趙建斌，申俊敏，董立山

(山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006)

吹填土是在整治和疏通江河行道時(shí)，用挖泥船和泥漿泵把江河和港口底部的淤泥或是泥砂通過水力吹填而形成的沉積土，其一般具有容重小、孔隙率、含水率大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，這種土一般需要擱置若干年后才會(huì)在自重作用下固結(jié)并在表面形成具有一定強(qiáng)度的硬殼層，如果不進(jìn)行處理基本無法達(dá)到地基承載力要求。

為了加速吹填土的固結(jié)，在上世紀(jì)80年代早期,新加坡研究采用了一種新的吹填方法，即吹填一定厚度的土層后，再鋪設(shè)一層砂，這層相對(duì)較薄的砂層夾在吹填土之間，形成夾砂排水層, 由于排水路徑的減短，大大縮短了吹填土的固結(jié)時(shí)間。Leetal (1987) 用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成功地證明了這種成層的夾砂土層的吹填方法的可行性[1]，但由于砂的黏聚力幾乎可以忽略，同時(shí)吹填土強(qiáng)度很低，夾在吹填土層之間的排水砂層的形成往往較為困難。

土工布又稱土工織物，它是由合成纖維通過針刺或編織而成的透水性土工合成材料[2]，土工布具有一定的抗拉強(qiáng)度，在排水砂層上下表面各鋪設(shè)一層土工布，可以有助于吹填土填筑過程中排水砂層的形成，同時(shí)在采用預(yù)壓法對(duì)吹填土進(jìn)行地基處理時(shí)，可以使荷載分布更為均勻，減小地基的不均勻沉降。

為了研究排水砂層在吹填土固結(jié)過程中的作用效果，本文采用快速拉格朗日三維有限差分軟件FLAC3D，對(duì)成層的夾砂吹填土層的真空預(yù)壓過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同排水砂層布設(shè)方法對(duì)吹填土固結(jié)的影響。

1 排水砂層作用效果的數(shù)值分析

1.1 計(jì)算模型

真空預(yù)壓法為目前采用最為廣泛的吹填土地基處理方法，通過在吹填土表層及內(nèi)部設(shè)置豎向砂井，相當(dāng)于在吹填土中設(shè)置了排水通道，縮短排水路徑，并使用真空泵等設(shè)備施加負(fù)壓，將土體內(nèi)部的水、氣等抽出，使土體能夠快速固結(jié)。本文只建立簡(jiǎn)單的平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析[3]，幾何模型尺寸如圖1所示。

圖1 建模尺寸/m

1.2 計(jì)算參數(shù)

模型中土體材料單元采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，吹填土地基作為飽和土可以采用比奧固結(jié)理論進(jìn)行分析計(jì)算，土工布采用geogrid單元，彈性模量取6×108N/m2，泊松比0.33，土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 荷載

模型中荷載為采用真空泵等設(shè)備在砂井中形成負(fù)孔隙壓力，導(dǎo)致土體與砂井之間產(chǎn)生壓力差，即土體中形成超孔隙水壓力，超孔隙水壓力散去就是土體固結(jié)的過程。由于砂井存在一定的井阻作用，負(fù)孔隙壓力沿砂井豎向傳遞會(huì)產(chǎn)生壓力損失，本文在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，采用線性遞減模式對(duì)其進(jìn)行考慮[4]。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 吹填土滲透系數(shù)對(duì)固結(jié)速度的影響

從圖2中可以看出，吹填土的滲透系數(shù)越大，排水效果也就越好，采用真空預(yù)壓處理時(shí)，負(fù)壓影響范圍也會(huì)增大，能夠提高吹填土的固結(jié)速度，增加固結(jié)沉降值。

圖2 吹填土滲透系數(shù)對(duì)固結(jié)的影響

但一般的吹填土滲透性都較差，采用滲透系數(shù)較好的吹填材料意味著工程成本的大幅提高，因此在吹填土中設(shè)置夾砂層是一種較為經(jīng)濟(jì)的提高吹填土固結(jié)速度及沉降值的施工方法。

2.2 設(shè)置夾砂層對(duì)固結(jié)速度的影響

圖3為采用真空預(yù)壓60 d后，不設(shè)置夾砂層模型的孔隙水壓力分布情況，從圖中可以看出在砂井負(fù)孔隙壓力作用下，模型中的孔隙水壓力在砂井影響范圍內(nèi)逐漸消散，但由于吹填土滲透系數(shù)較小，單個(gè)砂井在平面范圍內(nèi)影響范圍有限，因此為了提高吹填土排水固結(jié)速度，往往需要設(shè)置相對(duì)合理的砂井間距。

