彭中浩，錢(qián) 彬，莊正南，紀(jì)翔鵬

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006；2.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；3.中交上航（福建）交通建設(shè)工程有限公司，福建 廈門(mén) 361028；4.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014）

引 言

目前，在我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的條件下，需要大量建設(shè)用地及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，沿海地區(qū)大量的吹填工程不斷興起，但其工程建設(shè)用地常面臨大面積的軟土地基，需對(duì)其進(jìn)行加固處理。對(duì)于大面積場(chǎng)地處理，如何經(jīng)濟(jì)、快速、高效的處理軟土地基將影響整個(gè)工程的造價(jià)、工期、質(zhì)量等。

在眾多軟基處理方法中，塑料排水板聯(lián)合堆載預(yù)壓法由于其排水效率高、投資省、協(xié)調(diào)變形、施工簡(jiǎn)單、速度快、對(duì)周邊土層擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于港口碼頭、鋼廠等原料堆積，機(jī)場(chǎng)跑道、鐵路路堤、高速公路、軟基上的堤壩、圍墾造地工程、造陸工程、油罐沖水預(yù)壓和冷庫(kù)及水池等工程的地基加固中，并取得了良好的效果[1]。

塑料排水板聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟土地基的原理是排水固結(jié)機(jī)理。主要作用形式分為豎向排水和豎向加壓：在軟土中打設(shè)排水板增加豎向排水通道，并與上部砂墊層形成排水系統(tǒng)；上部堆載產(chǎn)生的附加應(yīng)力提升土體內(nèi)孔壓，由于排水通道的存在，加快孔壓消散，有效應(yīng)力增加，土體固結(jié)沉降，地基承載力提升且有效減小工后沉降[2]。

目前在軟基沉降的固結(jié)分析中，眾多學(xué)者對(duì)此法進(jìn)行了大量研究[3-5]，其計(jì)算分析方法大致可分為三大類(lèi)：一是基于土力學(xué)經(jīng)典理論計(jì)算方法；二是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)分析方法；三是基于土體固結(jié)理論及本構(gòu)模型的數(shù)值模擬方法[6]。

本文將結(jié)合廈門(mén)大小嶝島吹填造地工程實(shí)例，基于有限元分析軟件Midas/GTS，建立塑料排水板聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟基的固結(jié)沉降模型，研究在多級(jí)堆載工況下，軟基的固結(jié)沉降和孔壓變化規(guī)律，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析本方法對(duì)于工程固結(jié)沉降預(yù)測(cè)的實(shí)用性，為大面積工程施工提供借鑒。

1 工程概況及方案

1.1 工程概況

本文依托工程為廈門(mén)大小嶝島吹填造地工程，本工程位于廈門(mén)翔安區(qū)東南方向。此次吹填造地工程共設(shè)3個(gè)標(biāo)段，總面積達(dá)7.58 km2，選取5標(biāo)段S5區(qū)某斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

根據(jù)工程勘察地質(zhì)資料，場(chǎng)地范圍內(nèi)的土質(zhì)特征自上而下可分為：①素填土：淺黃、灰白色，主要由中粗砂堆積而成，松散，厚度為0.2～0.6 m；②淤泥質(zhì)土：深灰色，飽和流塑狀態(tài)，具有腥臭味，厚度為 1.5～17.9 m；③粉質(zhì)粘土：灰黃色，可塑～硬塑，厚度為1.6～13.2 m；④殘積砂：為花崗巖風(fēng)化沉積產(chǎn)物，灰白色，硬塑狀態(tài)，厚度為6.6～9.5 m；⑤全風(fēng)化混合花崗巖：散體結(jié)構(gòu)，屬極軟巖，厚度5.5～6.8 m。選取的場(chǎng)區(qū)內(nèi)的穩(wěn)定水位為1.2～1.5 m。

1.2 工程方案

本工程吹填場(chǎng)區(qū)的地基處理方案主要為：絞吸挖泥船吹填至場(chǎng)地初始高程→形成砂墊層→打設(shè)排水板→設(shè)置盲溝、集水井→分級(jí)吹填堆載至高程5.5 m→堆載預(yù)壓→卸載→強(qiáng)夯整平。

本工程的吹填料為海砂（中粗砂），吹填堆載共分為3級(jí)，本次對(duì)比分析的斷面為S5-125斷面，本斷面的分級(jí)加載曲線可簡(jiǎn)化如圖1所示。

圖1 S5-133斷面分級(jí)加載曲線

該工程排水板選用厚4 mm、寬100 mm的B型板，正方形布置，間距為 1.0 m，要求排水板的打設(shè)深度貫穿淤泥質(zhì)土層，場(chǎng)區(qū)橫斷面示意如圖 2所示。

