２００８：１５５．１６６． 程应用提供极大的便利，能够在解决复杂实际问题中取得令 人满意的效果，对工程实践有一定的指导作用。 参考文献： ［１］殷宗泽，等．土工原理［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００７： 坏 ．． 币 ！矫 尔 坏 奄 尔 ！ ． ［１０］ＡＤＩＮＡ北京代表处．ＡＤＩＮＡ用户手册［Ｍ］．北京：亚得科技， ２００３：１５１—２１０． ［１１］王广国，杜明芳，苗兴城．压密注浆机理研究及效果检验［Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２０００，１９（５）：６７０－６７３． 不 尔 夺 ： 钸 恤 协 （上接第３３页） 假如混凝土平台厚２．５ ｒｆｌ，那么平台自重为Ｗ＝６×ｌＯ８ Ｎ， ：０．０２８ 学出版社，２００８：ｌ１１－２４８． ［２］陈椿庭．关于高坝挑流消能和局部冲刷深度的一个估算方法 ［Ｊ］．水利学报，１９６３，（２）：１３—２３． ［３］ 肖兴斌．高坝泄洪消能研究应用新发展述评［Ｊ］．四川水力发 电，１９９５，（４）：６０—６４． 即使不计水流正压力的作用，平台本身的重量已足够稳 定。因为平台基本上在水面以上，所以基本上没有浮托力作 用，水平推力Ｔ２《Ｗ，平台不需锚筋锚固Ｅ８１。所以平台即使 在风化层上，也能保持其稳定性。 ［４］刘亚坤，倪汉根．新疆喀腊塑克水利枢纽断面模型试验报告 ［Ｒ］．大连：大连理工大学水利水电研究所，２００７． ［５］刘亚坤，倪汉根．四川省大渡河猴子岩水电站洞式溢洪道水工 ４结论 单体模型试验初步报告［Ｒ］．大连：大连理工大学水利水电研究 所，２０１３９． 试验表明，通过将一级挑流改成二级挑流，可保证二级 挑射水舌均匀挑入河床，且可使水流在出口尽可能分散，增 加消能效果，减轻下游河床冲刷与雾化现象。总体而言，通 过创新性地采用二级挑流消能形式，改善了原方案引起较大 冲刷与雾化现象的缺点，进一步保证了工程的安全可靠性。 参考文献： ［１］倪汉根，刘亚坤．击波、水跃、跌水、消能［Ｍ］．大连：大连理工大 ［６］武汉水利电力学院水力学教研室．水力计算手册［Ｍ］．北京：水 利出版社，１９８０：４００４２８． ［７］于野，刘亚坤，倪汉根，等．洞式溢洪道掺气减蚀设施的体型优 化设计［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２０１０，８（１）：７－９． ［８］ＳＬ ３１９—２００５．混凝土重力坝设计规范［ｓ］．北京：中国水利水电 出版社，２００５．