馮雙喜，雷華陽(yáng),2,3，萬(wàn)勇峰，祁子洋

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津，300354；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300354；3.中國(guó)地震局地震工程綜合模擬與城鄉(xiāng)抗震韌性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300354)

隨著“一帶一路”和“海洋強(qiáng)國(guó)”等國(guó)家戰(zhàn)略的提出，圍海造陸為土地資源開(kāi)發(fā)提供新途徑。由于大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要，圍海造陸工程規(guī)模不斷增大，在吹填場(chǎng)區(qū)形成大面積吹填場(chǎng)地。圍海造陸工程所用填料為高塑性淤泥質(zhì)類黏土，具有塑性指數(shù)高、黏土顆粒粒徑小、固結(jié)系數(shù)小和滲透性能差等特點(diǎn)[1-2]。為了滿足大面積軟土地基加固需要，通常采用真空預(yù)壓方法對(duì)軟土地基進(jìn)行加固。采用傳統(tǒng)真空預(yù)壓加固時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致排水板彎折和淤堵，在排水板周圍形成“土柱”，地基加固時(shí)間長(zhǎng)，效果較差[3-6]。因此，亟需研發(fā)一種新型真空預(yù)壓加固方法，以便為解決上述問(wèn)題、防止工程事故發(fā)生、保障建(構(gòu))筑物正常使用提供技術(shù)支持。

近年來(lái)，一些新型真空預(yù)壓方法如真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓[7]、注氣增壓真空預(yù)壓[8]、無(wú)砂直排真空預(yù)壓[9]、電滲真空預(yù)壓[10]和藥劑真空預(yù)壓[11]等得到廣泛研究。其改進(jìn)工作機(jī)理主要體現(xiàn)在：

1)排水管路作為水平排水體系，代替砂墊層，節(jié)約用砂量[12]；

2)增加排水板周圍的壓差，加速土體固結(jié)[13]；

3)改變顆粒定向運(yùn)移規(guī)律，防止排水板淤堵[14]；

4)增大顆粒級(jí)配，增大土體排水量[15]；

5)在電場(chǎng)作用下，帶電黏土顆粒與水分離，發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)[16]。

新型真空預(yù)壓方法的加固機(jī)理和加固效果常采用室內(nèi)外試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段進(jìn)行研究。針對(duì)室內(nèi)外試驗(yàn)，INDRARATNA 等[17]結(jié)合港口地基加固工程開(kāi)展真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法能顯著提高加固效果，大幅度消除工后長(zhǎng)期沉降；CAI等[18]結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了孔壓、沉降和十字板剪切強(qiáng)度等指標(biāo)的變化規(guī)律，提出新型注氣增壓真空預(yù)壓加固深厚軟土地基的效果優(yōu)于傳統(tǒng)真空預(yù)壓的加固效果；王軍等[19]針對(duì)不同排水板類型，開(kāi)展了無(wú)砂直排真空預(yù)壓室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明無(wú)凹凸結(jié)構(gòu)濾膜的排水板能有效消除淤堵的問(wèn)題；WANG 等[20]利用室內(nèi)模型研究電滲真空預(yù)壓處理軟土地基加固機(jī)制，提出電滲能加速海相沉積黏土固結(jié)，電滲能耗占真空預(yù)壓能耗的8%；武亞軍等[21]將真空預(yù)壓與絮凝劑相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)絮凝劑明顯加速土體固結(jié)，能夠提高吹填土地基的加固效果。

針對(duì)數(shù)值模擬研究，RUJIKIATKAMJORN等[22]采用2D和3D模型進(jìn)行模擬真空預(yù)壓和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并證明了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方法的有效性；雷華陽(yáng)等[23]采用離散元法揭示了排水板堵塞機(jī)理，提出注氣增壓真空預(yù)壓方法可以緩解排水板堵塞現(xiàn)象；吳興龍等[24]對(duì)比分析了無(wú)砂直排真空預(yù)壓和傳統(tǒng)真空預(yù)壓加固吹填土地基承載力，發(fā)現(xiàn)取消砂墊層的地基承載力大于傳統(tǒng)真空預(yù)壓的承載力；SHEN等[25]研究了電滲真空預(yù)壓過(guò)程中孔隙水壓力變化規(guī)律，證明固結(jié)解析解和數(shù)值解均能較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)電滲真空預(yù)壓過(guò)程中孔隙水壓力的變化規(guī)律和固結(jié)特性。

