ccg注漿過(guò)程的數(shù)值模擬

CCG注漿過(guò)程的數(shù)值模擬研究

本文基于有限變形理論，采用點(diǎn)面接觸模型模擬注漿過(guò)程中漿泡與土體之間的相互作用關(guān)系，通過(guò)拉格朗日方法引入這種相互作用關(guān)系，用約束變分原理建立適合模擬CCG注漿過(guò)程的控制方程。然后根據(jù)在試驗(yàn)中觀察到現(xiàn)象建立的注漿過(guò)程模型編制的有限元程序可以動(dòng)態(tài)模擬CCG注漿過(guò)程，為CCG注漿施工的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】：CCG注漿有限變形點(diǎn)面接觸模型數(shù)值模擬Abstract:Onthebasisofthefinitedeformationtheory，thetheoreticalstudyandnumericalsimulationaremadeoncompactiongrouthing.ByusingmodifiedLagrangianformula，thesimulationistakenonviscouscontactbetweenmortarbubbleandsoilgroundbypointansurfacecontactmodel.Acontrolformulaissetuptoadapttocompactiongroutingbyfiniteelementmethod，andthecompactiongroutingmodelisestablishedonthebasisoftestingobservation.Finally，thefiniteelementprogramisdevelopedusingFortranlanguageintendedtodynamicallysimulatetheinjectionprocess.

Keywords:compactiongrouting，finitedeformation，pointandsurfacecontactmodel，numericalanalysis.

1引言

在加固地基土層的各種注漿方法中，無(wú)論是劈裂注漿、滲透注漿還是噴射注漿，注入的漿液均是易于流動(dòng)的，而CCG注漿注入的漿材是坍落度很小、甚至近似為零的不流動(dòng)的漿材。這使得CCG注漿方法具有比其他注漿方式更好的可控制性，注漿施工時(shí)漿液可以準(zhǔn)確地注入到土層中的預(yù)定位置，漿液注入到地下土層后不進(jìn)入土體的孔隙，也不劈裂土層，在均勻土體中形成一個(gè)整體向周圍擴(kuò)大并擠密周圍土體的漿泡，通過(guò)提升或下降注漿管，在注漿管的端部就可以產(chǎn)生一系列局部相“重疊”的漿泡，形成一柱狀注漿體（圖1），并擠密周圍土層，達(dá)到加固地基的目的。

因?yàn)樽{漿液的特殊性，CCG注漿的加固機(jī)理不同于其他的注漿方法，加上諸多的注漿變量如注漿孔的間距、注漿體長(zhǎng)度、注漿速率、注漿壓力、注漿量等，CCG注漿施工設(shè)計(jì)涉及到一組復(fù)雜的參數(shù)。從世界范圍來(lái)看雖然人們對(duì)這種注漿方法的機(jī)理進(jìn)行理論研究并提出了各種不同的注漿設(shè)計(jì)方法，但理論研究水平仍然滯后于實(shí)際應(yīng)用發(fā)展的需要，迄今為止，還沒(méi)有一套成熟的注漿設(shè)計(jì)方法能夠合理地考慮涉及到具體工程的不同的參數(shù)并對(duì)這種注漿方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。要解決這個(gè)問(wèn)題，最關(guān)鍵的方面在于有效地動(dòng)態(tài)模擬CCG注漿過(guò)程。采用何種方法描述CCG注漿過(guò)程中漿泡與土體之間的相互關(guān)系也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。K.Komiya、AdelM.EI-Kelesh和K.Soga等人都采用了穴孔擴(kuò)張（Cavityexpansion）理論模擬漿泡與土體之間的接觸，在漿泡與土體之間的分界面上通過(guò)人為地施加各向均勻的分布力模擬CCG注漿過(guò)程，但用有限元進(jìn)行分析時(shí),在每個(gè)荷載步中施加多大的力是不易確定的。另外，采用這個(gè)方法只能模擬單個(gè)漿泡的情況，不能模擬連續(xù)的注漿過(guò)程。對(duì)于單個(gè)漿泡的注入過(guò)程和連續(xù)的注漿過(guò)程，可以采用點(diǎn)面接觸模型，在CCG注漿過(guò)程中漿泡與土體之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，變形前后接觸點(diǎn)的局部坐標(biāo)值相同，它們之間的接觸是粘滯接觸。研究中將注漿泡與土體作為一個(gè)系統(tǒng)中的兩個(gè)相互接觸的物體，那么，注漿泡體和土體離散化后，注漿泡與土體之間的相互接觸就可以模擬為接觸面上土體的結(jié)點(diǎn)與注漿泡表面的任意點(diǎn)的接觸。另外，應(yīng)該注意到當(dāng)介質(zhì)在荷載作用下發(fā)生的位移（與自身的幾何尺度相比）和應(yīng)變（與1相比）很小時(shí)，建立物體和微元體的平衡條件時(shí)可以不考慮物體的位置和形狀的變化，因此，分析中不必區(qū)分變形前和變形后的構(gòu)形，相應(yīng)的變形可以用無(wú)限小的線性應(yīng)變進(jìn)行度量。CCG注漿過(guò)程中靠近漿泡的土體不符合小變形和小應(yīng)變假設(shè)，此時(shí)必須考慮變形對(duì)平衡的影響，即平衡條件應(yīng)建立在變形后的構(gòu)形上，所以，應(yīng)采用有限變形理論分析CCG注漿過(guò)程中注漿體周圍土體的變形問(wèn)題。

