盧俊言，孫樹林，楊 揚(yáng)，曾慶軍

（1．中建市政工程有限公司，北京 100071；2．河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；3．中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

真空預(yù)壓法作為一種常用軟土加固方法，具有工期短、加固效果好及節(jié)省工程費(fèi)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于圍海造地及港口建設(shè)等工程［1-4］。對真空預(yù)壓吹填土地基處理工程的模擬與分析對于其加固效果和機(jī)理研究有重要意義。應(yīng)舒等［5］針對因場區(qū)面積過大而導(dǎo)致的加固效果不明顯的問題，提出二次插板，并通過數(shù)值模擬分析證明二次插板的加固效果更好；莊妍等［6］通過對某真空預(yù)壓工程數(shù)值模擬，研究排水板參數(shù)與沉降量的關(guān)系，得出塑料排水板的打設(shè)深度對最終沉降影響最大；武亞軍等［7］通過對軟土地基采用不同加載方式進(jìn)行數(shù)值模擬，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出慢速加載方式較瞬間加載方式更有利于地基土加固。

1 工程簡介

1.1 工程概況

廣州南沙港區(qū)某真空預(yù)壓加固吹填土地基工程試驗(yàn)區(qū)加固面積近2萬m2，分區(qū)方式如圖1所示。主要施工工藝為在吹填土表面鋪設(shè)土工布和土工格柵，布置1m厚的中細(xì)砂墊層和0．6m厚的中粗砂墊層。試驗(yàn)區(qū)打設(shè)23m長的SPB-B型塑料，呈正方形分布，間距1m；水平排水管預(yù)埋在砂層表面下25cm處，各排水板間距不得大于6m。砂層上部鋪有2層密封膜以保證各加固區(qū)的封閉性，各分區(qū)由砂袋組成的覆水圍堰分開。設(shè)計(jì)加載方式為抽真空度至80kPa，使土體產(chǎn)生水壓差，從而使土體內(nèi)的自由水經(jīng)塑料排水板排出地表而逐漸固結(jié)，逐步增加土體強(qiáng)度，改善其工程性質(zhì)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)各分區(qū)分布

1.2 工程地質(zhì)條件

該地基處理工程地處沿海軟土地區(qū)，屬第四系全新統(tǒng)海相沉積的飽和軟土。工程場區(qū)自上而下分布如下：第①層為吹填土層，灰色，飽和，流塑～軟塑狀態(tài)，平均厚度3．1m；第②層為淤泥層（混砂），灰色，飽和，流塑～軟塑，含粉、細(xì)砂、碎貝殼及腐殖質(zhì)，平均厚度12．2m；第③層為淤泥質(zhì)土，灰色，飽和，流塑～軟塑，含泥質(zhì)結(jié)核，平均層厚8．30m；第④層為黏土～粉質(zhì)黏土灰黃色，淺灰色，棕紅色，中等～硬，局部含鐵質(zhì)膠結(jié)物碎粒，平均層厚3．9m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

在真空預(yù)壓數(shù)值模擬中，需要將三維空間問題等效為平面應(yīng)變問題。本文參照文獻(xiàn)［8-9］，將砂井地基等效為砂墻地基。由于工程中的豎向排水體為塑料排水板，并非砂井，所以需將排水板尺寸轉(zhuǎn)化砂井尺寸。HANSBO［10］提出塑料排水板轉(zhuǎn)化砂井的等效直徑為：

式中，w和t分別為塑料排水板橫截面上的長寬，即其寬度和厚度。

本文模擬的是面積為55．5m×90．0m的試驗(yàn)分區(qū)1-1。根據(jù)對稱性原則，模型加固區(qū)的寬度取試驗(yàn)分區(qū)短邊的一半進(jìn)行模擬與分析，即27．8m。影響區(qū)為從加固區(qū)邊緣向外延伸50m，并用于研究真空預(yù)壓對周圍環(huán)境的影響。有限元模型的計(jì)算深度取30m，共分4個土層。有限元模型簡圖如圖2所示，左邊為加固區(qū)，右邊為影響區(qū)，等效砂墻的深度與插水板打設(shè)深度一致，即23m。

吹填土地基采用修正劍橋模型模擬，各土層參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)區(qū)里呈正方形布置的防淤堵SPB-B型塑料插水板間距為1m，深度為23m，截面面積為100mm×4mm，滲透系數(shù)為5×10-5m／s。

表1 有限元模型中的土層參數(shù)

