張曉濱，陳智軍，于健，徐賓賓*，梁愛華，李衛(wèi)（.天津港航工程有限公司，天津　300457；.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津　300）

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密封管連接式自密封真空預(yù)壓工藝及其仿真分析

張曉濱1，陳智軍2，于健2，徐賓賓2*，梁愛華2，李衛(wèi)2
（1.天津港航工程有限公司，天津300457；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津300222）

摘要：介紹了密封管連接式自密封真空預(yù)壓的施工工藝，利用有限元程序模擬了真空預(yù)壓加固過程，驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析方法的可行性。計(jì)算結(jié)果表明，采用合理的本構(gòu)模型和計(jì)算方法，地表處的計(jì)算沉降值和實(shí)測沉降值符合良好；通過比較傳統(tǒng)真空預(yù)壓加固法與密封管連接式真空加固法的地基內(nèi)超靜孔隙水壓力分布，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：密封管連接式；自密封；真空預(yù)壓；有限元計(jì)算；仿真分析

Technology ofself-sealing vacuum preloading by sealing tubesand itssim ulated analysis

ZHANG Xiao-bin

1

,CHEN Zhi-jun

2

,YU Jian

2

,XU Bin-bin

2*

,LIANG Ai-hua

0　引言

真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)自問世以來，在公路、鐵路、港口等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，采用真空預(yù)壓法加固的軟土地基面積已超過350 km2，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。傳統(tǒng)的真空預(yù)壓加固軟土地基通常需要砂墊層和密封膜，分別作為真空加固的水平排水路徑和真空壓力密封裝置。為了解決傳統(tǒng)真空預(yù)壓中砂源緊張、造價(jià)較高等問題，梁愛華等人提出了密封管連接式真空預(yù)壓法[1-3]。該方法通過鴨嘴式連接裝置將塑料排水板和密封管連接，以表層淤泥作為密封層，以密封管作為排水通道，真空負(fù)壓通過密封管、鴨嘴式連接裝置、塑料排水板傳遞至軟土地基，從而加速軟土地基的固結(jié)。

本文首先介紹了新開發(fā)的密封管連接式真空預(yù)壓施工工藝及其與傳統(tǒng)真空預(yù)壓法的區(qū)別，針對(duì)密封管連接式真空預(yù)壓法，利用有限元法模擬了真空預(yù)壓加固過程，分析了關(guān)鍵的影響因素，可為后續(xù)類似工程提供參考。

1　密封管連接式真空預(yù)壓工藝

密封管連接式自密封真空預(yù)壓法是在排水板上端安裝自密封裝置和聯(lián)接軟管，通過打板裝置將排水板打入預(yù)定深度，將聯(lián)接軟管的另一端安裝在魚刺形接頭上，魚刺形接頭之間用密封的塑料管和中間主管、射流泵相連[3]。密封管連接式自密封真空預(yù)壓施工需要搭設(shè)浮板作為工作界面和通道。密封管連接式真空預(yù)壓機(jī)理與傳統(tǒng)采用砂墊層的真空預(yù)壓機(jī)理相同，不同的是，該工藝并未使用密封膜而是利用表層淤泥作為密封層，同時(shí)以密封管和自密封裝置代替砂墊層作為水平排水通道。

密封管連接式真空排水加固工藝主要包括鋪設(shè)施工通道、鋪設(shè)土工布、安裝自密封裝置、人工打設(shè)排水板、連接魚刺形接頭和密封管、抽真空設(shè)備和真空泵的布設(shè)、抽氣加載加固過程中的監(jiān)測和檢測、加固后檢測等步驟。由密封管連接式自密封真空預(yù)壓施工工藝可知，該工藝非常適合剛吹填完成的高含水率、低強(qiáng)度的超軟土地基，便于排水板的打入以及自密封裝置的壓入。密封管連接式自密封真空預(yù)壓法接頭較多，施工過程中需要保證施工質(zhì)量，確保連接牢固并保證氣密性。密封管連接式自密封真空預(yù)壓法在加固軟土地基過程中，不需要傳統(tǒng)真空預(yù)壓工藝中的砂墊層、密封膜，工藝簡單，施工速度快，具有廣泛的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值。

2　有限元計(jì)算模型

真空固結(jié)排水有限元計(jì)算難點(diǎn)有：

1）排水板尺寸相對(duì)于地基尺寸而言過小，精確模擬排水板布置將會(huì)使網(wǎng)格過密，大幅增大計(jì)算量。

2）地基通常被簡化為平面應(yīng)變條件，相應(yīng)的單個(gè)三維排水板也轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變下的“排水砂墻”，需要人為的調(diào)整排水板的間距、透水能力等[4-5]。

