狹長型真空預壓區邊界影響及處理效果模擬分析

陳曉鵬，郭穎釗，張 浩，魏鵬飛

(1.中鐵九局集團第三建設有限公司，遼寧 沈陽 110032；2.南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇 南京 210029)

0 引 言

在我國沿海地區分布有廣泛的深厚軟土，極不利于工程建設，需對其進行加固處理后方能使用。真空預壓法是目前處理這類軟土地基的一種常用方法，具有工期短、工后沉降小、加固效果好等優點，在工程中得到廣泛的應用。該工法在處理新建軟土路基方面有一定的應用基礎[1-3]，但對于道路拓寬工程，考慮周邊環境的復雜性，該方法鮮為使用。隨著計算機技術的不斷發展和數值模擬方法的不斷成熟，以土體本構模型[4，5]為基礎，采用數值計算軟件[6-8]已能夠較為全面真實可靠的反映土體變形發展性狀。為研究真空預壓法在深厚軟土地區道路拓寬工程中應用的情況[9，10]，本文依托某拓寬道路工程真空預壓試驗段，借助有限元分析軟件進行數值模擬，對狹長型真空預壓區邊界影響范圍、真空預壓區內差異沉降等方面進行研究，分析真空預壓法處理拓寬路基的邊界效應影響，并與現場實測數據進行對比分析，為該工法在深厚軟土地區處理拓寬路基的研究與應用提供借鑒。

1 工程概況

某道路拓寬工程位于深厚軟土地區，舊路雙向四車道，路基寬度約20 m，拓寬后為雙向六車道，考慮左右非機動車道和人行道，路基寬度約40 m。路基下伏土層主要有素填土、淤泥、淤泥質土和粉質黏土以及砂質粘土等，其中淤泥層厚度在10～20 m之間，該層土各項物理力學指標見表1。為消除新舊路基差異沉降，設計采用真空預壓法對路基下伏軟土層進行加固處理。為滿足施工期間通行要求，施工時按左右幅分幅施工，新舊路基同時處理。

表1 典型新路基淤泥層的主要物理力學指標

2 數值計算方法

土體本構模型是一種在試驗研究基礎上、能夠合理描述土體的應力-應變關系特性的數學表達形式，是現代土力學研究中的一個重要而又熱門課題。國內外著名的土體本構模型如Duncan-Chang模型、Cam-clay模型、南水模型等，形式簡單，參數易于確定，應用較為廣泛。沈珠江提出的中國大陸第一個雙屈服面彈塑性本構模型[4](簡稱南水模型)，結合了Duncan-Chang模型和Cam-clay模型的優點，分別采用體積屈服面和剪切屈服面來描述土的屈服特性。

2.1 南水模型

南水模型雙屈服面方程可用下式表達

(1)

相應的體積應變和剪切應變增量為

Δv=Δp/Be+(A1/r2+η2A2)ΔP+η(A1-sA2)Δτ

(2)

Δr=Δτ/Ge+2[η(A1-sA2)Δp+(r2η2A1-sA2)]/3

(3)

式中:p=(σ1+σ2+σ3)/3，q=[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ1-σ3)2]1/2/3，η=q/p；Ge和Be分別為彈性剪切模量和體積模量，B3=Eur/3(1-2v)，Ge=Eur/2(1+v)；ν為彈性泊松比，可取1/3。

在三軸固結不排水試驗條件下，A1、A2為兩個塑性系數，按下式計算

(4)

(5)

(6)

式中：pa為標準大氣壓力值。

求得塑性系數A1、A2后，即可建立平面應變問題的彈塑性應力應變關系。計算模型中共涉及K、n、φc、Rf、af、m6個計算參數(K為彈性模量余數；n為切線彈性模量隨σ3增加而增加的冪次；Rf為破壞比；φc為摩擦角；af為破壞孔隙壓力系數；m為壓縮模量隨軸向壓力增加而增加的冪次。

2.2 計算原理

采用真空預壓法處理軟土地基時，土體發生固結變形是其水頭邊界條件改變的結果。對于真空預壓法，邊界荷載不變，水流邊界條件發生改變，隨著真空作用點的水頭下降，形成由內向外的水力坡降。由上述雙屈服面彈塑性模型的應力應變關系結合幾何方程、平衡微分方程及水流連續方程，可得到比奧固結理論的求解方程式，然后采用有限單元離散，并結合時間域上差分法分段后得出求解方程式來求解工程中的邊值問題。

2.3 計算參數

依據上述南水計算模型，需要確定待求解方程的計算參數。模型計算參數由室內三軸固結排水剪試驗(CD)獲得，主要涉及K、Kur、n、c、φ、Rf、G、D和F共9個計算參數，土體分層及各層土體計算參數見表2。

