含砂層軟土地基真空預壓二維有限元分析

摘要：采用真空預壓處理含砂層軟土地基時，受現場試驗環境的限制，無法定量分析含砂層會對地基形變產生的影響。以溫州某圍海工程為例，針對粉砂含淤泥、淤泥等物理力學性質差異明顯的土樣，通過有限元模型對真空預壓加固過程進行數值模擬計算。將模擬分析結果與現場實測數據進行對比分析，明確了含砂層對軟土地基排水的促進作用，揭示了在砂層厚度不變的條件下，含砂層埋設深度越深，軟土地基的分層沉降及側向位移越大的規律。研究驗證了有限元模型的合理性，可為真空預壓技術處理類似地質條件提供有效參考。

關鍵詞：含砂層；真空預壓；有限元分析；現場試驗

中圖分類號：TU470+.3" "文獻標識碼：A" "文章編號：２０９６-2118（2024）04-0069-08

Two-Dimensional Finite Element Analysis of Vacuum Preloading of Soft Soil Foundation with Sand Layer

XIE Bin1，XIE Zhongwu2，WANG Xiaofeng3*，WANG Long3，4，5，6，7，XU Mintao3，4，5，6，7

（1：Wenzhou Water Conservancy Investment Development Co.，Ltd.，Wenzhou Zhejiang 325000，China；2：Wenzhou Education Infrastructure Center，Wenzhou Zhejiang 325000，China；3：Wenzhou University， Wenzhou Zhejiang 325000，China；4：Zhejiang Province Key Laboratory of Soft Soil Foundation and Reclamation Engineering Technology of Seawall，Wenzhou Zhejiang 325000，China；5：Zhejiang Province Haitu Reclamation and Its Ecological Protection Collaborative Innovation Center， Wenzhou Zhejiang 325000，China；6：Coastal Soft Soil Foundation Disaster Prevention and Mitigation Technology Zhejiang Engineering Research Center，Wenzhou Zhejiang 325000，China；7：Ultra-Soft Soil Engineering Technology and Intelligent Monitoring Zhejiang International Science and TechnologyCooperation Base，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

Abstract：When vacuum preloading is applied to treat soft soil foundations with sandy layers，quantitative analysis of the influence of the sandy layers on foundation deformation is constrained by the limitations of on-site experimental conditions.Taking a coastal engineering project in Wenzhou as an example，finite element modeling was utilized to numerically simulate the vacuum preloading reinforcement process for soil samples exhibiting significant differences in physical and mechanical properties，such as fine sand with silt and silt.The simulation analysis results were compared with on-site measured data，elucidating the facilitating role of sandy layers in promoting drainage in soft soil foundations，it revealed that under the condition of constant sand layer thickness，the deeper the burial depth of the sandy layer，the greater the stratified settlement and lateral displacement of the soft soil foundation.The study validated the rationality of the finite element model，providing valuable insights for the application of vacuum preloading technology similar geological conditions.

Keywords：sand layer；vacuum preloading；finite element analysis；field tests

0 引言

真空預壓是在土體當中施加真空壓力，促進土體排水固結的一種軟基處理方法[1]。然而，為了提升吹填施工的效率，在圍墾施工過程中，存在先吹填砂，后吹填淤泥的情況。在此施工條件下，形成了“雜填土-粉砂夾淤泥-淤泥”的復雜地質條件。根據《巖土工程勘察規范GB 50021—2001》[2]，其對夾層的定義為：層厚＜0.5 m，且薄、厚層厚度比為1/10～1/3的土層。

在實際工程中，真空預壓對含砂層軟土地基的處理效果尚未得到實際驗證。在外部荷載的作用下，軟弱土層表現出較大的壓縮量，相比之下，含砂層的壓縮量則較小，造成土層之間顯著的沉降差異[3]。有限元分析逐漸成為解決復雜工程計算問題的有效途徑。BIOT[4]固結理論在真空預壓領域得到了廣泛應用，可以準確反映出孔隙水壓力消散與土體變形之間的耦合關系。基于Hansbo理論，INDRARATNA等[5]提出了考慮井阻和涂抹效應的簡化砂墻的方法。CHAI等[6]借助二維有限元軟件模擬了軟土地基在真空預壓處理前后的變形特點，并獲得良好的擬合效果。