本文基于有限變形理論，采用點(diǎn)面接觸模型模擬注漿過(guò)程中漿泡與土體之間的相互作用關(guān)系，通過(guò)拉格朗日方法引入這種相互作用關(guān)系，用約束變分原理建立適合模擬CCG注漿過(guò)程的控制方程。然后編制了可以動(dòng)態(tài)模擬CCG注漿過(guò)程的有限元程序，用該程序?qū)Π吧铰返罔F車站基坑加固注漿進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析，并將模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比。

2有限變形條件下的CCG注漿過(guò)程的控制方程

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驗(yàn)挑通每過(guò)震試僻驗(yàn)壞發(fā)冰現(xiàn)頁(yè)，具注蒸入筐土橋體驕中怎的糾漿暑液秤不梅進(jìn)劍入腥土惰體使孔哨隙德，庸在分均視質(zhì)旗土卵體教中戰(zhàn)形披成辜一拒個(gè)父球橋體壽，陡或準(zhǔn)通業(yè)過(guò)駕均瀉勻灶提慰升迷注阿漿數(shù)管衫可叉形齡成克均鳥(niǎo)勻奮的忘柱抱狀船注友漿砌體律，晃注懷漿賊體冠與疼土曾體枕之像間棟有碧明達(dá)顯扇的裕分最界魂面旨。

根據(jù)以上觀測(cè)到的現(xiàn)象，可以建立圖1和圖2膊所鍵示殘的谷注含漿扎模訂型代，贊其歪中劇，境圖飲1誘表翼示儀土納體賢中萌已織形荷成陡的負(fù)一揚(yáng)個(gè)瀉長(zhǎng)蔽度埋（甩高繁度功）乏為兵H瀉，誠(chéng)直貼徑炮約匹為劇d墊的焦柱南樁攻注招漿勵(lì)體派，魄圖拳2際表扯示費(fèi)柱率狀阻注銅漿全體彩的寶形治成段過(guò)漏程犁，褲先狹形妨成阿一襲個(gè)巡獨(dú)窩立顆的緣球約體站，月這悟個(gè)炒球曉體妨由摩小核到倦大到，脆其學(xué)半圓徑啟由佳R深1砌增吧大枕到板半廊徑展R您2匯，抗再斗增施大良到脾半喬徑畝R迎3袋；奧第屬一司個(gè)烏球壯體衫生未成寇好同之會(huì)后寬，傍接刊著艷在闊第桌一閣個(gè)巖球刑體孫上捕方扎生鈔成伏第唱二耽個(gè)飛球佳體償，毫第殖二個(gè)個(gè)挖球蟻體傘的鞏生潛成肚也然是季由染小群到隱大伍，蜂同筑樣蛙其厲半痰徑么由盈R撕1沃增假大陽(yáng)到糠半潛徑歸R頂2工，確再鴨增涌大殿到拌半恢徑貍R榆3脊，得但氧是葉第勁二河個(gè)酷球搭體之與藥第辰一比個(gè)晉球鋤體薪有的部疼分孕重說(shuō)迭且，賣注鋒漿強(qiáng)的挨實(shí)肯際百情散況故就劇是摟這秩樣臺(tái)。屢同舍理置，感可脅生導(dǎo)成以第灣三喝個(gè)恨、景第篩四漲個(gè)陵、夸第珠五為個(gè)取和球更漏多浮個(gè)胃球園體哀，哥形蠢成系不牧斷呈增偶長(zhǎng)妖的筐柱鄰狀新注瞇漿第體使。支本啦文拔模憶擬歡注架漿索過(guò)垃程駝的恐計(jì)爹算皇程刃序旨就邀是校按鍵照凡這屋樣犯的吼注騰漿印模饒型孕編毛制明的芒，老從男而楊模尿擬座出桐連芬續(xù)忍的近注釋漿襪過(guò)不程賣。

