真空預(yù)壓工藝中幾種計(jì)算固結(jié)沉降方法的比較分析

臧 冰 柳家凱

(中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑用地越來越少，轉(zhuǎn)而發(fā)展海洋空間。吹填淤泥填海造陸技術(shù)在環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益上均具有巨大的優(yōu)勢(shì)，具有施工周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本文依托威海港軟基處理工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬結(jié)果和理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降值對(duì)比分析，從而獲得更為貼近實(shí)際的固結(jié)沉降計(jì)算方法，提高固結(jié)沉降預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，利用實(shí)測(cè)沉降曲線擬合法預(yù)測(cè)卸載時(shí)間，研究成果具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

本工程位于威海某港區(qū)貨場(chǎng)后方圍堰約28萬m2，為吹填淤泥填海形成的軟土地基，工程使用性質(zhì)為貨物堆場(chǎng)。按照設(shè)計(jì)要求，場(chǎng)地先采用真空預(yù)壓法對(duì)地基進(jìn)行初步處理，后回填開山石進(jìn)行強(qiáng)夯處理。本文將以1號(hào)圍堰試驗(yàn)1區(qū)實(shí)測(cè)沉降值與其他計(jì)算方法計(jì)算值對(duì)比分析研究。

2 理論計(jì)算法計(jì)算最終沉降量

真空預(yù)壓過程中，排水板打設(shè)深度為14 m，均未穿透粘土層，土體排水主要沿著排水板向上排出，因此固結(jié)方式為單向排水固結(jié)，本文均以此為基礎(chǔ)分析。

現(xiàn)有規(guī)范中，計(jì)算地基最終沉降通常采用分層總和法以及應(yīng)力面積法(分層總和法的一種)，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[1]中利用式(1)計(jì)算。

分層總和法是將土層按照土的性質(zhì)分成許多層，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)獲得壓縮性指標(biāo)，即：

(1)

3 曲線擬合法推算最終沉降量

根據(jù)實(shí)測(cè)沉降曲線擬合法來估算地基最終沉降量，常用到雙曲線法和三點(diǎn)法。

3.1 雙曲線法[2]

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用此方法擬合算得1號(hào)圍堰試驗(yàn)1區(qū)地基最終沉降量為67.8 cm。

3.2 三點(diǎn)法[2]

U=1-αe-βt。

根據(jù)實(shí)測(cè)沉降，平均固結(jié)度可表示為：

可得：

St=(S∞-Sd)(1-αe-βt)+Sd。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用此方法擬合算得1號(hào)圍堰試驗(yàn)1區(qū)地基最終沉降量為65.6 cm。

3.3 預(yù)測(cè)卸載時(shí)間

真空預(yù)壓法處理軟土地基卸載指標(biāo)一般包括兩個(gè)方面：固結(jié)度和沉降速率。本工程需滿足固結(jié)度達(dá)到85%，且連續(xù)10 d平均沉降速率不大于2 mm/d，設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)抽真空滿載時(shí)間為5個(gè)月。

理論分析：

t時(shí)刻地基沉降量St=UtS∞，利用雙曲線法，得：

城市軌道交通線路的走向和相互交織形式，一般包括垂直交叉、斜交、平行交織等多種形式。為提高服務(wù)水平，地鐵車站的換乘要求在付費(fèi)區(qū)內(nèi)完成。車站換乘可分為平行換乘(主要包括上下式“島-島”平行換乘和同層式“島-島”平行換乘)、節(jié)點(diǎn)換乘(主要包括十字島側(cè)換乘、十字島島換乘、T 字島島換乘和L形島島換乘)、站廳換乘、通道換乘、混合換乘等基本形式。

根據(jù)三點(diǎn)法原理，t時(shí)刻地基沉降量為：

St=UtS∞=(1-αe-βt)S∞。

上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得t時(shí)刻沉降速率：

則t時(shí)刻剩余固結(jié)沉降Sc為：

Sc=S∞(1-Ut)=αe-βtS∞。

所以，由以上兩式可得，在真空荷載作用下，t時(shí)刻的沉降速率與剩余固結(jié)沉降之間的關(guān)系：

因此，根據(jù)上式可計(jì)算剩余固結(jié)沉降的沉降速率。

4 數(shù)值模擬法計(jì)算沉降

本文基于FLAC3D對(duì)真空預(yù)壓法施工過程產(chǎn)生的沉降進(jìn)行計(jì)算分析，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降值和理論計(jì)算值對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算方法的合理性，獲得更為貼近實(shí)際的固結(jié)沉降。