本文基于真空預壓軟基處理項目，進行了現場試驗，針對含砂軟土地基的特殊工況，利用有限元軟件Plaxis 2D對試驗過程進行模擬，選取適合的本構模型，建立有限元模型，對真空預壓加固過程進行模擬計算。在對比分析模擬結果與現場實測數據吻合的基礎上，進一步研究了含砂層在不同埋深條件下，軟土地基的變形規律，研究彌補了類似案例的研究空白，可為實際工程提供設計指導。

1 工程概況

以龍灣Ⅱ期智能制造基地工程為例，軟土地基沿深度范圍內（0～40 m）存在②1粉砂夾淤泥層，如圖1所示，場區地貌為海積平原，場地高程2.4 m～6.5 m，地下水位于地表以下約1.5 m～2 m，各層土體均處于飽和狀態，其中②1粉砂夾淤泥，②2淤泥夾粉砂為夾層土。類似的地質條件在溫州甌飛、臺州市溫嶺擔嶼涂等圍墾工程中廣泛存在。

各層土體的含水率高于相應液限，抗剪強度較低。初步采用真空預壓法提高軟土地基承載力，土體物理和力學參數見圖2。

2 現場試驗

2.1 試驗概況

討論真空預壓對于夾砂軟土地基的加固效果，采取現場真空預壓試驗，在位于擬建道路的不同位置設置試驗區A～E五片試驗區（如圖3～圖4）。試驗總面積約為480.34 m2，現場試驗從2022年3月開始至2022年5月結束。

2.2 監測說明

加固區域四周設置深度＞2 m的密封溝，開挖后先鋪設無紡土工布和密封膜，埋設深度為1.5 m～2.0 m，將密封溝埋入淤泥層，溝內回填不透氣淤泥、黏土及水以保證密封性（見圖5）。每片試驗區均在波紋管、土工膜下及土中布設真空度探頭，以及孔隙水壓力計。將連續10 d地表沉降量＜2 mm作為停止真空預壓的條件。

試驗期間關注膜下真空度變化及分布情況，對于部分區域表面密封膜發生損壞的情況進行了及時修復。試驗區A于第34 d停止抽真空，于第47 d重啟直至試驗結束。

3 有限元模擬

基于Plaxis 2D生成的半對稱模型，變形條件為平面應變假設，孔隙水壓力計算的類型采用穩態地下水滲流，有限元網格采用15節點三角形單元，劃分為691個單元，共5 707個節點。用于生成80 kPa真空荷載的排水體長度為16 m，施加持續61 d真空預壓，試驗過程按照滲流固結耦合計算分析，邊界條件及有限元模型見圖6。在有限元分析中，軟土的本-構模型采用修正劍橋模型，②1粉砂夾淤泥層采用線彈性模型。土樣水平向滲透系數一般為豎直向滲透系數的1.5倍。土體有限元參數見表1。

4 試驗結果及分析

4.1 地表沉降

室內壓縮試驗得到各層土樣e-lgσ′關系曲線，如圖7所示。根據40 kPa～450 kPa荷載下的壓縮指數Cc可將吹填土樣按照壓縮性分為三類：高壓縮性土（淤泥），中壓縮性土（淤泥夾粉砂，淤泥質黏土，黏土），低壓縮性土（粉砂夾淤泥，粉質黏土）。吹填混合土在荷載作用下形成了砂骨架。骨架形成之前，表現出似黏土性狀，而在骨架形成之后，砂顆粒彼此接觸，抑制了孔隙比的減小。