目前人們對(duì)真空預(yù)壓新方法研究較少，但尚無(wú)相應(yīng)的規(guī)范出臺(tái)，新型真空預(yù)壓無(wú)法獲得推廣使用。另外，新型真空預(yù)壓尚未考慮豎向和水平排水路徑共同作用對(duì)地基加固效果的影響，針對(duì)水平排水對(duì)地基加固效果影響的研究甚少?；诖耍疚淖髡咛岢鲆环N新型輻射排水板真空預(yù)壓方法，結(jié)合天津臨港項(xiàng)目開(kāi)展傳統(tǒng)真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析地基沉降、超孔隙水壓力和十字板剪切強(qiáng)度等指標(biāo)變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上建立傳統(tǒng)真空預(yù)壓數(shù)值模型，驗(yàn)證模型參數(shù)選取的合理性；通過(guò)數(shù)值模擬研究豎向排水板間距、橫向排水板長(zhǎng)度和橫向排水板間距對(duì)地基中心沉降、加固區(qū)邊緣水平位移和地基加固范圍的影響。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與模型驗(yàn)證

1.1 工程概況

本工程為天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)裝備制造業(yè)基地新技術(shù)真空預(yù)壓試驗(yàn)工程，位于規(guī)劃的長(zhǎng)江道以南，渤海40路以東，二期圍海T7吹填區(qū)內(nèi)，原二期污水處理廠真空預(yù)壓工程地塊東側(cè)。地基處理范圍(長(zhǎng)×寬)為15 m×15 m，預(yù)壓時(shí)間為60 d。

試驗(yàn)區(qū)地層層序?yàn)榇堤钔?0～11.9 m)和正常沉積軟黏土(11.9～16.6 m)。吹填土為主要加固對(duì)象，其黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(36.1%～40.6%)，且具有高含水率(84.5%～87.2%)、高孔隙比(1.06～1.47)、高壓縮性(壓縮系數(shù)為0.796～0.905 MPa-1)和低強(qiáng)度特性(十字板剪切強(qiáng)度為1～5 kPa)。吹填土的化學(xué)成分SiO2和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，分別可達(dá)49.75%和14.67%。黏土礦物主要為伊蒙混層，占黏土礦物總質(zhì)量的42%～45%。

1.2 排水板參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置

本工程采用由節(jié)能真空泵、新型水氣分離裝置及附屬設(shè)備組成的真空預(yù)壓系統(tǒng)，真空泵與水氣分離裝置相連；通過(guò)螺紋鋼絲軟管將水氣分離裝置與加固區(qū)中鋪設(shè)的真空主管連接，形成整體抽吸水氣傳遞路徑。采用B型排水板，其性能指標(biāo)如表1所示。

為評(píng)價(jià)真空預(yù)壓加固效果，在試驗(yàn)區(qū)域的4個(gè)角落和中心放置沉降標(biāo)，以確定處理區(qū)域的平均沉降。在真空膜下設(shè)置真空計(jì)，監(jiān)測(cè)膜下的真空壓力。分別沿著排水深度0.5，1.5，2.5，3.5 和4.5 m 深度處埋設(shè)孔壓計(jì)，監(jiān)測(cè)吹填土地基孔隙水壓力變化規(guī)律。在真空預(yù)壓處理前后分別進(jìn)行吹填土地基十字板剪切強(qiáng)度測(cè)試，監(jiān)測(cè)布置如圖1所示。

表1 B型排水板主要性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of type B of PVDs

