劉遠鋒 ，鄭 剛

（1. 天津大學 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學 土木工程系，天津 300072；3. 中國土木工程集團有限公司 科技與設(shè)計咨詢部，北京 100038）

1 引 言

高速公路、高速鐵路等工程對于工后沉降的要求十分嚴格，高速公路、一級公路要求一般路堤路基工后沉降不大于30 cm[1]，高速鐵路對于路基沉降的要求則達到了近乎苛刻的程度，其要求路基工后沉降量一般路段不應大于15 mm[2]。路基工后沉降主要源于地基變形，嚴格按照設(shè)計要求的壓實標準填筑的路基本體的工后沉降所占總工后沉降的比例很小[3－4]。在地基工后沉降要求較高的條件下，地基處理費用占工程的總體費用超過1/3[5]，工后沉降的控制問題成為如今修建高速鐵路、高速公路等沉降要求嚴格的工程的重大難題和技術(shù)瓶頸，近些年來國內(nèi)外的地基處理新技術(shù)在此背景下獲得了快速發(fā)展[6－9]。

劉遠鋒[10]2003年提出地基延緩固結(jié)處理法，2012年對其進行了技術(shù)改進，經(jīng)數(shù)值模擬分析后證明其控制地基工后沉降的作用確實存在，并且在一定條件下與剛性樁相比在經(jīng)濟上和技術(shù)上都存在優(yōu)勢[11]。但是，根據(jù)地基延緩固結(jié)處理法的工作原理可知，其對于地基土強度幾乎沒有提高的作用，對于土的天然強度很低的軟土地基并不適用，只適用于天然強度已經(jīng)滿足要求的松軟土地基，而且控制工后沉降的效果也比較有限。為了解決上述問題，劉遠鋒[12]于 2010年又提出了一種名為“地基排水控制法”的新型地基處理方法，簡稱排水控制法，可以解決軟土地基承載力不夠和高效控制地基工后沉降的問題。

2 排水控制法的基本工作原理

排水控制法利用由嚴格密封連接的豎向防滲帷幕、水平防滲層形成的一個類似倒扣于地基當中的茶杯的密封系統(tǒng)，對地基土的良好密封作用，在施工期間通過真空和堆載預壓的雙重作用加速地基土的排水固結(jié)，大大提高地基的承載力，并使得地基的固結(jié)沉降在施工期間盡可能多地發(fā)生，從而也可以大大減小地基的工后沉降。在停止抽真空之后和工程運營期開始之前，將排水管道嚴密封堵，限制地基土中殘余超孔壓的消散，阻止地基土固結(jié)沉降的進一步發(fā)生，達到良好的控制地基工后沉降的目的。用一句話來概括，排水控制法在施工預壓期間利用真空和堆載2個協(xié)同工作的因素對被嚴密密封的地基土體的高效加固作用來提高地基承載力和促使固結(jié)沉降盡快完成，預壓結(jié)束后則利用密閉系統(tǒng)對于地基土中殘余超孔壓消散的限制作用，進一步阻止了地基土固結(jié)沉降的發(fā)生。排水控制法的基本結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

由上述可知，排水控制法與傳統(tǒng)的真空聯(lián)合堆載的處理方法有類似之處，都利用了真空和堆載的聯(lián)合預壓對地基的加固作用，但排水控制法由于豎向防滲帷幕的存在，抽真空期間地基中的真空度維持在更高的水平，真空預壓的效果更佳，且由于地基整體密封性的大大提高，真空泄漏得到有效地控制，施工期間抽真空所消耗的電能會有較大降低，從而會降低工程造價。在工程運營期間排水控制法由于繼續(xù)保持了地基加固部分的密封性，可以進一步限制工后沉降的發(fā)生。

圖1 排水控制法基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Elementary structure sketch of drainage controlling ground treatment method

3 有限元分析模型的建立

巖土工程中現(xiàn)場實測是重要的研究方法[13]，對于一般性規(guī)律的研究，數(shù)值分析的方法同樣十分有效[14－15]。為了對排水控制法控制地基工后沉降的作用進行驗證，結(jié)合工程實踐中的數(shù)據(jù)，采用有限元方法來研究排水控制法處理后的地基的受力及變形規(guī)律。

