濱海吹填土區(qū)域真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理效果數(shù)值模擬分析

李志祥 （騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 臺(tái)州 318050）

0 前言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市對(duì)土地資源的需求也日益提升，而在我國(guó)部分沿海地區(qū)，充斥著諸多軟土甚至灘涂地基，這給城市土地的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。目前，常用的地基處理方法包括換填法、壓實(shí)法、擠密法、排水法、固化法、加筋法等。而在對(duì)于含水量高的濱海軟黏土地基，最常用的處理方法是堆載預(yù)壓法，即在原始地基上施加外荷載，使土層中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，并逐步消散增加有效應(yīng)力從而促使土體產(chǎn)生壓縮固結(jié)。而真空預(yù)壓可通過(guò)抽真空的方式加速孔隙水壓力的釋放，這兩種處理方式的結(jié)合極大縮短了地基固結(jié)所需的時(shí)間，效果顯著，且具有無(wú)噪聲、施工工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。

張崇旗等[1]監(jiān)測(cè)了某碼頭地基處理工程，發(fā)現(xiàn)加固區(qū)在30天后孔隙水壓力達(dá)到穩(wěn)定，超靜孔隙水壓力受真空荷載的影響，真空荷載隨深度衰減且與土層性質(zhì)相關(guān)。鄧岳保等[2]研究了真空堆載預(yù)壓過(guò)程中溫度對(duì)土體固結(jié)過(guò)程的影響，當(dāng)土體溫度達(dá)到40℃時(shí)，最終沉降量及徑向固結(jié)系數(shù)均大幅度提升，并從土的溫度效應(yīng)及真空汽化等方面進(jìn)行了理論分析。張力等[3]運(yùn)用有限元數(shù)值模擬的方法，對(duì)某實(shí)際工程進(jìn)行了沉降特性分析，分析了不同的排水板特性對(duì)地基沉降的影響。林澍等[4]通過(guò)有限元分析對(duì)水下真空預(yù)壓進(jìn)行了研究，結(jié)合滲流及固結(jié)理論提出了考慮上覆水情況下地基沉降的計(jì)算方法。王征亮等[5]研究了上覆硬殼層下臥深厚軟土地基區(qū)域的真空預(yù)壓，監(jiān)測(cè)了各層沉降及孔隙水壓力，運(yùn)用原位檢測(cè)技術(shù)測(cè)試了加固前后的物理力學(xué)性質(zhì)，驗(yàn)證了真空堆載預(yù)壓在該種特殊地基下的處理效果。任延壽等[6]依托實(shí)際工程，采用數(shù)值模擬的方法，分析了真空堆載預(yù)壓對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)水泥攪拌樁密封墻可減小周邊建筑物的豎向及側(cè)向位移。

1 工程概況

工程位于臺(tái)州灣灘東部，周?chē)鷪?chǎng)地大部分區(qū)域?yàn)樵紴┩浚瑪M建項(xiàng)目為市政道路。

1.1 水文地質(zhì)

擬建場(chǎng)地的地下水主要為第四系松散巖類(lèi)空隙潛水，賦存于第四系全新統(tǒng)海積層中；除表層填土為強(qiáng)透水層外，其它土層均為弱透水層。空隙潛水地下水動(dòng)態(tài)變化主要受大氣降水影響及地表水入滲補(bǔ)給。年平均變化幅度在1.50m～2.00m。勘察期間場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深為0.00～5.10m。

1.2 工程地質(zhì)

勘察區(qū)所在地地震活動(dòng)頻率低、幅度小，抗震設(shè)防烈度為6度，場(chǎng)地內(nèi)無(wú)影響工程建設(shè)的不良地質(zhì)作用。根據(jù)鉆探揭露，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，主要壓縮層包括三層，各地層參數(shù)見(jiàn)表1（為方便后續(xù)有限元數(shù)值模擬，在不影響分析效果的前提下，已對(duì)地層做簡(jiǎn)化）。

1.3 處理方法概述

圖1 處理設(shè)計(jì)圖

土層參數(shù)表 表1

采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載處理，石渣堆載至設(shè)計(jì)路面標(biāo)高+80cm。底層填筑60cm厚的砂墊層，塑料排水板采用C型塑料排水板，排水板間距0.8m，正方形布置，加固范圍主要為吹填土和下層軟土，處理深度為20m；增壓管置于排水板所圍成的正方形中心位置，總長(zhǎng)度為3.5m。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓時(shí)間為6個(gè)月，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓及工程前期準(zhǔn)備總工期約9個(gè)月。

2 有限元模型介紹

2.1 模型建立方法

所用軟件為麥達(dá)斯公司的GTS NX，模型共3515個(gè)節(jié)點(diǎn)，3430個(gè)單元，土體部分均采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)，土體參數(shù)見(jiàn)第1小節(jié)。模型中，上覆堆土層使用均布荷載進(jìn)行模擬，排水板采用植入式桁架，在砂墊層與第一層土層及排水板中添加排水條件，加固區(qū)表面添加負(fù)節(jié)點(diǎn)水頭模擬抽真空的過(guò)程。模型整體添加邊界約束及自重荷載，水位線位于砂墊層下方。網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 排水板的等效計(jì)算

