豎向排水體地基下的軸對稱及平面應變模型分析

徐耘野，李光范，駱俊暉

（海南大學土木建筑工程學院，海南海口 570228）

豎向排水體地基下的軸對稱及平面應變模型分析

徐耘野，李光范，駱俊暉

（海南大學土木建筑工程學院，海南海口 570228）

基于在實際工程中對豎向排水的三維建模比較困難，常常使用二維的平面等效應變模型進行分析.本文中根據不同的條件，分析了不同的二維平面應變模型.通過數值分析，對參數（n=re/rw，s=re/rs，η=kh/ ks）進行了研究，以確定影響因素.結果顯示，Hird的模型體現了良好的整體適用性.對于密實沙樁需要用不同的方法來進行有限元分析，需要考慮砂井中排水因素的剛度，同時還要考慮等效排水寬度.結果表明，在交叉區域，等效平面應變模型可以比三維分析模擬現場沉降更好.

豎向排水;平面應變;有限元

通過使用豎向排水，減少排水距離，可以加快土初始固結的速度.因此，豎向排水常常被用在軟土地基上，以加快土的初始固結.使用豎向排水，主要有以下幾個目的:

1）增加土的排水抗剪強度，加快土的快速固結;

2）減少預壓時間來降低施工后的沉降;

3）在初始固結階段減少不均勻沉降;

4）減少大量的附加條件，在一定時間內達到一定的預壓量.

傳統的解決方案只適用于單向排水分析，而對于多向排水的分析則需要其他的方法.雖然在沿路堤中線的土壤的性能上，單向排水的分析往往就足夠了，但是若是需要考慮沿路基寬度方向的重力荷載變化的影響，并準確地預測沉降和側向位移時，多向排水的分析就是必不可少的.為了分析多向排水，就需要一個能模擬原位固結性質的三維軸對稱模型［1］.然而，在三維分析中有很多的困難，而且需要大量的時間.因此，處于原位狀態的實際三維模型，可以通過使用一些等效模型，轉換成等效的二維平面應變模型.

1 研究現狀

1.1 豎向排水的理論 Rendulic（1935）提出了在徑向排水情況下一維垂直壓縮的微分方程

式中，ch（=kh/（γwmv））是水平固結系數.

Carillo（1942）提出了在一維壓縮的情況下，縱向和徑向流動的超孔隙水壓力ur，z的求解方程.

式中，cv（=kv/（γwmv））是垂直固結系數，ur是只有徑向流動時候的超孔隙水壓力，uz是只有縱向流動時候的超孔隙水壓力.

Barron（1948）提出的固結理論，包括了涂抹效應和阻力的影響，他利用太沙基固結理論作為如下基本假設:

1）所有垂直荷載的初始超孔隙水壓力都為u;

2）土體中所有壓縮應變都發生在一個垂直方向;

3）考慮在地基上的任何一點的載荷分配和每個井固結速率的影響;

4）每個井的影響的區域是一個圓;

5）對這個區域的載荷分布是均勻的.

在這5個基本假設的前提下，Barron提出了自由應變的邊界條件，等效的垂直應變，考慮了涂抹效應，最終提出了豎向變形和土體平均固結度的微分方程.

1.2 二維的豎向排水模型 到目前為止，在所有對豎向排水井地基的分析方法中，當所分析的單向排水影響的區域為一個圓形區域時，都采用了“單元”這樣一個概念.對“單元”做了以下假設:每一個單元獨立工作，所有的變形都只發生在土體內部的垂直方向［2－3］.然而，由于假設中沒有側向位移，所以在實際工程中很有可能出現不穩定，因此，將豎向排水看成一個三維問題似乎更為合理.然而，在三維條件下，對豎向排水的離散模型的有限元計算將使得常規分析變得十分復雜［4］，因此，二維模型的分析更實際.所以，在固結分析的時候，需要將實際情況中的三維空間的排水轉化為二維的平面應變模型來進行分析.Shinsha （1982），Bergado（1994），Hird（1992），Lee（1997）等人都提出了自己的二維平面應變模型.