排水板采用間距為1.0 m正方形網(wǎng)格布置，插入深度為4.5 m。膜下真空壓力為90 kPa，預(yù)壓時(shí)間為60 d。根據(jù)試驗(yàn)和施工要求，真空預(yù)壓淺層地基加固應(yīng)保證施工機(jī)械正常工作。卸載標(biāo)準(zhǔn)為在加固時(shí)間為60 d時(shí)進(jìn)行十字板檢測(cè)，淺層2 m范圍內(nèi)平均十字板剪切強(qiáng)度大于10 kPa。真空預(yù)壓60 d后，表層沉降需達(dá)到0.2 m。若達(dá)不到沉降和強(qiáng)度要求，則繼續(xù)抽真空，保證每隔1 d對(duì)沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每10 d進(jìn)行1次十字板檢測(cè)，直到地基強(qiáng)度和沉降滿足要求。

1.3 加固效果

真空預(yù)壓淺層地基加固效果是地基進(jìn)行深層地基加固的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)沉降演化規(guī)律、孔隙水壓力變化規(guī)律、加固前后十字板剪切強(qiáng)度說(shuō)明真空預(yù)壓淺層地基加固效果，如圖2所示。

圖1 監(jiān)測(cè)布置圖Fig.1 Monitoring layout

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析Fig.2 Monitoring data analysis

從圖2(a)可見(jiàn)：地表中心沉降量隨著時(shí)間延長(zhǎng)而增加，沉降發(fā)展呈現(xiàn)明顯的3個(gè)階段特征：快速發(fā)展階段、穩(wěn)定增長(zhǎng)階段和緩慢增長(zhǎng)階段。

1)快速發(fā)展階段：在加載初期10 d，沉降變化較大，沉降速率從0 m/d 增加至4.88×10-3m/d，沉降可達(dá)0.74×10-1m。

2)穩(wěn)定增長(zhǎng)階段：預(yù)壓時(shí)間為10～50 d，沉降速率保持2.50×10-3～3.50×10-3m/d，沉降為0.21 m。

3)緩慢增長(zhǎng)階段：預(yù)壓時(shí)間為50～60 d，沉降速率為0.50×10-3～0.75×10-3m/d，當(dāng)加固時(shí)間為60 d，沉降為0.22 m，滿足工程卸載標(biāo)準(zhǔn)。

從圖2(b)可見(jiàn)：超孔隙水壓力為負(fù)值，隨著深度增加而增大。真空預(yù)壓時(shí)間為60 d，深度0.5 m處超孔隙水壓力絕對(duì)值最大，為82 kPa。相反，深度分別為1.5，2.5，3.5和4.5 m處的孔隙水壓力的絕對(duì)值分別為78，70，65 和61 kPa。此外，超孔隙水壓力隨著時(shí)間呈現(xiàn)先增大至90 kPa 后減小趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樵诩庸踢^(guò)程中排水板周圍產(chǎn)生淤堵，真空壓力的傳遞隨著深度增加逐漸減小。

從圖2(c)可見(jiàn)：真空預(yù)壓加固前后，十字板剪切強(qiáng)度隨著深度增加而減小。加固前，表層十字板剪切強(qiáng)度為9.30 kPa，深度為0.5～5.0 m，十字板剪切強(qiáng)度近似為0 kPa。加固后，表層十字板剪切強(qiáng)度為28.88 kPa，在2.0 m深度范圍內(nèi)，平均十字板剪切強(qiáng)度為12.86 kPa，大于10 kPa，滿足淺層地基加固處理的卸載標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 傳統(tǒng)真空預(yù)壓數(shù)值模型建立及模型驗(yàn)證

采用有限元數(shù)值軟件Plaxis2D對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，模型長(zhǎng)×高為64.0 m×16.6 m，其中加固區(qū)長(zhǎng)×高為15.0 m×5.0 m。

模型選取15 節(jié)點(diǎn)單元，共有1 037 個(gè)單元和8 495 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。吹填土和軟黏土均采用“土體硬化”模型，該模型可以模擬土體在壓縮條件下的不可逆壓縮變形，可以考慮土體剛度的應(yīng)力相關(guān)性，屬于二階雙曲線彈塑性本構(gòu)模型[26]。排水板采用排水線單元來(lái)模擬，并設(shè)置排水線水頭為-9.0 m，保證真空壓力保持90 kPa。

