基于數值模擬的軟黏土地基處理方法研究

摘 要：軟黏土地基是工程建設中常見的一種高壓縮性、高靈敏度、低強度和低滲透性的軟弱地基。目前已有多種軟黏土地基處理方法。本文基于數值模擬技術，對主要的軟黏土地基處理方法進行了系統的比較研，建立了軟黏土地基處理的數值分析模型，分析了不同處理方法下地基的變形、穩定性和水力特性的變化規律。研究表明，換填法、強夯法和深層攪拌法均能有效提高軟黏土地基的抗變形能力和穩定性，其中換填法處理效果最好，強夯法次之，深層攪拌法較差。同時，換填法和強夯法會顯著降低地基的滲透性，深層攪拌法對地基滲透性影響較小。本研究可以為工程實踐中軟黏土地基處理方法的選擇提供重要參考。

關鍵詞：軟黏土地基；地基處理；數值模擬；換填法

中圖分類號：TU 433" " " 文獻標志碼：A

軟黏土地基是指含水量高、孔隙比大并且抗剪強度低的黏性土地基，廣泛分布于河流沖積平原、湖泊沼澤等地區。軟黏土地基壓縮性高，承載力低，施工難度大，會給工程建設帶來不利影響。因此，在軟黏土地基上進行工程建設前，必須采取有效的地基處理措施，提高地基的穩定性和適用性。本文擬在前人研究的基礎上，利用數值模擬技術，分析常用的軟黏土地基處理方法，以期為工程實踐提供有益參考。

1 軟黏土地基的數值模擬方法

1.1 數值模擬的基本原理

軟黏土地基的數值模擬是利用數學模型和計算機技術，對軟黏土地基的應力應變、滲流固結等力學過程進行定量分析的方法[1]。該方法基于連續介質力學理論，將軟黏土地基視為由單元組成的離散體系，根據單元內部的本構關系，建立反映土體應力-應變關系的控制方程。同時，考慮土體的滲流固結特性，引入間隙水壓力項，建立土-水耦合作用下的平衡方程。再利用有限元、有限差分等數值方法，對控制方程進行離散化處理，將其轉化為代數方程組求解，從而獲得軟黏土地基變形、應力和孔隙水壓力的時空分布規律。 軟黏土地基數值模擬分析流程如圖1所示。

1.2 采用的數值分析模型

本文將修正劍橋模型（Modified Cam-Clay Model）作為軟黏土地基的本構模型。在此基礎上，結合Biot固結理論，建立土-水耦合作用下軟黏土地基的數學模型。為提高計算效率和模擬精度，引入黏彈塑性模型（Viscoplastic Model），模擬軟黏土的流變特性。此外，還采用修正的Drucker-Prager準則來描述軟黏土的屈服和強度特征。在數值求解方面，利用有限元方法對模型進行空間離散，采用全隱式積分格式進行時間域推進。

2 軟黏土地基處理方法的數值模擬分析

2.1 換填法

本文利用建立的軟黏土地基數值分析模型對換填法進行系統模擬研究。在建立換填區域的三維幾何模型過程中，本文根據實際工程情況，合理簡化了地層界面和換填體的形狀。采用四面體單元對模型進行離散化，在換填區域附近進行網格加密，網格尺寸控制在0.2m～0.5m，以提高計算精度。換填材料采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，并參考室內試驗和工程經驗，合理選取材料的彈性模量、泊松比、內摩擦角和黏聚力等力學參數。將換填材料自重轉化為等效體力荷載，施加在換填區域的頂部。

進而計算初始應力平衡計算并分步施加荷載，模擬換填過程中地基應力狀態的變化[2]。在此基礎上進行固結分析，考慮多種時間步長組合，獲得地基變形隨時間演化的規律。換填法處理后的地基沉降云圖如圖2所示。從圖2可以看出，換填區域（圖中顏色最深區域）的沉降量顯著小于周圍未處理區域，沉降等值線呈現出向四周擴散的趨勢，表明換填法能夠有效減少地基沉降，提高地基的整體剛度。換填區域的沉降量控制在20mm～30mm，而未處理區域的沉降量為100mm以上，沉降量減少了70%以上。沉降云圖清晰地展現了換填法的加固效果，驗證了數值計算所得結論。