目前在實(shí)際工程中，含排水板的地基固結(jié)多采用近似等效計(jì)算，而等效計(jì)算的方法也不一而足。Barron[7]研究了圓形砂井的固結(jié)規(guī)律；Lekha[8]推導(dǎo)了在土體滲透系數(shù)及壓縮模量變化條件下的一維非線性固結(jié)方程；黃朝煊[9]等將排水板等效成橢圓柱體進(jìn)行計(jì)算。

本文把排水板等效為砂井進(jìn)行計(jì)算，有如下假定[10]：①地基中僅有豎直變形,且同一深度上任一點(diǎn)變形相等；②水平向和豎直向滲流可單獨(dú)考慮；③豎墻內(nèi)任一深度沿水平向孔壓相等,豎墻周?chē)魅胴Q墻的水量等于豎墻中向上水流的增量；④豎墻除滲透系數(shù)與土體不同外，其他物理力學(xué)性質(zhì)與土體相同。

其中，dw為等效砂井直徑，mm；de為等效砂井影響直徑，mm；b為排水板寬度，mm；δ為排水板厚度,mm；a為換算系數(shù)；l為排水板間距,mm；n為等效砂井井徑比,Bw為等效砂墻厚度，mm；B為等效砂墻間距。

同時(shí)，考慮地基水平變形及砂井的涂抹作用，砂墻滲透系數(shù)按照下式[11]計(jì)算：

ka為砂井地基滲透系數(shù)，D為調(diào)整系數(shù)。

本文各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

等效計(jì)算參數(shù)表 表2

2.3 施工階段劃分

將模型劃分為三個(gè)施工階段，第一階段為自然固結(jié)階段，為處理前階段，進(jìn)行位移清零操作。第二階段為抽真空階段，施加負(fù)節(jié)點(diǎn)水頭，此階段持續(xù)30天。第三階段為堆載階段，在加固區(qū)上方施加均布荷載，此階段持續(xù)180天。

3 地基沉降變形

真空預(yù)壓過(guò)程中，沉降主要包括三個(gè)部分：插設(shè)排水板期間引發(fā)的沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降。在真空預(yù)壓設(shè)計(jì)過(guò)程中，最常采用的是一維固結(jié)理論，將真空壓力等效成為堆載荷載，而不考慮負(fù)壓的影響。這種等效與土體實(shí)際固結(jié)過(guò)程存在差異，而且也無(wú)法體現(xiàn)抽真空的過(guò)程方式對(duì)土體固結(jié)的影響。但在工程中，在最終沉降結(jié)果的計(jì)算上，可采用此方法近似計(jì)算。本文將分別采用兩種方法進(jìn)行沉降計(jì)算。

3.1 考慮負(fù)壓的沉降計(jì)算

當(dāng)真空負(fù)壓值為90kPa,堆載為80kPa時(shí)，最大沉降發(fā)生在堆載中心點(diǎn)，沉降量為35cm，在距離加強(qiáng)區(qū)中心點(diǎn)26m處開(kāi)始發(fā)生隆起，最大隆起值為7.8cm，沉降云圖如圖3。

其他荷載條件下沉降云圖如圖4～圖5。

3.2 真空荷載等效計(jì)算方法

劉兵[10]通過(guò)有限元計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)，堆載引起的地基豎向沉降要比抽真空所引起的地基豎向沉降大，若用瞬時(shí)堆載來(lái)等效，固結(jié)過(guò)程與真空荷載明顯不一致，在施加堆載時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)沉降。但采用等效堆載壓力值，總沉降量與抽真空引起的沉降值相當(dāng)。本小結(jié)將使用該種等效計(jì)算方法對(duì)最終沉降進(jìn)行計(jì)算，將真空荷載縮小10%等效成為堆載。

圖3 沉降云圖（80kPa）

圖4 沉降云圖（30kPa）

圖5 沉降云圖（100kPa）

在真空負(fù)壓為90kPa,堆載80kPa的條件下，用等效荷載的模擬方法，其沉降云圖如圖6。

圖6 等效真空荷載變形云圖

最大沉降量為31.6cm,較直接計(jì)算方法減少3.6cm,最大隆起值為5.7cm,較直接計(jì)算方法減少2.1cm。而發(fā)生隆起的起始位置也由距加強(qiáng)區(qū)26m減少到減少至20m，偏移了6m之多，發(fā)生該現(xiàn)象的原因主要由于加載方式的不同。通過(guò)抽真空的過(guò)程，導(dǎo)致排水體中的孔隙水壓力降低，與周?chē)馏w產(chǎn)生孔壓差，周?chē)馏w中的水經(jīng)排水板被抽出，孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加，從而連帶周?chē)笃馏w產(chǎn)生沉降。而直接堆載的影響區(qū)則較小。從影響深度上來(lái)看，抽真空的方式引起的土體變形深度也更深，而且隨著深度增加，影響區(qū)的寬度也逐漸減小，這是由于土體中的真空度隨著土體深度也逐漸衰減。

4 結(jié)論

①真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理在濱海吹填土區(qū)域能夠較大幅度壓縮原始地基，處理效果較好，且相比其他處理方法周期更短；

②由于真空度隨地基深度遞減，地基變形影響區(qū)寬度也隨地基深度遞減；

③在計(jì)算最終沉降量時(shí)，可將真空荷載等效成當(dāng)量的堆載，沉降量大致相同；

④將真空荷載轉(zhuǎn)換為當(dāng)量的堆載施加在底層上時(shí)，沉降影響區(qū)寬度減小，影響深度變淺。