地表沉降隨時間變化關系對比如圖8所示，軟土地基經過64 d真空預壓加固過后，各試驗區最終沉降位于160 mm～250 mm，由于試驗期間A試驗區停泵14 d，所以試驗區A地表沉降量略小于其他四片試驗區。有限元模擬得到試驗地基經過300 d真空預壓后的地表沉降量在310 mm附近。2000年，濟南“遙墻”機場路基加固案例中，TANG等[7]針對表層土體含有粉砂的工況，對打設密封墻后軟土地基采用真空預壓試驗處理。該地基在進行了90 d的真空固結后，地表最終沉降量為320 mm。

4.2 真空度及孔隙水壓力

通過在試驗區內布置真空度監測點，分別監測試驗期間土體內部真空度，膜下真空度以及波紋管中真空度。由于風化、浸泡等因素導致土工膜表面發生不同程度的破損，是試驗期間的真空度波動主要原因，經及時修復處理后，真空度達到穩定。監測結果顯示，本次現場試驗中，檢測到淺部（1 m～3 m）土體的真空度的與超孔隙水壓力變化趨勢一致。但由于在監測儀器埋設過程中，自由水在壓強的作用下，通過真空探頭擠入真空軟管中，使得后續試驗過程中，真空探頭附近的土體在真空荷載作用下發生淤堵，使得軟管內的水無法及時排出，導致連接深層土體的真空表無法顯示讀數[8]。

試驗區A在試驗第34 d～47 d內經歷真空泵停泵。孔隙水壓力在真空荷載作用時始終保持張拉狀態，并在排水-固結的過程中逐漸消散。停泵后，真空荷載無法繼續作用在地基當中，各深度處孔隙水壓力有所回升。在重新施加真空荷載后，孔隙水壓力繼續消散。以試驗區C試驗區為例，通過有限元模擬得到的孔隙水壓力變化曲線呈現為自然對數函數形式，雖然現場實測數據是離散的，但變化關系與模擬結果吻合。從圖9中可以觀察到，以②1粉砂夾淤泥為分界層，素填土（0～-5 m）內孔隙水壓力整體變化趨勢較快，并在后續10 d～30 d內逐漸消散。而吹填混合土層（-7 m～-15 m）內孔隙水壓力變化趨勢較緩，孔隙水壓力的變化量先是在真空固結前5 d內達到最大，隨后在試驗過程中保持穩定。這是因為在一定的含砂粒尺寸下，增加砂-泥混合料中砂的含量，可以增加孔隙水的排出，從而加速孔隙水壓力的消散。

4.3 基于不同埋深砂層的影響

本節有限元模型，通過控制含砂層厚度不變（3 m），改變含砂層的埋設深度（5 m，8 m，11 m），探究真空預壓對含砂層軟土地基加固變形的影響。在本次有限元分析計算中，加固時間為300 d，參考現場工況，排水板（PVD）的打設深度為16 m，相關參數與真空預壓現場試驗保持一致。具體方案見表2。

4.3.1 分層沉降

基于含砂層不同埋設深度，為研究真空預壓法對軟土地基分層沉降的影響，有限元模型在控制含砂層厚（3 m）不變的基礎上，改變粉砂夾淤泥層的埋設深度，如方案1，方案2，方案3，進行300 d真空預壓有限元分析，基于有限元計算結果，在1 m，3 m，5 m，7 m，10 m，13 m，15 m處的觀測點，得到如圖10所示的分層沉降對比。

由圖10可知，在真空預壓期間方案1，方案2，方案3的分層沉降，隨加固時間進行而不斷增加，后期變化趨勢逐漸趨于平緩。相同層厚（3 m）的含砂層不同埋設深度的條件下，分層沉降變化各不相同，具體表現為：方案1在1 m，3 m，5 m處的沉降量分別為21.6 mm，11.1 mm，6.64 mm；方案2在1 m，3 m，5 m處的沉降量分別為25.29 mm，15.2" mm，9.31 mm；方案3在1 m，3 m，5 m，7 m處的沉降量分別為27.88 mm，18.03 mm，11.89 mm，7.79 mm，經過300 d真空預壓加固，相同含砂層厚（3 m）在不同埋設深度下的軟土地基，在埋設深度相同的位置處，分層沉降隨含砂層埋設深度的增加而相應增大。這主要是因為素填土與粉砂夾淤泥層的壓縮模量差異加大：素填土層在真空荷載作用下，相較于粉砂夾淤泥產生了較大的形變量，粉砂夾淤泥層以下的深層淤泥沉降量變化較小，在真空壓力下產生的形變較小，限制了該處的分層沉降。分層沉降模擬結果表明，具有相同含砂層厚的軟土地基在不同埋設深度下（5 m，8 m，11 m），真空預壓產生的分層沉降隨含砂層埋設深度增加而增大。