設(shè)置最小X邊界(左邊界)和最大X邊界(右邊界)為固定約束條件，設(shè)置最小Y邊界(底邊界)為完全固定約束條件，最大Y邊界(頂邊界)為自由約束條件?？紤]網(wǎng)格幾何變化對(duì)平衡條件的影響，應(yīng)變程序基于拉格朗日公式，保證在每次荷載迭代開(kāi)始時(shí)更新有限元網(wǎng)格和剛度矩陣。

在數(shù)值模擬之前，開(kāi)展大量土工試驗(yàn)確定模型參數(shù)，通過(guò)直剪試驗(yàn)確定土的黏聚力和摩擦角，利用變水頭滲透試驗(yàn)，確定水平和豎向滲透系數(shù)，通過(guò)三軸固結(jié)排水(CD)試驗(yàn)確定土的割線模量，具體模型參數(shù)如表2所示。

加卸載模量Erefur、割線模量Erefoed和彈性模量Eref50滿足如下關(guān)系：

采用3 個(gè)施工步模擬傳統(tǒng)真空預(yù)壓法的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1)地應(yīng)力平衡，用于描述k0固結(jié)狀態(tài)；

2)膜下真空壓力在10 d 內(nèi)達(dá)到90 kPa，選擇“重置位移為零”，忽略由k0固結(jié)確定的位移；

3)設(shè)置真空預(yù)壓時(shí)間為50 d。

表2 模型參數(shù)Table 2 Parameters of model

圖4所示為地基變形與超孔隙水壓力規(guī)律分布圖。從圖4(a)可見(jiàn)：地表沉降呈現(xiàn)漏斗形，中心沉降最大，與工程實(shí)踐加固效果基本一致。在加固中心范圍內(nèi)，地基承受真空負(fù)壓作用，處于球應(yīng)力狀態(tài)，真空負(fù)壓在傳遞過(guò)程中，加固區(qū)邊緣位置承受的有效應(yīng)力小于中心位置承受的有效應(yīng)力。由圖4(b)可見(jiàn)：排水板附近土體承受真空吸力作用，在加固范圍以外土體承受真空吸力作用呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)[27]，這也證明了地基中心沉降最大。

圖4 地基變形與超孔隙水壓力規(guī)律分布圖Fig.4 Contour of ground deformation and excess pore water pressure

圖5 中心沉降和超孔隙水壓力對(duì)比圖Fig.5 Comparative analysis of center settlement and excess pore water pressure

為驗(yàn)證模型的正確性，對(duì)比分析沉降和超孔隙水壓力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果。圖5所示為中心沉降和超孔隙水壓力對(duì)比結(jié)果。從圖5(a)可見(jiàn)：地基中心沉降隨著時(shí)間延長(zhǎng)而增大，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果能夠很好吻合；當(dāng)預(yù)壓時(shí)間為10 d 時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降為0.075 m，數(shù)值模擬沉降為0.085 m，兩者相差0.010 m，誤差最大，其最大相對(duì)誤差為13.3%。當(dāng)預(yù)壓時(shí)間為60 d，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降為0.221 m，數(shù)值模擬沉降為0.217 m，沉降差為0.004 m，誤差最小，其最小相對(duì)誤差為1.81%。從圖5(b)可見(jiàn)：在時(shí)間0～10 d 范圍內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果存在較大誤差，但隨著時(shí)間推移，誤差逐漸減小；當(dāng)真空預(yù)壓時(shí)間達(dá)60 d 時(shí)，與其他深度相比，深度0.5 m 處的超孔隙水壓力的誤差最大，數(shù)值模擬的超孔隙水壓力為75.77 kPa，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)超孔隙水壓力為81.87 kPa，其最大相對(duì)誤差為7.45%。綜上分析不難發(fā)現(xiàn)，真空預(yù)壓時(shí)間超過(guò)10 d，沉降和超孔隙水壓力的數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，相對(duì)誤差在10%范圍內(nèi)，滿足施工要求，證明了數(shù)值模型參數(shù)選擇的合理性和模型的正確性。

