魯虹君 王 旭

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

塑料排水板處理深層軟土地基數(shù)值分析★

魯虹君 王 旭

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

利用ABAQUS有限元數(shù)值分析軟件建立一個(gè)模型，模擬深層軟土地基在經(jīng)過塑料排水板處理后以及未處理的兩種情況，通過堆載預(yù)壓觀察其沉降情況，對所得出的數(shù)值進(jìn)行比較分析。分析發(fā)現(xiàn)，塑料排水板可以使軟土地基沉降更加完全，提高地基的穩(wěn)定性并減少工后沉降，極大地縮短地基固結(jié)時(shí)間。

ABAQUS，塑料排水板，深層軟土地基

0 引言

我國東北地區(qū)軟土分布范圍較廣，那么東北地區(qū)的公路網(wǎng)或多或少都會(huì)穿過一定區(qū)域的軟土。由于軟土地基的含水量大、孔隙比大、滲透系數(shù)小、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，給軟土地基修建公路帶來較大的困難，軟土地基沉降變形大、不均勻沉降也大、而且沉降穩(wěn)定歷時(shí)較長[1]。因此對軟土地基進(jìn)行處理是十分必要的。塑料排水法由于具有性能好、質(zhì)量可靠、施工方便、工效高、工程費(fèi)用低、對土的擾動(dòng)小、可用輕型機(jī)械在軟土上施工等優(yōu)點(diǎn)，其在處理軟土地基的方面得到了廣泛的應(yīng)用[2]。若在寒冷地區(qū)應(yīng)用此方法，相信一定也會(huì)取得較好的處理效果，為國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

在實(shí)際應(yīng)用中塑料板排水法通常與堆載預(yù)壓聯(lián)合使用，這樣能夠取得更好的處理效果。它是通過在飽和軟土地基中打設(shè)可排水的塑料板，形成一個(gè)個(gè)的豎向排水通道，并與土層表面鋪設(shè)的砂墊層共同作用組成排水系統(tǒng)。此外還需要加壓系統(tǒng)的作用，即對路基進(jìn)行堆載預(yù)壓，使土體內(nèi)部形成一定強(qiáng)度的壓力差，促進(jìn)土體內(nèi)孔隙水的排出，從而增加土體有效應(yīng)力，提高土體強(qiáng)度，達(dá)到加速土體固結(jié)、減少地基工后沉降和提高地基承載力的目的，是一種較為經(jīng)濟(jì)的軟土地基的加固方法[3]。

1 工程概況

該研究地段位于哈爾濱繞城公路西段，根據(jù)東北林業(yè)大學(xué)于2001年10月所做的《塑料板排水法在東北寒冷地區(qū)高等級(jí)公路軟土地基處理中的應(yīng)用研究》勘察與試驗(yàn)報(bào)告[4]，該段土層可以分為如下五層：第①層為人工填土。該層土位于表層，其主要是素填土，局部伴有雜填土。第②層泥炭質(zhì)淤泥。第③層粉質(zhì)粘土。粉質(zhì)粘土層厚度變化不大，灰色，含有機(jī)質(zhì)。局部夾細(xì)砂。第④層粉土。第⑤層中細(xì)砂。多數(shù)勘察孔揭露的細(xì)砂層與中砂層交互出現(xiàn)，土層上部多處夾粘性土?；疑査?，松散程度從松散到中密不等。

各土層基本參數(shù)見表1。

2 建立模型

所建模型計(jì)算寬度為48 m，模型高度為14 m。模型上部堆載預(yù)壓高度為4 m，堆載土層頂部寬16 m，按1∶1.5放坡，地基寬度由坡腳向兩側(cè)各延伸10 m。模型下部計(jì)算深度10 m，其中第①層人工填土厚2.5 m，第②層泥炭質(zhì)淤泥厚1.5 m，第③層粉質(zhì)粘土厚3.5 m，第④層粉土厚2 m，第⑤層中細(xì)砂厚3 m。

地基土采用Mohr-Coulomb(M-C)彈塑性模型。堆載預(yù)壓填土為細(xì)砂，容重為18.3 kN/m3，彈性模量為50 MPa，泊松比為0.3，采用彈性模型。

利用有限元進(jìn)行分析，需要對軟土地基進(jìn)行處理，將塑料排水板地基簡化成滲透系數(shù)相同的天然層地基進(jìn)行計(jì)算[5]。公式如下：

其中,H為土層厚度；De為單獨(dú)塑料排水板影響區(qū)直徑；l為排水板或塑料板打設(shè)的深度；kh和kv分別為單層地基下土體水平方向和豎直方向的滲透系數(shù)；khn和kvn分別為多層地基下第n層土體水平方向和豎直方向的滲透系數(shù)。

將塑料排水板等效為一定直徑的袋裝砂井，其等效直徑如下：

其中，α為換算系數(shù)，α=0.6～0.9,本文將取α=0.75;b為塑料排水板寬度;δ為厚度。本文擬用SPB-1型排水板對軟土地基進(jìn)行處理，寬100 mm，厚4.6 mm，三角形分布，間距1.0 m，長10 m。那么其影響圓的直徑計(jì)算公式如下：