4.3.2 側向位移變化

為研究含砂層對軟土地基側向位移的影響，有限元模型在控制原有含砂層厚不變（3 m）的基礎上，如方案1，方案2，方案3，改變粉砂夾淤泥層的埋設深度，分別為5 m，8 m，11 m，進行300 d真空預壓有限元分析，基于有限元計算結果，在1 m，3 m，5 m，7 m，10 m，13 m，15 m處的觀測點，得到如圖11所示的側向對比。

在含砂層厚（3 m）不變的情況下，通過調整含砂層頂部及底部標高，得到含砂層的不同埋設深度工況，經過300 d真空預壓加固處理，軟土地基的側向位移隨含砂層埋設深度增加而逐漸變大，方案1在1 m，5 m，10 m處的側向位移分別為110 mm，45 mm，30 mm；方案2在1 m，5 m，10 m處的側向位移分別為195 mm，48 mm，15 mm；方案3在1 m，5 m，10 m處的側向位移量分別為210 mm，48 mm，15 mm。側向位移并不會隨含砂層的厚度發生改變，且地基發生側向位移的主要深度位于-5 m以上，受埋深及含砂層的限制影響，淤泥層的側向位移在真空預壓加固第25 d內達到最大，后保持不變。含砂層軟土地基側向位移變形證明：在保證含砂層層厚不變的條件下，含砂層埋設深度對軟土地基的側向變形影響較大，同時含砂層對軟土地基側向變形起到約束作用。

5 結論

1） 采用有限元模擬真空預壓處理含砂軟土地基時，對粉砂夾淤泥采用線彈性本構模型，素填土、淤泥夾粉砂、淤泥采用修正劍橋模型，計算過程采用流-固耦合，計算結果與實測值更為一致。

2） 孔隙水壓力對比結果證明，含砂層對軟土地基的排水效率具有促進作用。

3） 隨著砂層埋深的增加，軟土地基的分層沉降及側向位移越大。

參 考 文 獻

[1]WANG J，MA J，LIU F，et al.Experimental study on the improvement of marine clay slurry by electroosmosis-vacuum preloading[J].Geotextiles and Geomembranes，2016，44（4）：615-622.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.巖土工程勘察規范：GB 50021—2001[S]北京：中國建筑工業出版社，2009.

[3]董志凌，曲月華，戴約林.吹填軟弱土夾層的真空預壓加固方法探討[J].水道港口，2015，36（4）：350-354.

[4]BIOT M A.General theory of three dimensional consolidation[J].General Theory of Three Dimensional Consolidation，1941，12：155-164.

[5]INDRARATNA B，REDANA I W.Plane-strain Modeling of Smear Effects Associated with Vertical Drains[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123（5）：474-478

[6]CHAI J，CARTER J P，LIU M D.Vacuum Consolidation and Deformation Analyses-Case Studies in Japan，Proceedings of the International Conference on Ground Improvement amp; Ground Control，October 30-November 2，2012［C］.Singapore：Research Publishing，2013.

[7]TANG M，SHANG J Q.Vacuum preloading consolidation of Yaoqiang Airport runway[J].Géotechnique，2000，50（6）：613-623.

[8]張功新，莫海鴻，董志良，等.真空預壓中真空度與孔隙水壓力的關系分析[J].巖土力學，2005（12）：1949-1952.

編輯：楊 洋