1.2.1 Bergado的模型在Bergado的模型中，考慮了涂抹效應對滲透性的影響，而且假設在滲流狀態下，滲透系數是相互獨立［5］.

1.2.2 Hird的模型在平面應變的情況下，Hird根據Hansbo的理論，提出在2個單元內，在任何時間和任何深度下的平均固結度U在理論上都是相同的［6］.Hied等人提出了下面3個條件方程［7］:

除了以上2種模型外，還用Cheung，Shinsha，Lee等模型來研究二維的豎向排水.本文主要對Bergado模型和Hird模型進行了研究.

2 數據分析結果

3.1 等效平面應變模型的比較

3.1.1 模型特性分析模擬100 kPa的速率加載，觀察其瞬時應變.為了構建有限元分析模型，使用彈性模型來模擬粘土地基和排水管，輸入參數詳見表1，有限單元網格如圖1所示.

表1 模型特性的輸入參數

圖1 單元分析的有限元網格

3.1.2 涂抹效應確定了涂抹區之后對其進行數值分析，通過軸對稱模型分析出平面應變模型的作用.

圖2 比較t50時的考慮涂抹效應的區域地基，n=8

圖3 比較t90時的涂抹效應，n=8

圖4 比較U50時所用的時間

圖5 比較U90時所用的時間

假設n=re/rw=8，dw=0.5 m，de=4 m，涂抹區的參數比排水井參數大1～5倍，其滲透性在1/2和1/5之間.圖2和圖3是n，re/rw和kh/ks不同取值時的影響（以n=8時為例）.3.1.3不同n=re/rw取值下等效模型對比在砂井中，排水井的參數為40 cm，其n的值分別取5，8，12，20;而預制豎向排水井的參數是0.05 cm，n的取值分別為20，30，40.分析時，除了用Hird模型和Bergado模型外，同時也采用Cheung模型、Shinsha模型和Lee模型分別對U50和U90的所用時間進行研究，如圖4和圖5所示.

從圖4和圖5可看出，通過軸對稱比較分析的結果，可以得到以下結果:

1）U50所用時間的比較

①砂井（n取值從5～20）:

②預制垂直排水井（n取值從20～40）:

2）U90所用時間的比較

①砂井（n取值從5～20）:

②預制垂直排水井（n取值從20～40）:

3.2 固結分別達到50%和90%所用時間的修正方程 假設涂抹區參數和涂抹區滲透性是連續的，對于Hird模型和Bergado模型，可以通過n的賦值得到下列修正方程.

其中:對于Hird模型（5≤n≤40），a1=－88.00，b1=18.60，a2=－57.25，b2=15.61;對于Bergado模型（5≤n≤40），a1=－66.63，b1=3.31，a2=－29.91，b2=4.10.

3.3 三維分析 用有限元分析軟件ABAQUS進行3D分析，以分析排水系統中的交叉影響.

圖6 三維網格單元圖

圖7 等效的三維分析

為了能夠利用ABAQUS（版本5.8）中的8節點立方體單元將砂井理想化為相兼容的單元，把每一個砂井的圓截面轉化為同等面積的方形面.3D分析中排水地基進行有限元理想化的概念可以參見圖6，7.以n=5為例，將交匯區域的沉降和超孔隙水壓力的模擬結果作圖，如圖8和圖9所示.

3.4 考慮排水剛度的結果 倘若豎向排水井這類排水管道剛度是可以忽略的排水系統，Hird模型能夠很好地預測其固結性狀，那么，當要預測排水砂樁或是擠密砂樁這類剛度較大的排水系統時，就需要考慮排水井剛度這一因素.因此，平面應變模型中垂直排水管的寬度，可以通過同時在軸對稱模型和平面應變模型中考慮排水管道剛度來加以調整.結果見圖10和圖12.

