數(shù)值計(jì)算方法在軟土地基處理中的應(yīng)用

王沫為

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

軟土地層具有壓縮性高、滲透性弱、強(qiáng)度低、完成固結(jié)沉降時(shí)間長等特點(diǎn)，其上的建筑及其基礎(chǔ)設(shè)施易受穩(wěn)定性和沉降問題的影響，沉降過程較長[1-2]。塑料排水板與預(yù)加荷載相結(jié)合是一種經(jīng)濟(jì)有效的方式，可以減少因道路或建筑基底分布的附加荷載引起的地層沉降，并加速軟土地基的沉降過程。

塑料排水板由塑料芯材、土工織物過濾材料組成，通常寬度為10 cm，厚度為3～4 mm，其主要功能為確保細(xì)顆粒不能通過并確保排水通暢[3]，是一種豎向排水方式。豎向排水的目的是縮短水的排水路徑，從而減少因附加荷載引起的土體固結(jié)時(shí)間。豎向排水的有效性取決于排水口的間距和排水管的排水能力。在地基處理中，豎直排水只會加速地層的主固結(jié)過程，不會加速次固結(jié)過程。 因此，豎直排水必須與預(yù)壓排水結(jié)合使用。

2 排水特性

2.1 影響直徑

塑料排水板的作用機(jī)理和砂井地基類似，排水的影響區(qū)域?yàn)榕潘艿母采w區(qū)域，其面積可由Hansbo[3]提出的排水間距和布置模式來確定。PVD常見布置方式有正方形和三角形[4]，對于方形布置，De=1.13S，對于三角形布置，De=1.05S，其中De為影響區(qū)域的直徑，S為芯棒間距。

2.2 PVD的等效直徑

大多數(shù)PVD產(chǎn)品的截面為矩形，以方便儲存、運(yùn)輸和布置。為了簡化設(shè)計(jì)，PVD的寬度(w)和厚度(h)需要被轉(zhuǎn)換成直徑為dw的等效圓形，有

dw=2(w+h)/π

(1)

2.3 涂抹效果

PVD通常由一個(gè)可振動的芯棒組成，其對周圍地層的擾動程度與芯棒的尺寸、形狀及是否可拆卸等有關(guān)。排水管周圍的擾動區(qū)稱為涂抹區(qū)。與固結(jié)前相比，由于地層被擾動，地層所受到的壓力降低，其壓縮性增加，地層的水平滲透性降低。滲透系數(shù)比為kh/kv，kh為未受到擾動的水平滲透系數(shù)，kv是涂抹區(qū)的滲透系數(shù)。對于大部分軟黏土，特別是淤泥和有機(jī)質(zhì)地層，其比值一般小于3；對于具有均勻沉積環(huán)境的海相黏土，kh/kv為1～1.5；對于湖相黏土、不連續(xù)透鏡的黏土和透水性較高的地層，kh/kv為2～5[5-7]。

3 數(shù)值計(jì)算方法

采用ABAQUS軟件對在不同排水長度下的單個(gè)圓形PVD進(jìn)行建模分析[8-10]，其影響區(qū)域?yàn)閳A形，可以簡化成軸對稱模型進(jìn)行分析。

分別對三種不同間距(1.0 m、1.5 m和2.0 m)的模型在兩種不同排水長度(12 m、20 m)下進(jìn)行模擬。根據(jù)Hansbo提出的公式計(jì)算等效排水半徑[3]，而涂抹區(qū)的半徑基于Bergado等人[6]提出的建議進(jìn)行計(jì)算。所建立的模型為二維軸對稱網(wǎng)格模型，計(jì)算元素為具有雙線性位移和雙線性孔隙壓力變化的四節(jié)點(diǎn)軸對稱四邊形單元。對于邊界條件的設(shè)置，在模型的底部約束垂直和水平位移，在模型的最左側(cè)和右側(cè)施加水平位移約束，認(rèn)為模型地層與鄰近地層之間無摩擦界面。參考地勘報(bào)告和相關(guān)文獻(xiàn)[11-15]，選擇50 kPa的固結(jié)壓力，模擬單位重度為16 kN/m3的附加載荷(3 m土柱高度)，數(shù)值模型網(wǎng)格如圖1所示，數(shù)值計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖1 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