3.1 計算條件

考慮均布條形荷載作用于地面水平的均質(zhì)地基之上的情況。設(shè)作用于地基上的第一階段荷載的集度為120 kPa（相當于6 m高的路堤填土荷載），第二階段荷載集度為11.4 kPa（相當于列車和軌道荷載），2個荷載作用位置相同，作用寬度都為20 m。在荷載作用范圍內(nèi)，按間距 1.2 m、正方形排列設(shè)置豎向塑料排水板（下文以PVD代指塑料排水板）。在地面設(shè)置水平防滲層，其不透水性通過孔壓邊界條件來實現(xiàn)。在荷載作用范圍邊緣內(nèi)側(cè)設(shè)置1 m厚度的豎向防滲帷幕，水平防滲層和豎向防滲帷幕密封連接。地下水位和地表平齊，地基土完全飽和。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征和對稱性原理，這里從長度方向取以一排PVD為中心的1.2 m寬的條帶來分析。為了減少計算工作量，只取條帶軸向中心一側(cè)的1/2來建立有限元模型。為了充分考慮地基的尺寸效應影響，模型的高、寬都取相對較大值，現(xiàn)取模型寬60 m，高150 m。幾何模型如圖2所示。

計算域左側(cè)面即為實際的荷載中心線，下文將其中點簡稱為中心。有限元分析邊界條件設(shè)置見表1。荷載施加及孔壓邊界條件的變化情況見表2。表中，孔壓邊界和荷載涉及變化的均為在當前計算步內(nèi)隨時間線性變化。孔壓邊界條件的作用范圍為豎向防滲帷幕內(nèi)地表，即模型左側(cè)9 m寬的范圍內(nèi)。荷載范圍外自由排水地表孔壓恒為 0。模型的其他面孔壓邊界均為不排水邊界。

圖2 有限元幾何模型Fig.2 Geometric model of finite element method

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary condition setting

表2 荷載及孔壓邊界條件Table 2 Load and pore pressure boundary condition

所有材料的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫侖模型，干密度ρd= 1 500 kg/m3，楊氏彈性模量E= 10 MPa，泊松比μ= 0.3，黏聚力c′= 40 kPa，內(nèi)摩擦角φ′=30°。地基土滲透系數(shù)k= 1.97×10-10m/s，孔隙比e=0.716。

3.2 單元類型

地基土采用8結(jié)點六面體孔壓單元來模擬，豎向防滲帷幕采用8結(jié)點六面體線性應力單元來模擬其不透水性。

為了取得較好地模擬效果又不增大計算工作量，通過專門開發(fā)的線單元PVD單元來模擬PVD的排水作用，排水板橫截面面積為0.031 4 m2，彈性模量為1 MPa，滲透系數(shù)為1.16×10-7m/s。

4 排水控制法處理后的地基沉降規(guī)律

4.1 中心地表工后沉降和豎向防滲帷幕及 PVD深度的關(guān)系

圖3為不同PVD深度d條件下中心地表工后沉降s和豎向防滲帷幕深度h的關(guān)系曲線。圖4為不同防滲帷幕深度h條件下s與d的關(guān)系曲線。

圖3 不同d條件下s與h的關(guān)系Fig.3 Relationships between s and h with different d

圖4 不同h條件下s與d的關(guān)系Fig.4 Relationships between s and d with different h

從圖3、4中可以看出，當PVD不存在（即d=0）或者長度很短時（如d= 5 m時），s會隨h的加大有較為明顯的減少，h由0 m變?yōu)?0 m時s減少了8～9 mm。但是，當d＞10 m以上時，s隨著h的變化則微乎其微，當h由0 m變?yōu)?0 m時，s只減少了1～2 mm。換言之，不論h是多少，隨著d的加大，s的減少都是十分顯著的，當d從0 m變化為30 m時，s減少了大約150 mm。由于PVD的價格較低，施工也很方便，在實際應用中 PVD設(shè)置深度通常都會大于10 m，而豎向防滲帷幕造價相對較高，尤其深度較大的豎向防滲帷幕單價會高很多，同時施工質(zhì)量也更不容易控制，通過增加豎向防滲帷幕深度的方法來提高工后沉降控制效果是事倍功半的。所以，為了有效控制工后沉降，可以設(shè)置較淺的豎向防滲帷幕深度和較深的 PVD深度來尋求較高的性價比。鑒于此，下文的研究都以4 m這個較小的豎向防滲帷幕深度作為前提條件。

4.2 中心地表工后沉降隨時間的發(fā)展變化

作出不同d條件下的s與工后沉降時間期限t的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 不同d的s時程曲線Fig.5 Time process curves of s with different values of d

