真空預(yù)壓法在某軟基加固工程中對鄰近地基的影響

任延壽，劉天韻，陳智軍

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

在我國以長江三角洲、珠江三角洲為代表的河海交匯處是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域，它地處海濱、地勢平坦，也是人類文明的重要聚集地。但三角洲地區(qū)發(fā)展時(shí)往往遭遇地基承載力不足，陸域難以得到有效利用的困境，因此往往需要進(jìn)行地基加固處理。真空預(yù)壓法是軟基處理中常用的方法，能有效地提高淤泥地基的承載力。

真空預(yù)壓施工過程中，地基土體產(chǎn)生較大變形，會對相鄰地塊產(chǎn)生影響。目前國內(nèi)外對于軟基處理施工對周邊環(huán)境影響的研究已取得一定的研究成果。2001年，于志強(qiáng)、朱耀庭等[1]根據(jù)鉆孔試驗(yàn)結(jié)果，分析了真空預(yù)壓法加固軟土地基時(shí)對周圍土體土性指標(biāo)的影響，提出估算加固影響區(qū)可能發(fā)生變形的經(jīng)驗(yàn)方法。2005年，陳蘭云、朱建才[2]分析了不同研究深度的溝、不同模量、不同滲透系數(shù)的樁以及不同樁長等安全保障措施下真空預(yù)壓對周圍環(huán)境影響的效果。2006年，艾英缽[3]在廣州港南沙港區(qū)真空預(yù)壓加固吹填陸域軟土地基工程開展抽真空對周圍環(huán)境影響的現(xiàn)場試驗(yàn)研究及有限元分析研究，研究表明抽真空對加固區(qū)周圍土體的影響距離及深度與加固區(qū)外的土質(zhì)條件有關(guān)，周圍土體的土質(zhì)條件越好，影響距離及深度越小。2007年，艾英缽等[4]結(jié)合某真空預(yù)壓加固軟基工程中出現(xiàn)的臨近建筑物拉裂問題，進(jìn)行了真空預(yù)壓對周圍土體變形影響及減小其影響的防護(hù)措施的現(xiàn)場試驗(yàn)研究。2008年，金小榮等[5]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)從加固區(qū)外地下水位、側(cè)向變形和地表沉降變化看，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)的影響區(qū)為地基處理邊線外12.5 m。同時(shí)還分析了采用水泥攪拌樁隔離、開挖應(yīng)力釋放溝和采用樹根樁托換技術(shù)三類防治方法對減小周圍土體變形的作用。2008年，蔡南樹等[6]結(jié)合廣州港南沙港區(qū)二期工程軟基處理工程現(xiàn)場試驗(yàn)，綜合分析了真空預(yù)壓影響區(qū)的孔隙水壓、地下水位、沉降和側(cè)向變形等變化規(guī)律。

本文依托珠海橫琴島某真空預(yù)壓加固工程，采用數(shù)值分析方法模擬了真空預(yù)壓過程中相鄰區(qū)域的變形情況，研究了鄰近結(jié)構(gòu)物受到的影響以及隔離保護(hù)措施的防護(hù)效果，對后續(xù)的工程實(shí)踐提供了參考性建議。

1 工程概況

工程位于珠海市橫琴島，待加固的軟土地基區(qū)域全部為人工魚塘，按照設(shè)計(jì)要求，先將該區(qū)域填筑至2.0 m標(biāo)高后，再進(jìn)行真空預(yù)壓加固，設(shè)計(jì)真空壓力為-80 kPa，塑料排水板間距為1 m，呈正三角形布置，排水板平均深度為23.75 m，連續(xù)抽真空120 d以上，當(dāng)土體固結(jié)度超過85%后停止抽真空。

現(xiàn)待加固區(qū)域的相鄰地塊已經(jīng)交付使用，為避免真空預(yù)壓加固過程中產(chǎn)生的土體沉降對相鄰地塊產(chǎn)生影響，采用了如下防護(hù)措施：沿處理邊界打設(shè)雙排泥漿攪拌樁密封墻（密封墻內(nèi)邊緣為處理邊界），樁距500 mm，樁徑700 mm，一側(cè)樁長約8 m，入淤泥層3.0 m，靠近泵房側(cè)樁長約24 m，入砂質(zhì)黏土約1 m。

為了探究真空預(yù)壓加固軟土地基過程中對周邊地塊的影響程度，選取典型施工斷面進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示。圖1所示的真空預(yù)壓區(qū)上表面標(biāo)高為2.5 m，插板低標(biāo)高-21 m，靠近泵房側(cè)的水泥攪拌樁底標(biāo)高-24 m，伸入砂質(zhì)黏土約1 m。

圖1 典型計(jì)算斷面Fig.1 Typical calculation section

2 數(shù)值模型

運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。為簡便計(jì)算，將真空預(yù)壓加固軟土地基的三維問題簡化為二維平面應(yīng)變進(jìn)行處理，按對稱原則取施工斷面的一半開展計(jì)算，分析真空預(yù)壓加固軟土地基過程中對周邊環(huán)境的影響程度。

對真空預(yù)壓軟基處理的二維等效模擬，采用目前行業(yè)普遍接受的Indraratna[7-8]方法，即將土體分為涂抹區(qū)和非涂抹區(qū)，利用計(jì)算出涂抹區(qū)和非涂抹區(qū)的等效水平滲透系數(shù)來模擬真空預(yù)壓。土體采用摩爾-庫侖模型，水泥攪拌樁采用彈性模型。對相鄰已建成地塊，施加40 kPa均布荷載。模型左右水平向位移約束，模型底部約束豎向位移，為了簡化計(jì)算，將水位線位于真空預(yù)壓區(qū)上表面。