試驗(yàn)區(qū)的整個加載過程分為3個階段，分別為插板階段、抽真空階段和卸載階段。由于吹填土地基中存在未消散的超靜孔隙水壓力，所以在插板期間，吹填土地基會產(chǎn)生一定量的沉降。因此在有限元分析中，應(yīng)加上超靜孔壓而引起的沉降。抽真空階段膜下真空度達(dá)到穩(wěn)定為-80kPa。卸載階段，射流泵工作停止，其表層真空負(fù)壓降為0。

有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖3所示。相應(yīng)的約束條件為：1面為全約束，即xy方向約束，無橫向和豎向位移；2面為水平約束，即x方向約束，其中左2為軸對稱約束，兩者都只有豎向位移，無橫向位移；3面和4面分別代表影響區(qū)和加固區(qū)的地表面，無約束，可自由變形，同時4面的加載方式由加載曲線確定。網(wǎng)格形狀為四邊形，網(wǎng)格單元類型為CPE4P，按照二次縮減積分法進(jìn)行有限元計(jì)算。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

2.2 模型驗(yàn)證

將實(shí)測成果與有限元計(jì)算模型結(jié)果進(jìn)行對比，總結(jié)吹填土地基加固區(qū)中心的沉降規(guī)律及孔壓變化情況，驗(yàn)證有限元模型的正確性。

2.2.1 地表沉降

根據(jù)真空預(yù)壓有限元模型沉降云圖可看出，模型的變化趨勢與實(shí)測沉降變化趨勢一致。根據(jù)邊界條件和荷載情況，模型左邊界即加固區(qū)中心的沉降量最大，而離加固區(qū)中心越遠(yuǎn)，地表沉降量越小，這與實(shí)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律是一致的。從沉降云圖中還可看出，在真空預(yù)壓加固區(qū)23m深度左右沉降較大，這說明真空預(yù)壓的加固效果主要在插水板深度范圍內(nèi)。

從有限元模型單元節(jié)點(diǎn)豎向位移矢量圖可看出，隨著深度增加，土體沉降量越小，這符合真空度在插水板中傳遞存在井阻效應(yīng)的規(guī)律。同時，在插水板打設(shè)深度以下的土體仍然存在較小沉降，這驗(yàn)證了真空預(yù)壓的加固效果可達(dá)到插水板打設(shè)深度下數(shù)米。

圖4為加固區(qū)中心的有限元模型沉降量和實(shí)測沉降量隨時間變化曲線，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果擬合效果較好，實(shí)測最終沉降量2．138m，模擬最終沉降量2．098m，總沉降誤差為1．9%。插板期間實(shí)測沉降為0．4m，有限元分析中的插板期間沉降量為0．429m，這部分沉降為吹填土地基中的超靜孔隙水壓力隨排水路徑的縮短而消散引起的。真空預(yù)壓期間，模型的沉降量先是較實(shí)測大，隨著時間推移，實(shí)測沉降量超過模型沉降量，但兩者沉降值基本符合，且兩者的變化趨勢一致，均為前期沉降量大、沉降速度快，后期沉降量小、沉降速度緩慢。真空卸載期間，有限元計(jì)算模型中土體發(fā)生了一定量的反彈，反彈量為0．043m。

圖4 加固區(qū)中心地表沉降示意

2.2.2 孔隙水壓力

從有限元計(jì)算模型的真空恒荷載期間土體孔隙水壓力云圖可看出，真空預(yù)壓恒荷載期間，表層土體中的孔壓變化最大，其大小略低于恒荷載時膜下真空度。隨著深度增大，土體中孔壓變化越來越小，這說明真空預(yù)壓技術(shù)存在井阻效應(yīng)，但在插水板打設(shè)深度以下，土體孔壓仍有變化，這也說明真空預(yù)壓加固的影響深度大于排水板的打設(shè)深度。從恒荷載期間的孔壓云圖中還可看出，模型右邊的影響區(qū)的孔壓也存在變化，離加固區(qū)越近，孔壓變化越大。

將試驗(yàn)區(qū)1-1分區(qū)中心處不同深度土體中的孔隙水壓力隨時間變化的實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元模型計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，選取深度分別為-3，-12，-21m，并分別繪制成曲線，如圖5所示?？梢钥闯觯M管計(jì)算值和實(shí)測值有一些差距，但有限元模型計(jì)算的孔壓變化趨勢和實(shí)測孔壓變化趨勢基本一致。其中，深度為-3m處土體的實(shí)測孔壓最終變化量為-79 kPa，模型孔壓變化量為-72 kPa；深度為-12m處土體的實(shí)測孔壓最終變化量為-56kPa，模型孔壓變化量為-61kPa；深度為-21m處土體的實(shí)測孔壓最終變化量為-24kPa，模型孔壓變化量為-31kPa。圖中不同深度孔壓的實(shí)測曲線在某個時刻存在回升，這是由停電、漏氣及其他不可抗拒的自然原因引起，由于該類情況持續(xù)時間短，且加載總時間滿足設(shè)計(jì)要求，并不會影響最終加固效果。隨著深度增加，有限元計(jì)算出來的孔壓變化值減小，這符合實(shí)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。同時，在真空卸載后，有限元計(jì)算出來的各個深度的孔壓持續(xù)增加到一個穩(wěn)定值，符合工程實(shí)際情況。