2 新型輻射排水板真空預(yù)壓地基加固數(shù)值模型的建立

2.1 工作原理

新型輻射排水板真空預(yù)壓方法的關(guān)鍵為輻射型排水板設(shè)計(jì)，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)：輻射型排水板是在豎向排水板的基礎(chǔ)上連接橫向排水板，在真空壓力作用下，橫向排水板和豎向排水板共同工作，土中的水和氣通過(guò)橫向排水板匯集到豎向排水板內(nèi)，最終將水和氣通過(guò)單手板運(yùn)送至排水支管中。

圖6 輻射型排水板Fig.6 Prefabricated radiant drain

新型輻射排水板真空預(yù)壓施工方法：在吹填之前將輻射型排水板按照設(shè)計(jì)要求布置，或在吹填之后保證吹填土處于流塑狀態(tài)時(shí)，采用人工插板的方法將輻射型排水板壓入吹填土地基中。在打設(shè)豎向排水體系之前，需要組裝豎向排水體系與橫向排水板。通過(guò)單手板、雙手板將支管與輻射型排水板相連，輻射型排水板布置如圖7所示。

在真空預(yù)壓加固軟土地基實(shí)踐中，通常將豎向排水板等效砂樁進(jìn)行加固，加固原理如圖8所示。本文通過(guò)等效排水量的原則說(shuō)明新型輻射排水板真空預(yù)壓的加固機(jī)制。假定在真空預(yù)壓加固過(guò)程中輻射型排水板的排水量Q1與等效砂樁的排水量Q2相等，即滿足式：

圖7 輻射型排水板布置Fig.7 Layout of prefabricated radiant drain

圖8 輻射型排水板加固機(jī)理Fig.8 Reinforcement mechanism of prefabricated radiant drain

假定在真空預(yù)壓加固過(guò)程中，單位時(shí)間通過(guò)排水板和等效砂樁流速一致，結(jié)合式(3)可以獲得

式中：A1和A2分別為豎向排水板和橫向排水板的表面積；dwe為等效砂樁直徑；s為橫向排水板間距。A1和A2計(jì)算分別滿足：

式中：dw為豎向排水板等效砂樁的直徑，根據(jù)文獻(xiàn)[32]規(guī)定，dw滿足

式中：td為豎向排水板的厚度；wd為豎向排水板的寬度。

結(jié)合式(3)～(7)可以推導(dǎo)出

通過(guò)式(8)可以發(fā)現(xiàn)：dwe＞dw，這表明在相同預(yù)壓時(shí)間內(nèi)，新型輻射排水板真空預(yù)壓的排水量和沉降量均比傳統(tǒng)真空預(yù)壓的大，證明了新型輻射排水板真空預(yù)壓的加固效果優(yōu)于傳統(tǒng)真空預(yù)壓的加固效果。

2.2 數(shù)值模型的建立

新型輻射排水板真空預(yù)壓模型尺寸、參數(shù)、本構(gòu)模型和邊界條件均與傳統(tǒng)真空預(yù)壓模型的一致，但新型輻射排水板真空預(yù)壓需要根據(jù)模擬方案增加橫向排水板，并假定真空負(fù)壓能完全傳遞至橫向排水板，如圖9所示。橫向排水板和豎向排水板均采用排水線模擬，并設(shè)置水頭均為-9.0 m，保證水平真空壓力和豎向真空壓力維持在90 kPa。

為評(píng)價(jià)新型輻射排水板真空預(yù)壓加固效果，分別從豎向排水板間距、橫向排水板長(zhǎng)度和橫向排水板間距3個(gè)方面開(kāi)展數(shù)值模擬研究，共模擬了27個(gè)模型。具體的模擬方案如表3所示。

3 模擬結(jié)果

結(jié)合試驗(yàn)方案，從排水板間距和橫向排水板長(zhǎng)度2個(gè)方面說(shuō)明新型輻射排水板真空預(yù)壓加固效果，并選取6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)說(shuō)明加固地基的沉降和水平位移變化規(guī)律，如圖10所示。