模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖2為計(jì)算斷面的幾何模型，左側(cè)為真空預(yù)壓區(qū)，寬度為14 m。右側(cè)斜坡以上為現(xiàn)有地塊，取寬度為60 m。為防止計(jì)算中出現(xiàn)力不平衡的現(xiàn)象，模型中采用斜坡形式模擬現(xiàn)有地塊和預(yù)壓區(qū)之間約2 m左右的高程差。整個(gè)幾何模型長77 m，高31 m，共61 632個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，共計(jì)40 482個(gè)單元。

表1 真空預(yù)壓區(qū)模型計(jì)算參數(shù)Table1 Model calculating parametersof vacuum preloading zone

圖2 計(jì)算斷面幾何模型Fig.2 Calculational section geometric model

3 模擬結(jié)果

圖3為計(jì)算得到的真空預(yù)壓加荷結(jié)束時(shí)豎向沉降。可知，在真空預(yù)壓區(qū)內(nèi)，最大位移發(fā)生在預(yù)壓區(qū)中心處，約1.91 m。隨著離中心處距離的增加，沉降逐漸減小，靠近邊界處攪拌樁附近時(shí)，沉降急劇減小，攪拌樁沉降為0.05 m。在現(xiàn)有地塊處也產(chǎn)生了一定沉降，但沉降幅度較真空預(yù)壓區(qū)小，靠近真空預(yù)壓區(qū)邊界外5 m處，最大沉降約0.15 m，與真空預(yù)壓區(qū)距離越遠(yuǎn)沉降越小。

圖3 真空預(yù)壓120 d時(shí)豎向沉降云圖Fig.3 Vertical settlement nephogram at 120 day vacuum preloading

圖4 為在真空預(yù)壓結(jié)束時(shí)側(cè)向位移云圖。由圖4可知，在真空預(yù)壓區(qū)表層發(fā)生向中心方向的側(cè)向位移，在真空預(yù)壓區(qū)中心，側(cè)向位移為0，隨著距離真空預(yù)壓區(qū)中心越遠(yuǎn)，側(cè)移逐漸增大，靠近邊界處的攪拌樁時(shí)最大為0.2 m。在現(xiàn)有地塊處也發(fā)生了向真空預(yù)壓區(qū)方向的位移，主要發(fā)生在真空預(yù)壓邊界外15 m范圍內(nèi)，其值較小。攪拌樁外側(cè)土體明顯有向真空預(yù)壓區(qū)內(nèi)位移的現(xiàn)象，在深度方向上，形成了小-大-小的側(cè)向位移變化趨勢，其最大值約為0.2 m。

圖5為真空預(yù)壓結(jié)束時(shí)真空預(yù)壓區(qū)和現(xiàn)有地塊表層土體沉降位移輪廓曲線。圖中明顯可見，現(xiàn)有地塊處靠近真空預(yù)壓區(qū)約25 m范圍內(nèi)發(fā)生較明顯的沉降變形，最大約為0.15 m，平均約為0.10 m，且波動幅度不大。25 m范圍之外，沉降變形很小，平均約為0.03 m。沉降分布比較均勻，未出現(xiàn)明顯不均勻沉降。

圖4 真空預(yù)壓結(jié)束時(shí)側(cè)向位移云圖Fig.4 Lateral displacement nephogram at the end of vacuum preloading

圖5 真空預(yù)壓結(jié)束時(shí)的沉降變形輪廓線Fig.5 Settlement deformation profile at theend of vacuum preloading

圖6 為計(jì)算模型表層土體在真空預(yù)壓結(jié)束時(shí)的側(cè)移變化曲線，側(cè)移幅值表示向真空預(yù)壓區(qū)方向位移。可見，在現(xiàn)有地塊距離真空預(yù)壓邊界外15 m處，發(fā)生側(cè)移最大約為0.035 m。隨著距離真空預(yù)壓邊界距離增大，側(cè)移逐漸減小。在距真空預(yù)壓邊界35 m范圍內(nèi)，平均側(cè)移約為0.025 m，側(cè)移分布較為均勻。在此以外區(qū)域，側(cè)移從0.02 m逐漸減小，直至為0。

圖6 表層土體側(cè)移曲線Fig.6 Lateral displacement curve of surface soil

4 結(jié)語

本文通過數(shù)值分析方法，研究了真空預(yù)壓過程對鄰近地基的影響，主要結(jié)論如下：

1）真空預(yù)壓引起鄰近地基的沉降主要影響范圍約為邊界外25 m區(qū)域，最大沉降變形約為0.15 m，平均約為0.1 m。25 m之外，沉降變形很小。

2）真空預(yù)壓引起現(xiàn)有地塊側(cè)移的主要影響范圍約為真空預(yù)壓邊界外15 m，最大側(cè)移為0.035 m；在真空預(yù)壓邊界外35 m范圍內(nèi)，平均側(cè)移為0.025 m。

3）經(jīng)計(jì)算，真空預(yù)壓加固軟土地基施工前，采用打設(shè)水泥攪拌樁密封墻的措施，可有效減小鄰近地基因真空預(yù)壓引起的豎向沉降和側(cè)向變形大小。