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冷占然終后端，哀將樸柱丈狀尚注影漿針體亡和檔土跟體零作桂為膀一瓜個(gè)摘整展體房或戴一靈個(gè)吹系泳統(tǒng)親來(lái)刻考邪慮姻，繭但形對(duì)嚇這議二匆者鐮進(jìn)嫌行寨離認(rèn)散貢化任時(shí)群可第以倍分鍵開(kāi)虹處敏理惠，護(hù)注鑄漿惡泡晴的鏡離艦散買見(jiàn)舅圖昨3湯所也示拜，豈第絹一少個(gè)假漿器泡愉表湊面猛離刮散務(wù)成陶1血2盒個(gè)世線津性歇單阿元樹(shù)，骨其坐他濫漿劇泡業(yè)也旨作言相降應(yīng)兇類跟似割離殘散他。獲在寧注辜漿弟壓戚力朝的王作申用刮下漁，值注柏漿層過(guò)膨程勤中抗?jié){天泡侵的仍變賢形撈相提對(duì)托于腸土幫體貨來(lái)筒說(shuō)清較戶小形，界因斬此蠻，刻在澇實(shí)天際慧處仔理什中歌可漲以區(qū)將我其周近創(chuàng)似必地蕩看螺成習(xí)剛哈體告，果也忙可良以選將村其芝當(dāng)彩成質(zhì)變率形副體繡，記這徒可匠以硬通素過(guò)寄設(shè)膛定跪變匙形狀模攤量桿的料大以小干來(lái)聽(tīng)實(shí)耀現(xiàn)策。孕土貿(mào)體該的似離焰散租需達(dá)要飼仔網(wǎng)細(xì)值考源慮煩，刮應(yīng)煤該吸適阿當(dāng)丘進(jìn)禿行疲土全體嗽的撈網(wǎng)俗格持劃煩分叨，糊若抱網(wǎng)控格畜劃騙分不得憑太深細(xì)準(zhǔn)，疏一燃方階面罩隨握著瞎節(jié)鉤點(diǎn)拍數(shù)牽和現(xiàn)單虎元幟數(shù)猾的怒增莖加瞇，魂計(jì)凍算佳工驕作慣量忠會(huì)卷大嶺量圈增脹加仔；錘另顯一史方壩面干，毫若銜劃睜分癥的賞網(wǎng)禮格模太恢小哈，抽由幕于竄注么漿跌體具變宜面捕附幼近腐的時(shí)土佩體螞會(huì)忠發(fā)費(fèi)生倘大鞭變螺形黃，科因薯而涼有拉些乒單敗元華形次狀薄會(huì)灘發(fā)禽生棉畸瘋變深，什致民使墻該王單昆元襲的業(yè)雅核可搏比孕矩沿陣使的購(gòu)逆意陣粱不難存覺(jué)在筍，腿也奏就弟無(wú)閣法組進(jìn)揭行禁計(jì)物算促了細(xì)。

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禁

趁

隊(duì)

班

動(dòng)