圖5 加固區(qū)中心處不同深度孔壓變化示意

通過對吹填土地基中心處沉降和孔壓的有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對比分析可知，兩者擬合度較高，這驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。

3 固結(jié)度計(jì)算

固結(jié)度是判定加固效果的重要參數(shù)，工程上使用較多的是雙曲線法和三點(diǎn)法判斷地基后期沉降變化規(guī)律，即根據(jù)某時刻的沉降量演算該時刻的地基固結(jié)程度。

3.1 雙曲線法推算固結(jié)度

雙曲線法即選擇實(shí)測沉降量和時間曲線，選定1個拐點(diǎn)to（通常選取恒荷載下的1個時刻），把實(shí)測St-t曲線的起點(diǎn)放在拐點(diǎn)處，由于沉降曲線近似雙曲線。依據(jù)JTS 147-2—2009《真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》，得公式如下：

式中，S0為滿載開始時的實(shí)測沉降量（cm）；St為滿載t時刻的實(shí)測沉降量（cm）；t為滿載預(yù)壓時間（s），從滿載時刻算起；S∞為最終沉降量（cm）；A、B為待定常數(shù)。

當(dāng)時間t→∞，由式可得最終沉降量：

為求取待定常數(shù)A、B，將式改為：

從上式可知，它是關(guān)系的直線方程。所以，只需算出某一時刻的B值即可得出該時刻的固結(jié)度。

如圖6所示，以1-1分區(qū)中心沉降為例，分別以t＝0，10，20，30，40，50，61，71，81，90，96 d對應(yīng)沉降量S＝731，999，1 191，1 323，1 437，1 533，1 603，1 663，1 710，1 731，1 738mm。S0＝731mm，抽真空前沉降量為400mm，B為0．000 8，可算出最終S∞＝2 381mm，實(shí)測最終總沉降量為2 138mm，最終固結(jié)度Uε＝St／S∞＝89．8%。

圖6 雙曲線模型預(yù)測最終沉降

3.2 三點(diǎn)法推算固結(jié)度

三點(diǎn)法又稱對數(shù)曲線法，現(xiàn)簡要對三點(diǎn)法計(jì)算的原理和計(jì)算過程進(jìn)行分析。在實(shí)測前期的S-t曲線選擇結(jié)束施加荷載后的3個時間點(diǎn)t1、t2和t3，并且t3盡量選擇和曲線末端對應(yīng)，時間差 （t2-t1）和（t3-t2）的值應(yīng)控制的大一點(diǎn)且保證2個時間差相等。具體公式如下：

以1-1分區(qū)中心沉降為例，選定恒荷載期內(nèi)的t1取10月6日，S1＝1 107mm，t2取11月15日，S2＝1 557mm，t3取12月25日，S3＝1 738mm，即可求出各沉降標(biāo)位置土體最終沉降量，試驗(yàn)區(qū)1-1分區(qū)最終沉降量S∞＝1 860mm，實(shí)際沉降量為1 738mm，插板期間地基土的沉降量為400mm，所以最終固結(jié)度Uε＝St／S∞＝94．6%。

4 結(jié)語

1）在有限元模擬中，將吹填土中未消散的超靜孔壓等效為線性荷載施加在吹填土地基表面，以模擬插板期間的沉降。有限元計(jì)算得出插板期間沉降量為0．429m，實(shí)測插板期間沉降量0．400m，插拔期間沉降誤差為7．3%。模擬最終沉降量2．098m，實(shí)測最終沉降量2．138m，總沉降誤差1．9%。

2）真空恒荷載期間，加固區(qū)土體的沉降及孔壓變化值與實(shí)測值有相同的變化趨勢，影響區(qū)孔壓也產(chǎn)生消散，并且消散值隨著離加固區(qū)越近而變得越大。真空卸載后，模型計(jì)算出加固區(qū)中心表層土體發(fā)生微小反彈，反彈量約0．043m，可供同類工程參考。

3）雙曲線和對數(shù)曲線法推算1-1分區(qū)固結(jié)度分別為89．8%和94．6%，說明真空預(yù)壓加固吹填土地基的效果明顯。

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