名稱取值ρ(密度)/(kg/m3)1835E(楊氏模量)/(kN/m2)30000ν(泊松比)0.30e(孔隙比)1.2kw(PVD的滲透系數(shù))/(m/s)1.0×10-3kv(涂抹區(qū)的滲透系數(shù))/(m/s)0.6×10-9kh(未擾動區(qū)的滲透系數(shù))/(m/s)1.8×10-9rw(等效排水半徑)/m0.03re(影響區(qū)半徑)/m0.53、0.79、1.05rs(涂片區(qū)半徑)/m0.09

數(shù)值計(jì)算時(shí)，先對原始地層進(jìn)行初始應(yīng)力場計(jì)算，再對地基設(shè)置PVD，并在模型頂部地表施加50 kPa荷載，直至沉降固結(jié)穩(wěn)定。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 沉降速率

為了研究PVD設(shè)置間距對不同厚度軟黏土沉降的影響，在數(shù)值分析中考慮了三種不同的排水間距、兩種不同軟黏土厚度。 圖2和圖3分別反映了黏土層厚度為12 m和20 m時(shí)不同排水間距的沉降速率。

圖2 厚度12 m軟黏土沉降曲線

圖3 厚度20 m軟黏土沉降曲線

從圖2和圖3可以看出，對于兩種不同厚度的軟黏土，1.0 m間距較之1.5 m和2.0 m間距，其初始沉降完成時(shí)間較短。此外，沉降速率隨著排水間距的減小而增加。兩種不同厚度未設(shè)置PVD的軟黏土沉降速率均低于設(shè)置不同間距PVD的沉降速率。

4.2 固結(jié)度

如圖4和圖5所示，12 m和20 m厚度的軟黏土在無PVD處理的情況下，完成最終固結(jié)沉降需要大約9 000多d(300個(gè)月)才能完成，這比使用PVD的沉降時(shí)間要長很多。對于兩種不同厚度的軟黏土，在排水間距減小的情況下，完成固結(jié)的時(shí)間也相應(yīng)縮短。PVD的長度對各種間距的固結(jié)時(shí)間幾乎沒有影響[7]。因此，當(dāng)設(shè)置小間距的PVD時(shí)，容易對地層造成更大的干擾。在間距較小處觀察到的較大沉降也可能由于二次壓縮造成。當(dāng)固結(jié)率增加時(shí)，地層會較早達(dá)到初始固結(jié)程度，從而導(dǎo)致二次壓縮以較高的速率提前發(fā)展。

圖4 厚度12 m軟黏土固結(jié)度曲線

圖5 厚度20 m軟黏土固結(jié)度曲線

PVD間距為1.0 m、1.5 m和2 m時(shí)，軟土完全固結(jié)需要100 d(3個(gè)月)至2 000 d(66個(gè)月)，而沒有設(shè)置PVD處理的情況下，需要超過9 000 d(約300個(gè)月)。由此可見，這個(gè)模型的地下水流動方式是通過排水邊界向頂部的單向排水。在排水過程中，涂抹區(qū)和未受擾動區(qū)的滲透系數(shù)不同(與固結(jié)過程中進(jìn)入排水管的水流量有關(guān))。

4.3 超孔隙水壓力

當(dāng)排水間距分別為1.0 m、1.5 m和2.0 m時(shí)，超孔隙水壓力的消散結(jié)束時(shí)間分別約為200 d、400 d和800 d。由徑向流動和等效半徑理論可知，在兩種不同厚度軟黏土情況下，設(shè)置PVD對超孔隙水壓力消散趨勢沒有明顯的影響(如圖6、圖7)。

圖6 厚度12 m軟黏土超孔隙水壓力消散曲線

圖7 厚度20 m軟黏土超孔隙水壓力消散曲線

5 結(jié)論

對不同厚度(12 m、20 m)的軟土及不同間距(1.0 m、1.5 m和2.0 m)的PVD進(jìn)行建模，采用施加50 kPa附加荷載對PVD排水過程進(jìn)行數(shù)值分析，并與未設(shè)置PVD處理的情況進(jìn)行比較。 經(jīng)過分析，對于12 m和20 m的軟土，隨著設(shè)置PVD芯棒間距的減小，可以顯著增加地基固結(jié)沉降速率。PVD芯棒間距越小，超孔隙水壓力耗散越快。因此，設(shè)置一個(gè)有效的排水固結(jié)系統(tǒng)和適宜的地基處理方法是軟土地基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。