3.1 排水板間距

3.1.1 豎向排水板間距

選取橫向排水板長(zhǎng)度為0.2 m，橫向排水板間

距為2.0 m的工況，說(shuō)明不同豎向排水間距加固效果。圖11所示為不同豎向排水板間距條件下吹填土地基A點(diǎn)(0，0)沉降變化規(guī)律，從圖11可見(jiàn)：A點(diǎn)沉降隨著時(shí)間而增加；豎向排水間距為1.0 m，新型輻射排水板真空預(yù)壓的沉降大于傳統(tǒng)真空預(yù)壓的沉降；當(dāng)預(yù)壓時(shí)間為60 d 時(shí)，傳統(tǒng)真空預(yù)壓沉降為0.217 m，新型輻射排水板真空預(yù)壓沉降為0.249 m，與傳統(tǒng)真空預(yù)壓相比，沉降增大14.75%。

表3 新型輻射排水板真空預(yù)壓模擬方案Table 3 Simulation scheme of model establishment of prefabricated radiant drain vacuum preloading

圖9 新型輻射排水板真空預(yù)壓模型建立Fig.9 Model establishment of prefabricated radiant drain vacuum preloading

圖10 關(guān)鍵點(diǎn)選取Fig.10 Key points of model

圖11 不同豎向排水板間距條件下A點(diǎn)沉降變化規(guī)律Fig.11 Variation law of settlement at point A under different prefabricated vertical drain spacings

對(duì)于新型輻射排水板真空預(yù)壓方法，豎向排水板間距越小，沉降越大。當(dāng)豎向排水板間距分別為0.8，1.0 和1.2 m 時(shí)，地基沉降分別為0.305，0.249 和0.207 m。與豎向排水板間距1.2 m 相比，采用間距0.8 m加固地基的沉降增加0.1 m，沉降增大47.34%，與傳統(tǒng)真空預(yù)壓相比，沉降增大40.55%。結(jié)合式(8)和文獻(xiàn)[32]發(fā)現(xiàn)：新型輻射排水板真空預(yù)壓的橫向和豎向排水體系共同發(fā)揮作用，導(dǎo)致dwe＞dw，可加速吹填土地基固結(jié)，提高土體的平均固結(jié)度，這是導(dǎo)致新型輻射排水板真空預(yù)壓加固吹填土地基沉降大于傳統(tǒng)真空預(yù)壓加固吹填土地基沉降的主要原因。

圖12所示為加固區(qū)范圍外沉降變化規(guī)律。從圖12可見(jiàn)：豎向排水板間距越小，加固處理范圍越大。分別選取G點(diǎn)(7.5，0)和J點(diǎn)(15.0，0)說(shuō)明加固范圍變化程度。當(dāng)預(yù)壓時(shí)間為60 d，豎向排水板間距為1.0 m時(shí)，新型輻射排水板真空預(yù)壓加固地基G點(diǎn)沉降和傳統(tǒng)真空預(yù)壓G點(diǎn)沉降分別為0.201 m和0.186 m，與傳統(tǒng)真空預(yù)壓相比，新型輻射排水板真空預(yù)壓加固地基G點(diǎn)沉降增大8.06%；另外，G點(diǎn)沉降隨著豎向排水板間距減小而增加。豎向排水板間距為0.8，1.0 和1.2 m，沉降分別為0.233，0.201和0.193 m。與豎向排水板間距為1.0 m和1.2 m 相比，間距為0.8 m 的沉降分別增大15.92%和20.73%。

圖12 加固區(qū)范圍外沉降變化規(guī)律Fig.12 Variation of settlement outside reinforcement range

J點(diǎn)沉降變化規(guī)律說(shuō)明縮小排水板間距，可以明顯擴(kuò)大加固范圍。當(dāng)豎向排水板間距分別為0.8，1.0和1.2 m時(shí)，J點(diǎn)沉降分別為1.250×10-2，0.804×10-2和0.586×10-2m。與豎向排水板間距為1.0 m和1.2 m的J點(diǎn)沉降相比，豎向排水板間距為0.8 m的J點(diǎn)沉降分別增大55.47%和113%。