圖5揭示了一個有趣的現(xiàn)象，即除了d= 0以外，s隨著t的變化都存在一個負增長的過程，即地基先發(fā)生回彈隆起，經(jīng)一定時間后隆起達到峰值，之后才逐漸發(fā)生向下的沉降。因此，在d一定的條件下，最終的s是與t有關(guān)系的，隨著t由短變長，s可能為負值，0或者正值。同樣，在t確定時（這是工程中最常見的情況），s隨著d由小變大則會出現(xiàn)正值，0或者負值三種情況。這就是說，只要選取適當?shù)?PVD長度，在代價相對低廉的情況下，就可以實現(xiàn)將地基工后沉降控制為0的目標，這對于降低類似高速鐵路路基等對于地基工后沉降要求極為苛刻的工程的造價是有十分重要而明顯的意義的。應該說，能夠以相對低廉的工程造價、在較短的工期內(nèi)獲得工后沉降為0的特殊處理效果的地基處理方法，在現(xiàn)有的地基處理方法當中尚不多見。

5 排水控制法處理后的地基超孔壓變化規(guī)律

圖6為d= 20 m的PVD平面上運營期起始時刻t0和結(jié)束時刻t1地基中超孔壓u分布等值線。從圖中可以看出，t0時刻在地基加固區(qū)內(nèi)及其附近的超孔壓為負值，越靠近加固區(qū)中心負值越大，加固區(qū)外靠近地表的部分區(qū)域的超孔壓也為絕對值較小的負值，地基深部大部分區(qū)域均為由于堆載引起的正超孔壓。在t1時刻，整個地基中的超孔壓都為正值，且由深到淺由大逐漸變小。

圖7為PVD平面上開始運營后第5.4年孔隙水滲流速度矢量圖及其左上角局部放大圖。

圖6 PVD平面上t0、t1時刻超孔壓分布等值線（單位：kPa）Fig.6 Excess pore pressure field contours on the PVD plane at times t0 and t1 (unit: kPa)

圖7 竣工后第5.4年P(guān)VD平面上孔隙水滲流速度矢量圖及其左上角局部放大Fig.7 Seepage velocity vector graph on the PVD plane 5.4 years after the completion of construction and locally magnified plot of the left upper part

代表性地取密封區(qū)域內(nèi)排水板平面上中心地表處一點，此點處于2排PVD中間的土中，繪制此點的超孔壓u變化時程曲線如圖8所示。由于地面抽真空和地基中 PVD對真空的傳遞作用，密封區(qū)域內(nèi)的地基土在施工期間積累了較大的負超孔壓，當工程進入運營期以后，由于豎向防滲帷幕和水平防滲層的嚴格密封，限制了負超孔壓直接由地表消散，故很好地維持了此負超孔壓的延續(xù)。在周邊，尤其是密封區(qū)域以下深層的地基土中的孔隙水由于受到地面填土荷載產(chǎn)生的附加應力的作用，產(chǎn)生了較大的正超孔壓。因此，密封區(qū)域內(nèi)外的孔隙水壓力存在著較大的水力梯度，孔隙水在此水力梯度的作用下，繞經(jīng)帷幕底部由外向內(nèi)發(fā)生滲流運動（見圖7），直至逐漸達到內(nèi)外超孔壓的平衡。即密封區(qū)域內(nèi)的地基土的超孔壓會在工程運營的期間經(jīng)歷了一個如圖8所示的上升過程，超孔壓的上升導致了有效應力的減小，地基土發(fā)生回彈，從而造成了地表的隆起。

圖8 密封區(qū)域內(nèi)地表中心處的超孔壓u變化時程曲線Fig.8 Time process curve of excess pore pressure u of center in sealed scope

6 結(jié) 論

（1）本文方法具有以相對低廉的工程造價，在較短的工期內(nèi)獲得工后沉降為0的特殊處理效果，這對于降低類似高速鐵路路基等對于地基工后沉降要求極為苛刻的工程的高昂造價是有十分重要和明顯的意義。實際效果尚需要實際工程的驗證。

（2）運用排水控制法時，為了有效控制工后沉降，可以設(shè)置較淺的豎向防滲帷幕深度和較深的PVD深度來尋求較高的性價比。

（3）工程運營期間，密封區(qū)域以外的孔隙水會發(fā)生繞經(jīng)帷幕底部向密封區(qū)域以內(nèi)的滲流運動，使得密封區(qū)域內(nèi)的地基土的孔壓上升，導致有效應力減小，地基土會發(fā)生部分回彈，這是其減小地基工后沉降的重要原因。

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