圖2 聯(lián)合預(yù)壓橫斷面示意

2 有限元計(jì)算模型及邊界

基于Midas/GTS有限元軟件，創(chuàng)建塑排板聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理軟基的固結(jié)沉降二維模型。由于吹填圍堰內(nèi)的堆載場(chǎng)區(qū)較大，且場(chǎng)區(qū)內(nèi)土層變化較大，為簡(jiǎn)化計(jì)算并提高計(jì)算效率，選取模型尺寸為60 m×30 m，并按S5-133斷面的土層情況沿深度進(jìn)行劃分：0～1.0 m為素填土；1.0～9.5 m為淤泥質(zhì)土；9.5～18.5 m為粉質(zhì)粘土；18.5～22.5 m為殘積砂質(zhì)粘性土；22.5～30.0 m為全風(fēng)化花崗巖。

地基軟土采用四節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，網(wǎng)格的兩側(cè)施加水平約束，網(wǎng)格的底部同時(shí)施加水平和垂直位移約束；地表為排水邊界、總水頭0 m，地下水位在地基表層，同時(shí)將土體內(nèi)砂墻設(shè)為排水邊界，模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 有限元分析模型示意

3 相關(guān)參數(shù)確定

3.1 排水板簡(jiǎn)化計(jì)算

本文通過(guò)二維平面計(jì)算研究排水堆載固結(jié)沉降問(wèn)題，因此，需要將塑料排水板的三維固結(jié)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題，即將塑料排水板等效為二維的砂墻地基[7]。

首先根據(jù)塑料排水板和砂井與土體接觸面積相等的原則，且本工程塑排板正方形布置，可按下式將塑料排水板轉(zhuǎn)換為砂井的等效半徑及影響半徑：

式中：dw為等效砂井直徑，mm；de為等效砂井影響直徑，mm；b為排水板寬度，mm；δ為排水板厚度，mm；a為換算系數(shù)，取0.75～1；l為排水板間距，mm；n為等效砂井井徑比。

根據(jù)砂墻等效法[8]的相關(guān)計(jì)算，求得正方形布置型式下，砂墻的寬度和間距：

式中：Bw為等效砂墻厚度，mm；B為等效砂墻間距。

本次有限元分析中，為使網(wǎng)格劃分方便，選取2Bw=10 cm，B=4 m進(jìn)行模擬分析。

其次，根據(jù)平均固結(jié)度相等的原則，通過(guò)調(diào)整砂墻間土體的滲透系數(shù)即可使塑料排水板與砂墻等效，等效后的砂墻地基滲透系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：kxp、kyp為等效換算后土體間的水平向和豎向滲透系數(shù)；kxa、kya為砂井地基的水平和豎向滲透系數(shù)；Dx、Dy為調(diào)整系數(shù)，可按趙維炳[9]的等效計(jì)算方法求得。

同時(shí)在調(diào)整系數(shù)計(jì)算分析中，考慮塑料排水板施打時(shí)對(duì)周?chē)馏w的影響而存在的涂抹效應(yīng)，采用等效計(jì)算方法，取涂抹區(qū)半徑與砂井半徑比值s為1.2，實(shí)際砂井地基滲透系數(shù)與涂抹區(qū)滲透系數(shù)比值β為7。經(jīng)計(jì)算得Dx為2.42，Dx為0.9。

3.2 土體模型參數(shù)確定

本次模擬地基軟土采用Drucker-Prager模型，堆載所用填土采用Mohr-Coulomb模型。

對(duì)于采用Drucker-Prager模型的地基軟土計(jì)算參數(shù)，可根據(jù)相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則按下式求得：

式中：c、φ為Mohr-Coulomb模型中的粘聚力和摩擦角；β為D-P模型中p-q平面摩擦角，同膨脹角；cσ為土體屈服應(yīng)力。

經(jīng)本工程的地質(zhì)詳勘報(bào)告及上述計(jì)算方法，確定各土層的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 各土層計(jì)算參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本次數(shù)值模擬主要用以分析在塑排板聯(lián)合堆載預(yù)壓處理方式下，堆載和固結(jié)階段軟基的豎向變形、水平位移、土體內(nèi)超靜孔壓的變化情況，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 沉降變形分析

沉降的變形分析主要包括整個(gè)填筑堆載和固結(jié)過(guò)程中地基的變形，整個(gè)模型計(jì)算中的施工階段共包含3次填土堆載。

圖4 預(yù)壓結(jié)束時(shí)地基沉降

圖4為堆載預(yù)壓220 d后的地基固結(jié)沉降云圖，地基表面處沉降較大，最大約為1.15 m，且隨著深度增加，累計(jì)沉降值減??；同時(shí)，堆載區(qū)兩側(cè)土體有隆起位移，與實(shí)際情況相符。

選取模型堆載中點(diǎn)處的地基表層沉降歷時(shí)曲線模擬值，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