圖8 交匯區域的沉降，n=5

圖9 交匯區域的超孔隙水壓力，n=5

圖10 沉降隨排水剛度的變化

圖11 修正排水寬度的沉降比較

3.5 現場數據的應用（Seochon） 在SC-A區域，要安裝袋裝砂井（dw=12 cm，S=3.1 m），而在SC-B區域，則要安裝塑料排水板（dw=5 cm（排水等效半徑，Hansbo），1.3 m）.袋裝砂井是砂井的一種，它具有排水剛度.隨著時間的流逝，砂井的剛度可能會減緩固結的速度，因此有必要考慮排水剛度，從而能夠更加準確地模擬現場性狀［8］.結果見圖12，13和表2.

圖12 儀器截面SC-A（Cho，1998）

圖13 路堤沉降和荷載曲線關系（SC-A）

表2 MCC模型有限元分析

4 結 論

本文通過對不同平面應變模型的參數研究，再加上采用ABAQUS進行3D分析，得出了如下結論:

1）總體上看，可以利用平面應變模型來預測固結性狀;

2）可以使用修正方程來預測彈性模型中固結度為50%和90%時的運行時間;

3）在模擬砂井和密實砂樁時，要考慮到剛度的影響，對排水管道的等效寬度進行修正;

4）對于交叉區域，等效平面應變模型能夠比3D模型更好地模擬現場處理;

5）盡管在估算特定區域的超孔隙壓力上還存有一定的局限性，但是平面應變模型完全可以應用于垂直排水管的設計實踐中.

［1］蔣春霞.含豎向排水體地基固結變形問題研究綜述［J］.山西建筑，2008，34（34）:121－122.

［2］BARRON R A.Consolidation of fine-grained soils by drain wells［J］.Transactions of the American Society of Civil Engineers，1948，113:718－742.

［3］HANSBO S.Consolidation of fine-grained soils by prefabricated drains Proceedings of 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，Stockholm，June 15－19，1981［C］.Stockholm:Balkema A A，Rotterdam，1982.

［4］秦道標.含豎向排水體的軟土路基固結分析［J］.山西建筑，2009，35（6）:279－280.

［5］BERGADO D T，LONG P V.Numerical analysis of embankment on subsiding ground improved by vertical drains and granular piles Proceedings of 13th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，New Delhi，January 5－10，1994［C］.［S.l.］:Taylor＆Francis，1994.

［6］HIRD C C，PYRAH I C，RUSSELL D.Finite element modelling of vertical drains beneath embankments of soft ground［J］.Geotechnique，1992，42（3）:499－511.

［7］HIRD C C，PYRAH I C，RUSSELL D，et al.Modelling the effect of vertical drains in two-dimensional finite element analysis of embankments on soft ground［J］.Can.Geotech.J，1995，32:795－807.

［8］蔣春霞.含豎向排水體地基軸對稱固結及平面應變等效固結分析［D］.江蘇:河海大學，2005.

Axisymmetric and Plane Strain Model Analysis of Foundation with Vertical Drainage Body

XU Yun-ye，LI Guang-fan，LUO Jun-hui

（College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228，China）

Due to the difficulties of modeling with three dimensional（3-D）axisymmetric multidrain systems，equivalent plane-strain analysis has generally been used.In this paper，based on the different conditions，the evaluation of various two-dimensional（2-D）plane-strain models were conducted to find appropriate models.Parametric were studied to determine influencing factors（n=re/rw，s=re/rs，η=kh/ks）via numerical analysis.The results suggested that Hird’s model showed a good overall match.Sand Compaction Pile（SCP）required different methodologies for the finite element analysis of vertical drains，and it was necessary to consider the stiffness of drain elements in sand drains and the equivalent drainage width.In the intersection zone，the effects of simulating field settlement of plane strain models were better than that of 3-D analysis.

vertical drains;plane strain;FEM

TQ 639.2

A

1004－1729（2012）01－0048－06

2011－09－20

徐耘野（1986－），男，貴州安順鎮寧人，海南大學土木建筑學院2009級碩士研究生.

李光范（1959－），男，海南大學土木建筑學院教授，博士.