聯合預壓法地基處理研究

張小飛

（溫州地順地質勘察有限公司，浙江 溫州 325014）

1 引言

真空聯合堆載預壓加固法能有效加固軟土地基，其具有成本低、施工簡單、工期短等優勢，并且能很好地提升軟土地基的承載力。眾多的科研工作者對地基加固方法開展研究，真空聯合堆載預壓加固法已成為當前研究熱點之一。20 世紀90年代，瑞典的Kjellman[1]教授創立了真空預壓法，隨后真空堆載聯合預壓法得到廣泛應用。一些學者[2-4]基于土體固結理論對真空預壓土體固結進行分析，他們普遍認為，負壓條件下土體固結和正壓條件下土體固結一樣。但求解結果與實際情況差異顯著，無法滿足實際工程的需求。隨著計算機技術的發展，出現了各種有限元軟件，采用數值模擬方法能更好地研究該工藝。基于有限元軟件，一些學者[5-7]通過分析得出真空聯合堆載預壓加固在處理軟土地基效果很好。

本文基于某軟土地基工程，通過有限元軟件模擬真空聯合堆載預壓加固地基過程，并著重討論排水板滲透系數、排水板間距和真空壓力衰減率對加固效果的影響。

2 工程概況

該工程所屬地區空氣濕潤，常年下雨，溫度在15~35 ℃。該城市廣泛分布著軟土，地質條件復雜，軟土厚度約為30 m。軟土因其孔隙大、含水量高、滲透性差、強度低等缺點，給工程施工增加了很大的難度。考慮場地施工條件，為了保證項目的施工質量和安全性，該項目決定采用真空聯合堆載預壓加固軟土地基。

3 三維有限元模型

利用有限元軟件建立二維有限元模型，采用真空預壓和堆載預壓相結合的方法對軟土地基進行處理。由于模型對稱，建立1/2 地基模型進行分析，模型寬度設為150 m，深度設為41 m。地基加固區域為模型左側50 m 范圍，排水板的深度為24 m，布置間距為1.2 m。模型底部設置為固定端，模型左右兩側均為法向約束，模型表面加固區設堆載和真空荷載，加固區范圍外設為自由邊界。

真空聯合堆載預壓法是將塑料排水板插入地基，傳遞真空負壓并進行排水。采用等效原則，將塑料排水板轉化為沙井以便真實地模擬排水情況。根據Hansbo 理論，模型中砂井直徑可設為等效的排水板直徑，砂井直徑根據式（1）計算：式中，a為排水板的寬度，mm；b為排水板的厚度，mm；dw為砂井直徑，mm。

根據Hansbo 理論，忽略井阻效應和涂抹效應，土體在軸對稱下的水平滲透系數kh與平面應變下的水平滲透系數khp關系滿足式（2）：

式中，n=B/dw，B取砂井總范圍寬度的1/2。

根據上述等效理論，排水板的參數取值見表1。

表1 排水板參數

4 數值計算結果分析

4.1 模型有效性驗證

圖1給出了地基沉降和水平位移的數值結果與實測結果的對比曲線。如圖1a 所示，在加固過程中，地基在初期沉降速率較大，地基沉降在堆載預壓期的沉降量約占地基總沉降的30%。這是因為在加固初期，土體的淤堵現象還不明顯，土體的排水速率較高，即加固初期土體的固結程度良好，這樣能縮減土體后期的固結時間。

圖1 有限元結果與實際監測結果的對比

如圖1b 所示，在加固過程中，隨著地基深度的增加，水平位移快速遞減，水平位移與深度呈負相關。可見，在地表埋深5 m 以內的水平位移較大；深度大于10 m 時，水平位移可忽略。可見隨著深度的增加，真空預壓的效果逐漸減弱。

利用實際工程監測數據與有限元數值試驗結果相比較，驗證了模型的有效性和正確性，可見本模型在材料參數選取和邊界條件、有限元網格劃分設定等方面較為合理。在此基礎上，進一步對排水板滲透系數、排水板間距和真空壓力衰減率的影響進行了系統討論。

4.2 不同影響因素的分析

真空聯合堆載預壓法加固效果的重要影響因素之一是塑料排水板的排水能力。排水能力越好，則地基加固的效果越好。因此，通過改變塑料排水板的滲透系數來研究排水能力對地基加固效果的影響。建立30 種不同的滲透系數工況，30 種工況下的滲透系數k分別為2.4×10-3cm/s、2.4×10-4cm/s 以及2.4×10-5cm/s。圖2 展示了不同工況下的地基沉降情況。

觀察圖2 可以發現，地基沉降與滲透系數正相關，滲透系數越大，同一時長下的地基沉降就越大。滲透系數為2.4×10-3cm/s 時，該軟土地基模型的沉降量最終值大約在3.5 m附近；滲透系數為2.4×10-4cm/s 時，該軟土地基模型的沉降量最終值大約在3.2 m 附近，較前者減小了約8.5%；滲透系數為2.4×10-5cm/s 時，該軟土地基模型的沉降量最終值大約在2.85 m 附近，相較于第一種工況減小了約16.8%。進一步觀察可知，隨著排水板滲透系數的變大，地基固結時間逐漸縮短。這是因為加固過程中，地下水在滲透系數更大的排水板下能更快速地排出，地基土固結時間縮短，由此地基土體固結程度更佳，沉降量也更大。此時，真空聯合堆載預壓法加固效果也更好。

圖2 不同滲透系數下的地基沉降曲線

真空壓力對地基加固效果也有不可忽略的影響。為了研究此影響，保持最大真空壓力不變，僅改變真空壓力的衰減率，建立3 種不同底部壓力的工況，分別為0 kPa，-15 kPa 和-30 kPa（衰減率分別為3.2 kPa/m、2.6 kPa/m、2 kPa/m）。圖3 給出了3 種真空壓力工況的示意圖。圖4 給出了不同真空壓力下的地基沉降曲線。

圖3 3 種真空壓力工況的示意圖

從圖4 中可以看出，隨著真空壓力衰減率的增大，地基沉降顯著減小。當真空壓力衰減率為2 kPa/m 時，地基最終沉降量約為2.2 m；當真空壓力衰減率為2.6 kPa/m 時，地基最終沉降量約為2.0 m，較真空壓力衰減率為2 kPa/m 工況約減小了9%；當真空壓力衰減率為3.2 kPa/m 時，地基最終沉降量約為1.7 m，較真空壓力衰減率為2 kPa/m 工況約減小了23%。即使減小了真空壓力的衰減率，較大的真空壓力也存在于較深層的土體中，對地基深處的土體加固效果更好。

圖4 不同真空壓力下的地基沉降曲線

5 結論

本文基于某實際工程，利用有限元軟件建立數值模型模擬真空聯合堆載預壓加固地基過程。對比數值結果與實測結果，確認模型的合理性。進一步分析排水板滲透系數、排水板間距和真空壓力衰減率對加固效果的影響。主要結論如下：

1）地基在加固過程中，初期沉降速率較大，在地表埋深5 m 以內的水平位移較大，深度大于10 m，水平位移可忽略。

2）排水板滲透系數和真空壓力均對地基沉降有顯著影響。排水板滲透系數越大、真空壓力沿深度衰減率越小，真空聯合堆載預壓加固地基效果越佳。