基于Akai和Tamura提出的水土耦合變形連續(xù)原則[6]，Sekiguchi等人提出了可用于二維排水固結(jié)的Macro- element方法[7]，其特點(diǎn)是考慮了排水板的體積變形特性，無須為排水板設(shè)置專門的單元，從而避免了有限元分析中網(wǎng)格過密的情況。在此過程中，并未使用具體的單元來描述排水板，僅將排水板作為體積變化影響項(xiàng)加入水土耦合連續(xù)方程，本文采用該方法進(jìn)行有限元計(jì)算。

本文采用較簡單的一維條件進(jìn)行密封管連接式真空預(yù)壓模擬計(jì)算，即僅考慮1條排水板加固地基的效果。假定排水板通水能力kw為1 cm/s，排水板等效直徑dw為6.5 cm，有效排水圓直徑de為60cm，對(duì)應(yīng)的井徑比n = de/dw約為9。

2.1有限元網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分如圖1所示，待處理地基深度取10 m，沿高度20等分，密封管連接式真空預(yù)壓處理深度至地下4 m，排水板頂部距地表0.5 m，網(wǎng)格寬度取為1 m。地表為排水條件，地基底部及側(cè)面為不排水條件，頂部施加真空壓力。傳統(tǒng)真空預(yù)壓法中通常需要砂墊層，真空壓力分別通過砂墊層和真空泵施加于地表和排水板頂部，因此數(shù)值計(jì)算中要同時(shí)在地表處有限單元頂部和排水板頂部施加真空壓力。與常規(guī)真空預(yù)壓計(jì)算不同，密封管連接式自密封真空預(yù)壓計(jì)算時(shí)真空壓力施加位置位于地表下0.5 m處，而非直接作用在地表處，同時(shí)也未考慮砂墊層的影響。同時(shí)需要指出真空壓力通過排水板內(nèi)的變形連續(xù)條件逐漸傳遞至排水板及地基深處，初始計(jì)算時(shí)并不需要人為指定真空壓力沿深度分布情況。

2.2本構(gòu)模型

本構(gòu)模型采用修正的劍橋模型[8]，這是世界上第一個(gè)可以同時(shí)描述土體壓縮特性和剪切特性的彈塑性本構(gòu)模型。模型中有三個(gè)參數(shù)，臨界狀態(tài)線斜率、壓縮指數(shù)和泊松比，可以分別通過三軸剪切試驗(yàn)和一維固結(jié)試驗(yàn)確定。表1給出了本次計(jì)算所用的土體參數(shù)和初始條件。

圖1　地基及排水板示意圖Fig.1　Sketch ofgroundand verticaldrain

3　計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算過程中，首先使塑料排水板頂部的真空壓力在24 h內(nèi)減小至-80 kPa，此后真空壓力維持-80 kPa并持續(xù)90 d。圖2給出了地表處沉降的計(jì)算值和實(shí)測值，其中實(shí)測值見文獻(xiàn)[1]?？梢钥吹?，在真空預(yù)壓60 d以內(nèi)計(jì)算值和實(shí)測值符合良好，能夠較好地反映地表的變形值。真空預(yù)壓90 d時(shí)，地表實(shí)測沉降值約為590 mm，計(jì)算沉降值達(dá)到610 mm，較實(shí)測值偏大20 mm（3.4 %），偏差值并不大。造成計(jì)算值與實(shí)測值偏差的原因可能是加固過程中吹填土滲透系數(shù)的變化。隨著有效應(yīng)力的增大，土體的孔隙比逐漸減小造成滲透系數(shù)逐漸減小，排水板周圍土體的固結(jié)系數(shù)也隨之減小，導(dǎo)致地基固結(jié)緩慢，沉降速率變小。同時(shí)圖2也顯示出了有限元計(jì)算預(yù)測的真空預(yù)壓500 d時(shí)地表沉降變化曲線，由圖可知，若不考慮吹填土滲透系數(shù)的變化，真空預(yù)壓作用下地表的最終沉降值將達(dá)到1 000 mm，但因?yàn)楣探Y(jié)系數(shù)在固結(jié)過程中逐漸減小，地表的最終沉降量將小于計(jì)算給出的1 000 mm。