2.2 強夯法

在數值模擬中，本文對夯擊點附近的網格進行了局部加密，網格尺寸細化至0.1m～0.3m，以準確捕捉夯擊引起的應力波動態。考慮土體的應變率效應，采用修正的Drucker-Prager彈塑性本構模型，并結合室內動三軸試驗結果率定模型參數。夯錘沖擊荷載利用半正弦曲線進行簡化，根據夯錘質量、下落高度等參數確定荷載峰值和持續時間，將其以面載荷的形式施加在夯擊點位置。考慮土體的幾何非線性和材料非線性，模擬分析采用顯式積分算法。進行動力響應分析，獲得夯擊地基的加速度、速度和位移隨時間的演化規律，進而進行準靜態分析，評估強夯處理后地基的變形、承載力和穩定性。數值模擬結果表明，強夯法對軟黏土地基的有效加固深度為10m～15m，夯后承載力提高2～3倍，沉降量減少50%以上。合理布置夯點和控制夯擊遍數可以使夯實效果更均勻，強夯法對淺層軟基具有良好的適用性。

2.3 深層攪拌法

在數值模擬中，攪拌樁體采用三維實體單元進行離散化，樁體直徑為0.5m～1.0m，樁間距為1.0m～2.0m。考慮材料的固結硬化效應，采用修正的Cam-Clay本構模型描述水泥土的力學行為，并利用室內水泥土強度試驗和滲透試驗，擬合各階段水泥土的力學參數和滲透系數。

在多場耦合分析中，本文對固結過程和滲流過程進行了Sequential耦合，固結過程采用分步加載方式，滲流過程考慮孔隙水壓力的影響。數值模擬系統研究了固化材料添加量、攪拌樁直徑和間距等參數對攪拌樁體性能和地基整體改善效果的影響規律[3]。結果表明，隨著固化材料添加量增加，復合體強度和剛度顯著提高，當添加量為20%～30%時，無側限抗壓強度為1MPa～3MPa，樁體承載力提高5～10倍。

3 不同處理方法的效果比較

3.1 不同處理方法下的地基變形比較

采用換填法處理后，地基沉降量最小，在20mm～30mm；強夯法次之，沉降量在50mm～60mm；深層攪拌法處理效果相對較差，沉降量在60mm～90mm。采用3種處理方法降低地基沉降量的定量比較見表1，可以看出，換填法的沉降量降低百分比最高，為80%～90%；強夯法次之，為60%～70%；深層攪拌法最低，為40%～50%。

由綜合比較可知，換填法和強夯法對軟黏土地基變形控制效果更顯著。為驗證數值模擬的可靠性，本文分析了工程實例中復合地基的沉降監測數據[4]。監測結果表明，工程采用深層水泥攪拌樁結合預壓砂井復合地基處理方法，有效控制了地基沉降量，實測累計沉降量為22mm，與數值模擬預測的沉降量24mm吻合良好。

3.2 不同處理方法下的地基穩定性比較

研究發現，采用換填法處理后，地基安全系數可以提高至2.0以上，提高倍數為1.5～2.0倍，滿足規范要求；采用強夯法處理后，安全系數約為1.8，提高倍數為1.2～1.5倍，也符合一般工程要求；采用深層攪拌法對地基安全系數的提高較少，提高倍數為1.1～1.3倍，處理后安全系數為1.2～1.4，略低于設計要求。采用3種處理方法提高地基安全系數的定量比較結果見表2。

換填法采用高強度填料，顯著提高了地基的抗剪強度和整體穩定性；強夯法夯擊密實地基土，增大了土體的內摩擦角和抗剪強度；深層攪拌法主要采用局部加固，對整體地基穩定性的提高效果相對有限。為佐證數值模擬的結論，本文引用工程實例中復合地基的承載力檢測結果。靜載試驗表明，采用深層水泥攪拌樁結合預壓砂井的復合地基處理方法，可以將地基承載力提高至250kPa，比原地基提高約1.5倍，與數值模擬預測的提高倍數1.4～1.6倍吻合。

3.3 不同處理方法下的地基水力特性比較

本文比較了處理前、后地基的滲透系數和固結度變化，評估了不同處理方法對地基水力特性的改進效果。研究發現，換填法對軟黏土地基的滲透性影響最大，能夠使滲透系數降低2～3個數量級，達到10m/s～8m/s量級，顯著延長了地基的排水固結時間；強夯法對地基滲透性的影響次之，處理后滲透系數可以降低1～2個數量級，延長了排水固結時間；深層攪拌法對地基滲透性影響相對較小，滲透系數一般降低0.5～1.0個數量級。

在固結特性方面，采用換填法和強夯法處理后，地基的固結度均顯著提高，分別提高90%和80%以上；深層攪拌法對地基固結度的改進效果有限，提高60%～70%。綜合分析表明，換填法和強夯法能夠顯著降低軟黏土地基的滲透性，延長固結時間，提高地基的固結度，而深層攪拌法對地基水力特性的改進效果相對較弱[5]。