圖3 不設(shè)置夾砂層的孔隙壓力分布云圖

圖4為在吹填土中部設(shè)置兩層間隔為2 m的夾砂層孔隙水壓力分布云圖，從圖中可以看出，由于夾砂層的滲透系數(shù)較大，因此由真空設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)孔隙壓力可以在夾砂層中沿水平向傳遞，也就是在吹填土層中形成橫向的排水通道，縮短了吹填土排水路徑，提高了土層的固結(jié)速度。圖5為模型頂面沉降控制點(diǎn)隨時(shí)間的沉降變化規(guī)律，從圖中可以看出設(shè)置夾砂層后土層固結(jié)速度明顯加快；同時(shí)夾砂層由于增加了負(fù)壓的影響范圍，吹填土總的固結(jié)沉降量也有大幅度的提高。

圖4 設(shè)置兩層間隔為2 m的夾砂層孔隙壓力分布云圖

圖5 時(shí)間-沉降關(guān)系曲線

圖6為真空預(yù)壓60 天后不設(shè)置夾砂層的吹填土層沉降云圖，圖中可以看出采用真空預(yù)壓后吹填土發(fā)生了較大沉降，并且沉降以砂井為中心向兩側(cè)逐漸減小，土層不均勻沉降十分明顯，而在實(shí)際情況下由于砂屬于散體材料，在不加任何約束的情況下很難形成穩(wěn)定的夾砂層，也就無法達(dá)到很好的橫向排水效果。

圖6 不設(shè)置夾砂層的沉降云圖

圖7 設(shè)置兩層間隔為2 m的夾砂層沉降云圖

圖7為真空預(yù)壓60 天后設(shè)置兩層間隔為2 m的夾砂層沉降云圖，由于夾砂層的存在使得吹填土的沉降固結(jié)更加均勻，同時(shí)土工布也發(fā)揮了一定抵抗吹填土不均勻沉降的作用，有助于夾砂層的穩(wěn)定，避免過大不均勻沉降導(dǎo)致的夾砂層水平向排水通道的阻斷。

2.3 夾砂層位置對(duì)固結(jié)速度的影響

從模型的分析結(jié)果來看，滲透系數(shù)為10-14m2/(Pa·s)的吹填土，其砂井影響范圍在1 m左右，因此在吹填土層中設(shè)置間隔為2 m的夾砂層能夠充分發(fā)揮夾砂層的排水作用，使得吹填土固結(jié)速度更快。但下層夾砂層由于豎向砂井的井阻作用，負(fù)孔壓較上夾砂層低，排水效率受到一定的影響；但夾砂層在吹填土上層布設(shè)，由于吹填土在預(yù)壓過程中產(chǎn)生過大沉降，夾砂層往往較難形成，無法達(dá)到橫向排水的作用。本文提出在夾砂層上下面各鋪設(shè)一層透水土工布，在保證夾砂層穩(wěn)定的同時(shí)，還可以提供一定拉應(yīng)力，起到擴(kuò)散應(yīng)力、防止吹填土地基發(fā)生過大的不均勻沉降的效果。

2.4 夾砂層厚度對(duì)固結(jié)速度的影響

夾砂層厚度對(duì)吹填土的固結(jié)速度影響不大，因?yàn)橐欢ê穸鹊膴A砂層在吹填土層中一旦形成，基本可以滿足上下吹填土層的排水需求，只是增加夾砂層厚度而負(fù)孔壓不產(chǎn)生變化，對(duì)吹填土的固結(jié)速度基本不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié) 論

(1)在吹填土中設(shè)置夾砂層可以起到橫向排水通道的作用，能有效加快吹填土的固結(jié)速度。

(2)在吹填土夾砂層的上下面設(shè)置土工布，可以有助于穩(wěn)定夾砂層的形成，同時(shí)能夠起到一定限制地基不均勻沉降的作用。

(3)本文對(duì)夾砂層位置和厚度的選取進(jìn)行了一些基本分析，對(duì)于在平面應(yīng)變問題中砂井向砂墻的轉(zhuǎn)化以及砂井的“涂抹”作用進(jìn)行了簡(jiǎn)化，為得出更為精確的模擬結(jié)果需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[1] 張成良, 洪振舜, 鄧永鋒. 淤泥吹填處理及其研究進(jìn)展[J]. 路基工程, 2007,(1): 12-14.

[2] 張文全.日本新吹填土表層處理方法簡(jiǎn)介[J]. 水運(yùn)工程, 1984,(4): 35-41.

[3] 劉加才,趙維柄,施建勇.真空預(yù)壓作用下豎井地基孔壓消散研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2004,17(2):37-42.

[4] 李玲玲. 砂井地基平面問愿的變形計(jì)算和有限元分析[D]. 杭州:浙江大學(xué), 2002.