圖3給出了排水板及地基內(nèi)不同時(shí)刻超靜孔隙水壓力隨深度分布變化，可以看到，由于排水板較短，井阻很小，排水板內(nèi)的超靜孔隙水壓在1 d之內(nèi)變?yōu)?80 kPa。隨著真空壓力作用時(shí)間的增加，真空壓力逐漸從排水板傳遞至地基中，地基內(nèi)開始出現(xiàn)負(fù)的超靜孔隙水壓。排水板加固深度范圍內(nèi)超靜孔隙水壓逐漸減小，而加固深度范圍外超靜孔隙水壓則逐漸增大至零。另外，在作為密封層的表層吹填土中，孔隙水壓也有較大幅度的減小。

圖4給出了傳統(tǒng)真空預(yù)壓與密封管連接式自密封真空預(yù)壓地基內(nèi)真空壓力持續(xù)2d、10d、30d時(shí)超靜孔隙水壓隨深度的變化，可以看到，與傳統(tǒng)真空預(yù)壓相比，由于真空壓力施加位置不同，密封管連接式真空預(yù)壓在地表處的超靜孔隙水壓較小，排水板深度范圍內(nèi)地基的孔隙水壓也略小。隨著真空壓力作用時(shí)間的增加，排水板加固范圍內(nèi)地基孔隙水壓逐漸減小。

表1　地基土彈塑性參數(shù)及初始條件Table1　Elasto-plasticsoilparam etersandinitialconditionofground

圖2　地表沉降量Fig.2　Groundsurfacesettlem ent

圖3　地基及排水板內(nèi)超靜孔隙水壓隨深度和時(shí)間的變化Fig.3　Changingoftheexcessporewaterpressureinsidegroundand verticaldrainwith depth and tim e

圖4　超靜孔隙水壓對(duì)比Fig.4　Com parison oftheexcessporewaterpressure

4　結(jié)語

利用有限元法對(duì)密封管連接式真空預(yù)壓法在一維條件下進(jìn)行了初步的仿真分析，得出主要結(jié)論如下：

1）地表處的計(jì)算沉降值和實(shí)測沉降值符合良好，真空預(yù)壓后期沉降值的微小偏差可歸因于吹填土地基滲透系數(shù)的改變，若不考慮滲透系數(shù)的變化，地基的最終沉降值將達(dá)到1 m左右。

2）不同時(shí)刻排水板內(nèi)超靜孔隙水壓力沿深度的分布表明，排水板內(nèi)的井阻很小，超靜孔隙水壓可在1 d之內(nèi)達(dá)到-80 kPa。

3）不同時(shí)刻地基內(nèi)超靜孔隙水壓力沿深度的分布表明，真空壓力逐漸從排水板傳遞至地基中，因密封管連接式真空預(yù)壓中真空壓力施加位置的不同，地基內(nèi)超靜孔隙水壓沿深度分布也與傳統(tǒng)真空預(yù)壓法有所不同。

4）利用有限元法模擬密封管連接式自密封真空預(yù)壓法的加固過程，可為實(shí)際工程應(yīng)用提供工前決策。

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2

,LIW ei

2

（1.TianjinPort& ChannelEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300457,China;2.CCCC TianjinPortEngineeringInstituteCo.,Ltd., KeyLaboratoryofPortGeotechnicalEngineeringoftheMinistryofCommunications,KeyLaboratoryofPortGeotechnical EngineeringofTianjin,Tianjin300222,China）

Abstract：Thetechnologyoftheself-sealingvacuum preloadingmethod bysealingtubeisintroduced in thispaper.Utilizing thefiniteelementmethod tosimulatetheprocessofvacuum preloading,weverified thefeasibilityofthenumericalsimulation analysismethod.The resultsshow thatthere isa good coordance between the measured and computed settlementvaluesby using rationalconstitutive modeland calculation method.According to the distribution ofexcess pore water pressure,by comparingtheexcessporepressureoftheconventionaland self-sealingvacuum preloadingmethod,theaccuracyofnumerical calculationisfurtherverified.

Keywords：connectbysealingtubes;self-sealing;vacuum preloading;finiteelementmethod calculation;simulated analysis

收稿日期：2015-05-19修回日期：2015-06-24

doi：10.7640/zggwjs201510004

文章編號(hào)：2095-7874（2015）10-0018-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：U655.544.4；TU472.33

作者簡介：張曉濱（1975—），男，天津市人，高級(jí)工程師，從事港口航道工程方面的施工管理。

*通訊作者：徐賓賓，E-mail：xubinbin@tpei.com.cn