多方位立体双向搅拌桩湿喷法施工过程的数值模拟_孙德安

图 2 所示，屈服函数可表示为：
M2 p2 q2 + M2 p2
=
p px
（ 1）
式中： M 为临界状态线（ CSL） 在 p － q 平面上投影直
线的斜率，px 为硬化参数，是 当 前 椭 圆 屈 服 轨 迹 与 p 轴的交点。当土体 发 生 屈 服 硬 化 时，塑 性 流 动 由 相
关流动法则确定。
ν
λ
κ
0. 30 0. 35 0. 40 0. 35
0. 117 7 0. 100 5 0. 158 7 0. 108 1
0. 009 8 0. 008 4 0. 013 2 0. 009
M
1. 24 1. 38 0. 69 1. 29
2. 2. 3 扩孔位移量的确定 本次 MMP 桩 施 工 采 用 湿 喷 法，每 延 米 水 泥 喷
Industrial Construction Vol. 42，No. 5，2012
的修正剑桥模型，通过 ABAQUS 软 件 建 立 三 维 有 限 元模型，对 路 堤 旁 的 MMP 桩 成 桩 过 程 进 行 数 值 模 拟 ，对 三 维 情 况 下 计 算 得 到 的 超 孔 隙 水 压 产 生 、消 散 过程与现场实测结 果 进 行 对 比，以 验 证 计 算 方 法 的 可行性。
量约为 50 kg，水灰比为 0. 5，水泥相对密度为 3. 1。 在 ABAQUS 软件中建立模型，桩的初始半径设
随着我国经济的发展和社会生活水平的提高， 城市辐射范围的扩 大，对 城 郊 铁 路 运 营 要 求 更 加 快 捷 ，高 速 列 车 对 路 基 的 沉 降 更 加 敏 感 ，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 加 固处理。地基加固 方 法 很 多，多 方 位 立 体 双 向 搅 拌 桩（ Multi-Direction Tridimensional Bidirectional Mixing Pile，简称 MMP 桩） ［1］ 是 其 中 一 种 方 法。 MMP 桩 是 指 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 路 地 基产生较 大 影 响，因 此 需 要 研 究 MMP 成 桩 过 程 对 土体的扰动。
多方位立体双向搅拌桩湿喷法施工过程的数值模拟
孙德安 陈瑶瑶
（ 上海大学土木工程系，上海 200072）
摘 要： 多方位立体双向搅拌桩（ MMP 桩） 是一种改进的水泥搅拌桩地基处理方法。为了研究该工法成 桩 过程中既有线路地基超孔隙水压力变化，使用有限元软件 ABAQUS，建立三维有限元模型，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 加 固 工 程 中 MMP 桩 成 桩 过 程，计 算 得到了成桩过程的超孔压的增长及消散情况以及侧向土压力变化情况。将数值模拟结果与现场实测结果对 比 ，两 者 变 化 趋 势 基 本 一 致 ，吻 合 得 比 较 好 。
1 基本理论 1. 1 剑桥模型
剑桥模型［5］ 在 主 应 力 空 间 的 屈 服 面 和 临 界 状 态面如图 1 所示。该模型的主要特点是： 在弹性变 形阶段，可采 用 线 弹 性 体 或 是 多 孔 弹 性 体 （ 土 体 弹 性模量随压缩而增 大 ） ； 在 塑 性 变 形 阶 段，采 用 帽 子 的 屈 服 面 、相 适 应 的 流 动 法 则 ，硬 化 定 律 允 许 屈 服 面 扩大。
图 2 修正剑桥模型在 p － q 平面上的屈服面形状 Fig． 2 Yield locus of the modified Cam-Clay Model in the p-q plane
修正剑桥模型在 π 平面上的形状为如图 3 所 示的曲线 1，即 K = 1. 0，其 中 K 是 三 轴 拉 伸 和 三 轴 压缩应力路径下的 屈 服 应 力 之 比，该 值 控 制 屈 服 面 在 π 平面上的形状。为了合理地考虑土体在三维 应力下的强度和 变 形 特 性，软 件 ABAQUS 中 可 将 π 平面上的屈服线设置成非 圆 形［6］，即 图 3 中 曲 线 2。 本研究采用的 K 值为 0. 8。 1. 2 打桩过程数值模拟方法
图 5 是现场断面的计算简图。地基部分土体水 平和竖向计算区域分别 为 60，24 m，三 维 模 型 中 X、 Y、Z 方向的 计 算 区 域 分 别 为 60，30，24 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 与 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，三 维 模 型 中 前 表 面 和 后 表 面 在垂直断面方向固 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。
Abstract ： MMP pile is an improved method of deep mixing cement-soil columns，and driving pile affects the surrounding soil of the pile． By using the finite element software ABAQUS，the process of MMP pile driven at a site near a railway foundation in Shanghai was simulated based on the theory of Biot consolidation and modified Cam-Clay constitutive model． The changes in the excess pore pressure and the lateral earth pressure were obtained． Comparison of computed and measured results in situ showed that the computed excess pore water pressure and lateral earth pressure were consistency with those measured from in situ． Keywords ： multi-direction tridimensional bidirectional mixing pile； wet-jetting method； modified Cam-Clay model； excess pore water pressure； lateral earth pressure
图 1 主应力空间的修正剑桥模型屈服面和临界状态面 Fig． 1 Yield surface and critical state surface of modified
Cam-Clay Model in principal stress space
修正剑桥模型在平均主应力 p 和等效偏差应力
q 平面（ p － q 平面） 上塑性势面和屈服面的形状如
图 6 有限元模型网格划分 Fig． 6 Finite element meshes
表 1 模型网格信息 Table 1 Information for finite element meshes
单元类型
路堤部分
地基土部分
C3 D8
C3 D8 P
结点数 25 849
单元数 23 072
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 － 7 m / s，比 一般实验室测得上海软土的渗透系数要大。
关键词： 多方位立体双向搅拌桩； 湿喷法； 修正剑桥模型； 超孔隙水压； 侧向土压力
NUMERICAL SIMULATION OF THE PROCESS OF MMP PILING WITH WET-JETTING METHOD
Sun Dean Chen Yaoyao （ Department of Civil Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China）
1 —曲线 1，K = 1. 0 ； 2 —曲线 2 ，K = 0. 8 图 3 修正剑桥模型屈服面在 π 平面上的形状 Fig． 3 Yield surface of modified Cam-Clay Model
in the π-plane
图 4 MMP 桩成桩过程的模拟方法 Fig． 4 Simulation method of driving MMP pile
静压桩的 数 值 模 拟 方 法 一 般 采 用 圆 孔 扩 张 理 论［7］，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，注 入的泥浆 使 周 围 土 体 向 四 周 排 开，因 此 可 将 MMP 桩成桩过程看成扩孔的过程，如图 4 所示。MMP 桩
工业建筑 2012 年第 42 卷第 5 期
○ 孔压计； ● 土压力计 1—土层①和②填土和褐—灰黄色黏性土；
2—土层③灰色淤泥质粉质黏土； 3—土层④淤泥质黏土； 4—土层⑤褐灰色黏性土
图 5 计算简图 m Fig． 5 Calculation sketch
图 6 是三维有限元模型网格划分图。模型计算 时 的 单 元 类 型 、网 格 单 元 数 、结 点 数 等 计 算 信 息 如 表 1 所示。路堤部分单元没有考虑水土耦合。