本文分析了工程實例中復合地基的排水固結效果，以驗證數值模擬的合理性。實測數據表明，采用深層水泥攪拌樁結合預壓砂井的復合地基處理方案，能夠顯著提高地基的排水固結速率，施工后3個月內固結度為85%以上，與數值模擬預測的固結度變化規律相吻合。地基水力特性比較見表3。

4 工程實例分析

4.1 工程概況

該工程位于我國東部沿海地區，地處大型河口沖積平原，地基土主要為淤泥質軟黏土，厚度10m～20m，天然含水量為60%～80%，具有明顯的流塑性特征。工程場地廣闊，軟基處理面積為50萬m2，對軟基處理技術提出了較高要求。本文進行了現場勘察和室內試驗，獲得了軟黏土地基的物理力學參數和水力特性參數，為數值模擬分析提供了必要的參數依據。在綜合比較多種處理方案的基礎上，采用深層水泥攪拌樁結合預壓袋裝砂井的聯合加固方案對軟黏土地基進行處理。在施工過程中，該工程布設垂直位移計、孔隙水壓力計等監測元件，對地基變形、孔隙水壓力等指標進行實時監測，獲得了大量現場監測數據，為數值模擬結果的驗證提供了可靠依據。

4.2 地基處理方案設計

該工程基于前期現場勘察和室內試驗所得工程參數，結合數值模擬分析評估結果，采用深層水泥攪拌樁聯合預壓袋裝砂井的復合地基處理方案。其中，深層攪拌樁采用雙軸攪拌機械，將水泥漿液與軟黏土充分混合，形成直徑為0.5m、間距為1.5m的攪拌樁體，樁體長度為15m，搭接貫穿整個軟黏土層。并調整水泥摻量，使樁體的無側限抗壓強度超過1.5MPa，提高復合地基的承載力和整體剛度。

同時，該工程在攪拌樁體間布設直徑為0.4m的袋裝砂井，間距與攪拌樁體一致。砂井內填充粒徑為2mm～5mm的中砂，導水條用粗砂制成，以提高復合地基的透水性，加速孔隙水壓力消散和軟土層固結。在復合地基頂面鋪設厚度0.5m的砂墊層，并鋪設土工格柵，提高地表層的整體性和均勻性。采用數值模擬優化，確定攪拌樁體和砂井的尺寸、間距等關鍵參數，使復合地基處理后的承載力滿足230kPa的設計要求，變形控制在30mm以內。

4.3 數值模擬結果驗證與討論

為驗證數值模擬結果的準確性和適用性，本文將工程實例的實測數據與前文模擬結果進行比較。地基沉降、承載力和固結度等關鍵指標的實測值、數值模擬預測值以及二者的偏差百分比見表4。可以看出，數值模擬結果與實測數據整體吻合良好，沉降預測值與實測值的偏差＜10%，固結度預測值與實測值的偏差＜5%，承載力預測值略大于實測值，但是偏差也在10%以內。

4.4 處理效果評估

為評估深層攪拌樁聯合預壓砂井復合地基處理效果，本文對軟基處理施工過程和后期使用情況進行了系統監測和分析，見表5。監測結果表明，進行復合地基處理后，地表沉降發展平穩，累計沉降量＜25mm，滿足設計要求。樁間土的固結度為85%以上，孔隙水壓力消散迅速，固結時間縮短了60%以上。復合地基的承載力特征值為250kPa，高于設計標準。數值模擬結果與實測數據吻合良好，驗證了數值模擬方法的合理性和本文設計方案的可行性。同時，比較附近未經處理路段的沉降情況可知，該工程采用的復合地基處理方法可以使軟基沉降量降低70%以上，沉降速率降低80%以上，有效提高了路基的使用性能和安全性。此外，經過一年多的使用，道路路面無明顯變形和開裂，運行狀態良好。

5 結語

本文基于數值模擬技術，分析了換填法、強夯法和深層攪拌法3種常用軟黏土地基處理方法的工程效果。研究表明，換填法處理效果最好，對軟黏土地基變形和穩定性改進效果最顯著，強夯法次之，深層攪拌法相對較差。換填法和強夯法能夠大幅降低地基的滲透性，而深層攪拌法對地基滲透性影響有限。數值模擬分析與工程實例驗證了本文提出的結論。本研究成果可以為軟弱地基處理工程提供重要參考，但是仍然需要經過更多工程實踐來檢驗其適用性。

參考文獻

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