圖13所示為不同豎向排水板間距地基加固范圍，從圖13可見(jiàn)：加固范圍呈漏斗形，根據(jù)沉降和排水板的位置，將地基分為加固區(qū)、加固影響區(qū)和加固無(wú)影響區(qū)3個(gè)部分。針對(duì)加固影響區(qū)界限的確定，大都采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[28]或利用臨界地基裂紋寬度[29]和變形量[30]等指標(biāo)進(jìn)行衡量。結(jié)合單彥賢等[31]的研究成果，加固影響區(qū)變形位置在0.03～0.05 m之處，大致相當(dāng)于實(shí)際工程中距邊界最遠(yuǎn)處裂紋的位置?；诖耍疚倪x取沉降為0.05 m 作為加固影響區(qū)和無(wú)影響區(qū)的界限。

結(jié)合模擬方案，-7.5～0 m 布置排水板，在此范圍內(nèi)為加固區(qū)；加固區(qū)以外以及沉降大于0.05 m的范圍，為加固影響區(qū)；沉降小于0.05 m 的范圍為加固無(wú)影響區(qū)。

通過(guò)對(duì)比分析，傳統(tǒng)真空預(yù)壓加固影響區(qū)范圍為-13.1～-7.5 m。當(dāng)豎向排水板間距為1.2 m時(shí)，新型輻射排水板真空預(yù)壓影響區(qū)范圍為-12.9～-7.5 m，新型輻射排水板真空預(yù)壓的加固影響區(qū)小于傳統(tǒng)真空預(yù)壓的加固影響區(qū)。相反，當(dāng)豎向排水板間距為1.0 m 時(shí)，加固影響區(qū)范圍分別為-13.5～-7.5 m；當(dāng)豎向排水板間距為0.8 m時(shí)，加固影響區(qū)的范圍為-13.9～-7.5 m。與豎向排水板間距1.2 m相比，豎向排水板間距0.8 m的加固范圍增加1.0 m。豎向排水板間距越小，地基加固影響范圍越大。

圖13 不同豎向排水板間距地基加固范圍Fig.13 Ground reinforcement range with different prefabricated vertical drain spacings

圖14所示為不同豎向排水板間距A點(diǎn)(0，0)、B點(diǎn)(0，2.5)和C點(diǎn)(0，5.0)分層沉降變化規(guī)律，從圖14可見(jiàn)：分層沉降隨著深度增加而減小，豎向排水板間距越小，分層沉降越大；當(dāng)豎向排水板間距為0.8 m 時(shí)，表層(深度0.0 m)、深度2.5 m 和深度5.0 m 處的沉降分別為0.305，0.145 和0.550×10-5m；當(dāng)豎向排水板間距為1.0 m 時(shí)，表層、深度2.5 m和深度5.0 m處的沉降分別為0.249，0.119和0.184×10-5m；同樣，當(dāng)豎向排水板間距為1.2 m時(shí)，表層、深度2.5 m 和深度5.0 m 處的沉降分別為0.207，0.099 和0.163×10-5m。通過(guò)對(duì)比分析，與豎向排水板間距1.0 m 和1.2 m 相比，豎向排水板間距0.8 m 處理地基后，深度2.5 m 處地基沉降分增大21.85%和46.46%。但深度為5.0 m 時(shí)，豎向排水板間距對(duì)地基加固效果不明顯。這主要是因?yàn)榕潘逶趥鬟f真空壓力過(guò)程中呈環(huán)形輻射分布，隨著土層深度增加，排水板的真空吸力逐漸降低，排水板底部真空壓力幾乎為0 Pa。

3.1.2 橫向排水板間距

通過(guò)上述分析，當(dāng)豎向排水板間距為0.8 m時(shí)，加固效果較好?；诖?，選取豎向排水板間距為0.8 m，橫向排水板長(zhǎng)度為0.2 m工況說(shuō)明橫向排水板間距對(duì)新型輻射排水板真空預(yù)壓的加固效果，分析A點(diǎn)沉降變化規(guī)律，G點(diǎn)的水平位移變化規(guī)律和加固范圍的影響。