3 數值模擬結果和分析

隨著有限元理論的不斷成熟，數值模擬技術得到了迅速地發展，目前的數值計算軟件擁有能夠較為真實反映土體性狀的本構模型，能夠合理模擬軟土地基在真空預壓處理方法下的固結特性[6，7]。本節借助現有數值計算軟件對采用真空預壓法處理的軟土進行模擬，研究分析真空預壓法處理拓寬路基的邊界效應影響。

表2 土體分層及各層土體參數

3.1 模型建立

本工程為道路拓寬工程，拓寬后的路基寬度為40 m，為研究真空預壓法對周邊既有道路或建筑物的影響，在拓寬后的路基兩側分別設置寬度為30 m的區域，研究真空預壓法的邊界影響范圍以及差異沉降。根據現場資料，可將土層分為三層，分別是雜填土、淤泥和粉質黏土，厚度依次為2.85、10.80、1.70 m。塑料排水板的寬度為100 mm，厚度為4 mm，與周圍土體尺寸(指排水板間距)為1.2 m，等效后砂井半徑為0.026 mm。在加固區內，為提高計算精度采用較密網格進行劃分，在加固區外，沿加固區邊界向外網格逐漸稀疏，網格劃分情況如圖1～圖2所示。計算模型頂部邊界設置為自由排水面，且位移自由；底部邊界設置為不透水面，并固定三個方向的位移。

圖1 真空預壓軟土處理的網格劃分情況

圖2 塑料排水板(即等效砂井)單元的網格劃分情況

3.2 模擬計算結果

(1)真空預壓法邊界影響范圍研究

真空預壓法對軟基處理的邊界影響，通常表現為加固區外特定范圍內的深層水平位移情況以及地表裂縫等情況。本文依托工程全線距離長，不同里程軟基處理深度也不一樣，選取該工程的11個典型斷面進行數值模擬，真空預壓處理深度在11.0～25.8 m之間，圖3反映了不同排水板打設深度對固結區邊界的影響情況。

圖3 真空預壓法邊界影響范圍監測數據與模擬數據

從圖3中可以看出：當真空預壓處理深度大于10 m時，隨著處理深度的增加，邊界影響范圍并沒有隨之增大，真空預壓法對加固區外的影響范圍在6～7 m之間，表明真空預壓法作為一種常規的軟基處理方法，不至于造成加固區外建筑物較大的影響，保證加固作業質量的同時保障受擾建筑的安全；數值模擬結果與現場監測數據相比，整體模擬的邊界影響范圍要大于現場監測的影響范圍，但整體趨勢一致，均表現為隨加固深度增大影響范圍趨于穩定，產生結果上差異的主要原因可能是數值模擬方法考慮因素不足或者作業現場真空荷載傳遞損失等。

(2)拓寬路基差異沉降分析

通過有限元數值計算軟件的模擬分析，得到加固區新拓寬路基土體沉降隨時間的變化曲線，選取的位置和監測位置一致，沉降曲線如圖4所示。

從沉降曲線圖4中的數值計算結果可以看出：在真空壓力持續作用180 d的情況下，左側路肩的模擬沉降量在50 cm左右，總的沉降量較小，主要是由于該路肩與舊路基搭接，舊路基軟基經過處理，下伏軟土已經發生很大程度的固結；拓寬路基路中及右路肩區域主要分布著原狀軟土，沉降較左路肩大，說明真空預壓法在軟基處理過程中達到了較好的固結效果；數值模擬得到的沉降量隨真空預壓作用時間逐漸增大，與現場監測曲線基本吻合，說明現有的有限元數值計算軟件能夠很好的模擬土體復雜的本構關系，等效砂井也能夠很好的模擬排水板的效應，為真空預壓的理論研究提供可靠的數值方法。

圖4 典型斷面數值模擬沉降曲線

4 結 論

本文主要研究真空預壓法在道路拓寬工程中的應用，以某深厚軟土地區拓寬路基為例，采用數值模擬方法研究邊界影響范圍及拓寬路基的差異沉降，得到主要結論如下。

(1)現場監測數據以及數值模擬數據均表明：當軟土處理深度較大時，隨著加固深度的增大，影響范圍并未隨之增大，穩定在加固區邊界6～7 m的范圍內，驗證了真空預壓法處理軟土地基的可行性；

(2)拓寬路基橫斷面方向，新路基路中和右路肩沉降量相近，未出現明顯的差異沉降，表明采用真空預壓法處理狹長型道路拓寬工程是可行的，處理邊界附近真空壓力衰減不明顯，邊界位置地基處理效果良好；

(3)采用有限元方法進行真空預壓處理軟基的模擬，南水模型能夠準確還原土體自身復雜的本構模型，塑料排水板等效砂井亦具有較高的等效性，模擬得到的沉降結果與監測數據基本吻合，說明有限元數值方法在土體固結沉降方面有著較為成熟的應用，對未來真空預壓法深入研究有著良好的前景。