圖5 沉降歷時(shí)對(duì)比曲線

由圖5中對(duì)比曲線分析可知：軟基在堆載固結(jié)過(guò)程中，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值變化規(guī)律一致。200 d實(shí)測(cè)沉降值為118 cm，此時(shí)模擬值為107 cm，誤差約為9.4 %；由于施工場(chǎng)地的復(fù)雜性及填土的不規(guī)律性，本次模擬加載對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，所以模擬與實(shí)測(cè)曲線從在差異，且未全面考慮井阻、涂抹等作用，模擬的沉降曲線收斂較快。但運(yùn)用本有限元模擬分析，較好的反映了軟基堆載預(yù)壓過(guò)程中沉降變化，可為工程提供指導(dǎo)。

4.2 水平向位移分析

為分析軟土層在堆載固結(jié)過(guò)程中水平位移的發(fā)展，選取堆載模型坡腳下不同深度處的土體，得出堆載預(yù)壓 200 d后不同深度土體的累計(jì)水平位移，如圖6所示。

圖6 水平累計(jì)位移曲線

從圖6對(duì)比結(jié)果可知，數(shù)值模擬曲線與實(shí)測(cè)曲線表明了水平累計(jì)位移相同的變化規(guī)律：即在堆載預(yù)壓過(guò)程中，存在向外發(fā)展的水平位移，且隨著深度的增加，水平向累計(jì)位移減?。粩?shù)值模擬的水平最大位移約為48 cm，實(shí)測(cè)值約為36 cm，實(shí)測(cè)值與模擬值較為吻合。

4.3 超靜孔壓變化分析

在堆載預(yù)壓沉降固結(jié)過(guò)程中，在堆載時(shí)土體內(nèi)孔壓將增大，待得土體內(nèi)孔壓及時(shí)消散，土體的沉降固結(jié)才能順利完成。為分析軟土地基在堆載固結(jié)過(guò)程中孔隙水壓力的增長(zhǎng)和消散，選取了模型中點(diǎn)處深度分別為4 m、8 m的土層進(jìn)行超靜孔隙水壓力的分析，同時(shí)選取了4 m深度處的超靜孔壓實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比，如圖7所示。

圖7 超孔隙水壓力變化曲線

從圖7超靜孔壓實(shí)測(cè)值和有限元計(jì)算值的歷時(shí)曲線可知：1）隨著深度增加，堆載作用下的孔壓增長(zhǎng)值減小且消散速率降低；2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值變化規(guī)律吻合，隨著荷載的堆加孔壓增大，通過(guò)塑排板排水的作用加速孔壓消散；3）有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在偏差，且計(jì)算值的峰值較實(shí)測(cè)值明顯，同時(shí)實(shí)測(cè)值的孔壓消散速度低于計(jì)算值；這主要是由于計(jì)算模型的簡(jiǎn)化和等效，以及未考慮井阻的原因造成的，同時(shí)場(chǎng)地內(nèi)孔壓變化受潮汐影響，存在一定的波動(dòng)。

為直觀的觀察堆載時(shí)軟基內(nèi)超孔隙水壓力的變化，以及塑排板的排水作用，選取了第1次堆載完成、以及堆載完成后固結(jié)排水200 d后的軟基內(nèi)超孔隙水壓力云圖，如圖8所示。

圖8 不同時(shí)刻地基內(nèi)超孔壓

在第一次堆載時(shí)，地基土體內(nèi)孔壓增大，最大約為25 kPa，隨著時(shí)間的發(fā)展，孔隙水壓力逐漸減小，土體強(qiáng)度增大，在預(yù)壓期結(jié)束時(shí)，地基內(nèi)的超靜孔隙水基本消散完全。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用有限元軟件Midas/GTS建立了塑料排水板聯(lián)合分級(jí)堆載預(yù)壓的固結(jié)分析模型，并將塑料排水板等效為砂井進(jìn)行軟基排水固結(jié)計(jì)算，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際施工中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬的可行性和適用性進(jìn)行了對(duì)比分析。得出結(jié)論主要如下：

1）采用 Midas/GTS有限元分析軟件可以對(duì)整個(gè)堆載預(yù)壓施工過(guò)程中的固結(jié)沉降有效分析，較好地模擬施工各個(gè)階段軟基沉降的變化規(guī)律，即每級(jí)加載初期沉降速率增大，隨著堆載穩(wěn)定沉降速率減小的規(guī)律；

2）分級(jí)堆載過(guò)程中，堆載區(qū)外側(cè)將產(chǎn)生水平位移，且數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為吻合，可用于控制堆載施工速率，為施工提供指導(dǎo)借鑒，防止水平位移發(fā)展過(guò)快而失穩(wěn)；

3）在吹填堆載的軟基內(nèi)打設(shè)塑料排水板可有效地加快地基內(nèi)超孔隙水壓力的消散，尤其是在堆載初期可提高軟基固結(jié)速率，是大部分固結(jié)沉降發(fā)生在施工期，有效縮短工期，減少工后沉降。