通過以上公式的計(jì)算，地基各土層等效滲透系數(shù)如表2所示。

表2 地基各土層等效滲透系數(shù) m/d

3 數(shù)值分析

圖1為地基表面水平方向上不同位置的沉降量情況，可以明顯的看出曲線呈現(xiàn)出中間低兩邊高的盆底狀的圖形。地基表面不同位置呈現(xiàn)出不均勻沉降，路堤下部沉降量較大，而路堤兩側(cè)的一部分土體受到擠壓作用，微微向上隆起。通過塑料排水板處理后和未處理的曲線進(jìn)行比較可知，處理后的沉降量明顯大于未處理的沉降量，處理后的沉降量可以達(dá)到0.1 m，而未處理的沉降量僅僅達(dá)到0.06 m。由此可以看出處理后的沉降更完全，效果較好。

圖2為地基中點(diǎn)不同深度的沉降量變化情況，從圖2可以看出，隨著深度的不斷增加，沉降量呈現(xiàn)遞減的趨勢。沉降量的影響范圍在地基表面下7 m的范圍內(nèi)，0 m～2.5 m范圍內(nèi)變化比較緩慢，2.5 m后沉降量急劇減小，當(dāng)?shù)鼗疃冗_(dá)到7 m的時(shí)候，沉降量已經(jīng)基本接近為0。由此可以得出塑料排水板處理方法的有效控制范圍在7 m范圍內(nèi)，超過該值后處理效果不明顯。通過兩種處理方案的比較可以看出，經(jīng)過處理后的沉降量明顯大于未處理的，處理后使地基的沉降更為完全徹底。

圖3為地基表面中點(diǎn)位置處，隨著時(shí)間的變化，該點(diǎn)的沉降量也在逐漸發(fā)生改變。該點(diǎn)沉降量隨著路堤土的堆載預(yù)壓整體呈現(xiàn)階梯狀，并且與填土堆載高度相對應(yīng)堆載結(jié)束后逐漸趨于平穩(wěn)。從圖3可以看出，經(jīng)過塑料排水板處理后，使得地基土的固結(jié)時(shí)間明顯縮短，在堆載結(jié)束后就已趨于穩(wěn)定，即在200 d左右就已經(jīng)沉降完全，工后沉降只有0.01 m。而未處理的地基在300 d左右時(shí)沉降量趨于0，即沉降完全，工后沉降達(dá)到0.02 m。經(jīng)處理后的地基土在每級(jí)堆載預(yù)壓結(jié)束后沉降量基本趨于穩(wěn)定，而未處理的地基土在每級(jí)堆載預(yù)壓結(jié)束后的固結(jié)期內(nèi)沉降量依然呈現(xiàn)增長趨勢。塑料排水板可以有效控制工后沉降量，加速地基的固結(jié)。

4 結(jié)語

1)塑料排水板通過打設(shè)排水通道，有效改善了土體的排水條件，在堆載預(yù)壓的過程中，使土體內(nèi)部形成壓力差，促進(jìn)土體內(nèi)水分的排除，快速消散地基內(nèi)空隙水壓力，加速地基內(nèi)土的固結(jié)，而使土體的有效應(yīng)力增大，強(qiáng)度得到逐步提高。

2)經(jīng)塑料排水板處理后，雖然總的沉降量有些許的增加，但是其工后沉降量有所減小，并極大地縮短了地基的固結(jié)時(shí)間，固結(jié)時(shí)間是未鋪設(shè)排水板的2/3。排水板處理后可以加速地基土的固結(jié)，提高地基的穩(wěn)定性。

[1] 吳昊旭.煙臺(tái)地區(qū)軟土地基沉降預(yù)測的研究[D].天津：天津大學(xué),2015.

[2] 翁哲敏.淺談公路路基病害路基軟基處理[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2015,12(8):76.

[3] 黃 飛,祁長青,李新發(fā).塑料排水板處理臨江軟基效果數(shù)值模擬[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2013(5):536-541.

[4] 江懷軍.高速公路軟基路堤變形預(yù)測及非線性有限元數(shù)值分析[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2011.

[5] 阮 昆.真空預(yù)壓法在吹填陸域軟基工程中的加固效果研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2014.

Numerical analysis of deep soft soil foundation treated with plastic drainage plate★

Lu Hongjun Wang Xu

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In this paper, ABAQUS finite element numerical analysis software is used to establish a model to simulate the two cases of deep soft soil foundation treated by plastic drainage plate and untreated. The settlement is observed by surcharge preloading, and the numerical values are compared and analyzed. It is found that the plastic drainage plate can make the settlement of the soft soil foundation more complete, improve the stability of the foundation and reduce the post construction settlement, and greatly shorten the consolidation time of the foundation.

ABAQUS, plastic drainage plate, deep soft soil foundation

1009-6825(2017)22-0055-03

2017-05-24★：黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2012C080)資助

魯虹君(1992- )，女，在讀碩士; 王 旭(1963- )，男，教授

TU471.8

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