熱傻根召據(jù)徹提衣供賽的書(shū)地紹質(zhì)走勘睛察跨報(bào)田告嶼，屬各搶土扶層搬的逼物搭理敞力拉學(xué)查性走能元指侵標(biāo)妖見(jiàn)柱表掃1邀。

計(jì)算深度取為21.0m，計(jì)算半徑取為10.0m。邊界條件為：底面和右側(cè)面的徑向位移和豎向位移為零；上表面自由；左側(cè)面為對(duì)稱軸。計(jì)算中泊松比取0.49，其中的壓縮模量應(yīng)換算為變形模量。有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4，采用四節(jié)點(diǎn)線性等參單元，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為903，單元總數(shù)為840。在車站基坑中間標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行的單孔注漿試驗(yàn)中，注漿從地表下16.5m開(kāi)始，最后形成了一個(gè)半徑為25～27cm、長(zhǎng)度為3.0m的柱狀注漿體，模擬計(jì)算時(shí)也是從地表下16.5m開(kāi)始注漿，模擬的注漿體長(zhǎng)度與半徑基本上與試驗(yàn)中情況相同。部分計(jì)算結(jié)果如圖5～圖12所示。圖5和圖6表示注漿體周圍土體在豎值方向的位移，其中，圖5表示注漿過(guò)程中地表面的隆起值與注漿體長(zhǎng)度之間的關(guān)系。圖6表示注入第一個(gè)漿泡后不同深度的土層在豎直方向的位移值。圖7和圖8表示注漿過(guò)程中注漿體周圍土體在水平方向上的位移。其中，圖7表示距離注漿體中心線為2.5m處土體在水平方向的位移值與注漿體長(zhǎng)度的變化（即注漿量和注漿深度的變化）之間的關(guān)系。圖8表示注漿體長(zhǎng)度達(dá)到3.0m時(shí)，距離注漿體中心線不同處的土體的水平方向位移值的變化?？梢钥吹?，注漿的開(kāi)始階段，位移的增量明顯；隨著注漿體長(zhǎng)度的增加，水平方向的位移量增加不多，水平位移的峰值點(diǎn)隨著注漿體長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而逐漸上移。圖9～圖12中，將試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)值與相應(yīng)的計(jì)算值進(jìn)行了比較。計(jì)算值的大小與實(shí)測(cè)值的大小接近，但曲線的形狀不完全吻合。對(duì)于軟粘土來(lái)說(shuō)，因?yàn)閭?cè)斜管本身有一定的剛度，它不可能完全真實(shí)地反映出土體的實(shí)際變形，模擬的曲線形狀比實(shí)測(cè)的變形曲線更能真實(shí)的反映實(shí)際變形情況。

4結(jié)語(yǔ)

（1）本文基于有限變形理論，采用點(diǎn)面接觸模型模擬注漿過(guò)程中漿泡與土體之間的粘滯接觸形式，根據(jù)在試驗(yàn)中觀察到現(xiàn)象建立注漿過(guò)程的模型是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

（2）文中通過(guò)拉格朗日方法結(jié)合變分原理建立適合了模擬CCG注漿過(guò)程的控制方程，編制的有限元程序可以動(dòng)態(tài)模擬CCG注漿過(guò)程，通過(guò)對(duì)鞍山路地鐵車站基坑加固注漿過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析，模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本吻合。

（3）通過(guò)本文對(duì)CCG注漿過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬方法，為進(jìn)一步進(jìn)行CCG注漿施工的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］AdelM.El-Kelesh,IsmailM.Basha,modelofcompactiongrouting,Journalofgeotechnicalandgeoenvironmentalengineering,2001,november,p955～964

［2］PantusoD.,BouzinovPA.,BatheKJ,afiniteelementprocedurefortheanalysisofthermo-mechanicalsolidsincontact,Computers&Structures,2000,Vol.75,No.6

［3］Carter,J.P.,Booker,J.R.&Yeung,S.K.,Cavityexpansionincohesivefrictionalsoils.Geotechnique36,No.3,1986,349-353

［4］Graf,EdwardD.CompactionGroutingTechniqueandObservations,JournaloftheSoilMechanicsandFound