4.1 模型建立

在對(duì)真空預(yù)壓加固軟基的數(shù)值分析過程中需要對(duì)土體作一定的假設(shè)和簡化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本文建模時(shí)做了如下假設(shè)：

2)孔隙水的流動(dòng)符合達(dá)西定律；

3)土體的滲透特性假定為各向同性；

4)現(xiàn)場(chǎng)地下水位較高，假設(shè)地下水位與地表持平，土體和砂墊層為完全飽和；

5)模型中排水板等效為直徑6.6 cm的砂井。

真空預(yù)壓面積較大，在模型建立時(shí)，可以把整個(gè)場(chǎng)區(qū)作為一個(gè)半無限體來考慮，這樣可任取一微單元進(jìn)行分析。現(xiàn)場(chǎng)采用B型塑料排水板作為垂直排水通道，正方形布置，間距1 m，打設(shè)深度為14 m。所以模型建立采用實(shí)體六面體單元，原點(diǎn)設(shè)置在地表以下18 m某一塑料排水板中心處，即土層厚度為18 m，沿x軸方向取2 m，y軸方向取2 m，數(shù)值模擬中部分土層參數(shù)見表1，泊松比及滲透系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。

表1 土層參數(shù)[3]

4.2 孔隙水壓力模擬成果分析

在計(jì)算模型表層沉降的同時(shí)，也記錄了模型中心地下8 m處孔隙水壓力變化情況。以1號(hào)圍堰試驗(yàn)1區(qū)為例，對(duì)孔隙水壓力

模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值作對(duì)比分析，如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)在加載16 d時(shí)，施工方停止抽真空約5 d，來鋪設(shè)膜上土工布，導(dǎo)致孔隙水壓力出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，在數(shù)值模擬中，相應(yīng)的在此階段停止加載。

5 計(jì)算成果對(duì)比分析

不同計(jì)算方法獲得的計(jì)算成果見表2，表2中沉降值為地基最終沉降量，表2中數(shù)據(jù)乘以85%即可得到固結(jié)度達(dá)到85%時(shí)的地基沉降量。由表2可以看出，不管是由分層總和法還是應(yīng)力面積法計(jì)算獲得的沉降值都較實(shí)測(cè)曲線推算的沉降值大，而由FLAC3D模擬獲得的沉降值與實(shí)測(cè)曲線推測(cè)的沉降值差值相對(duì)較小，能夠較好的模擬真空預(yù)壓施工階段地基沉降。

表2 不同計(jì)算方法計(jì)算成果 cm

6 結(jié)語

1)本文數(shù)值模擬獲得的地基沉降量較理論計(jì)算值更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值；

2)數(shù)值模擬可以模擬插板期間沉降，這是理論計(jì)算無法實(shí)現(xiàn)的；

3)在缺少真空預(yù)壓施工經(jīng)驗(yàn)的威海地區(qū)，建議使用雙曲線法來推測(cè)地基最終沉降量；

4)通過數(shù)值模擬分析可相對(duì)準(zhǔn)確的獲得真空預(yù)壓施工階段地基沉降量，并依此估算后續(xù)施工最終填土材料的用量，這為施工成本預(yù)算提供重要依據(jù)；

5)依據(jù)實(shí)測(cè)沉降擬合曲線推導(dǎo)的計(jì)算卸載時(shí)間方法可行，能夠較好的預(yù)測(cè)出卸載時(shí)間，減少了抽真空時(shí)間，節(jié)約了大量資金，并為合理安排后續(xù)工作提供依據(jù)。

[1] JGJ 79—2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2] HGT 20578—2013,真空預(yù)壓法加固軟土地基施工技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 核工業(yè)青島工程勘察院.威海港新港區(qū)1號(hào)圍堰地基處理前勘察報(bào)告[R].2012.