圖15所示為不同橫向排水板間距A點(diǎn)沉降和G點(diǎn)水平位移變化規(guī)律。從圖15(a)可見(jiàn)：A點(diǎn)沉降隨著時(shí)間而增大。橫向排水板間距越小，A點(diǎn)沉降越大；當(dāng)預(yù)壓時(shí)間為60 d，橫向排水板間距2.0，1.0 和0.5 m 時(shí)，A點(diǎn)沉降分別為0.305，0.326 和0.400 m，最大沉降差異0.095 m；與橫向排水板間距分別為2.0 m和1.0 m相比，間距為0.5 m加固地基的沉降分別增大31.15%和22.70%。采用橫向排水板間距為0.5 m 的加固地基更有利于提高加固效果。

從圖15(b)可見(jiàn)：水平位移隨著時(shí)間而增加，橫向排水板間距越小，水平位移越大。采用橫向排水板間距為0.5 m 的加固地基水平位移最大為0.238 m，與橫向排水間距為1.0 m 和2.0 m 相比，水平位移分別增大30.05%和20.81%。

圖16所示為不同橫向排水板間距地基加固影響范圍。從圖16可見(jiàn)：隨著橫向排水板間距增大，加固影響區(qū)的范圍逐漸減小。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橫向排水板間距為2.0，1.0和0.5 m時(shí)，加固影響區(qū)的范圍分別為-13.7～-7.5，-14.0～-7.5 和-14.3～-7.5 m。

圖14 不同豎向排水板間距分層沉降變化規(guī)律Fig.14 Layered settlement with different prefabricated vertical drain spacings

3.2 橫向排水板長(zhǎng)度

當(dāng)豎向排水板間距為0.8 m，橫向排水間距為0.5 m 時(shí)，吹填土地基的加固效果最好。在此基礎(chǔ)上，分別從A點(diǎn)沉降、G點(diǎn)水平位移和加固影響范圍3個(gè)方面分析不同橫向排水板長(zhǎng)度對(duì)地基加固效果的影響。

圖15 不同橫向排水間距條件下A點(diǎn)沉降和G點(diǎn)水平位移變化規(guī)律Fig.15 Settlement development of point A and lateral deformation development of point G with different prefabricated horizontal drain spacings

圖16 不同橫向排水板間距地基加固影響范圍Fig.16 Reinforcement influencing range with different prefabricated radiant drain spacings

圖17所示為不同橫向排水板長(zhǎng)度A點(diǎn)沉降和G點(diǎn)水平位移變化規(guī)律。從圖17(a)可見(jiàn)：隨著橫向排水板長(zhǎng)度增加，A點(diǎn)沉降增加，但增加幅度不大；當(dāng)真空預(yù)壓時(shí)間為60 d，橫向排水板長(zhǎng)度0.2 m時(shí)，0.3和0.4 m所引起地面中心沉降分別為0.400，0.419 和0.440 m，最大沉降差異為0.040 m；與橫向排水板長(zhǎng)度0.2 m 相比，橫向排水板長(zhǎng)度0.4 m引起的地基沉降增大10%。

圖17 不同橫向排水板長(zhǎng)度條件下A點(diǎn)沉降和G點(diǎn)水平位移變化規(guī)律Fig.17 Settlement development of point A and lateral deformation development of point G with different lengths of prefabricated horizontal drain

從圖17(b)可見(jiàn)：水平位移隨著橫向排水板長(zhǎng)度增加而增大；當(dāng)真空預(yù)壓時(shí)間為60 d 時(shí)，排水板長(zhǎng)度0.2，0.3 和0.4 m 所對(duì)應(yīng)地基的水平位移分別為0.238，0.266和0.275 m。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，橫向排水板長(zhǎng)度越長(zhǎng)，地基加固效果越明顯。當(dāng)橫向排水板長(zhǎng)度增加至0.4 m時(shí)，沉降可增大10%，水平位移可增大15.55%。相對(duì)于縮小橫向排水間距和豎向排水板間距對(duì)地基的加固效果而言，單純?cè)黾訖M向排水板長(zhǎng)度對(duì)地基的加固效果相對(duì)不明顯。從“高效、節(jié)能和環(huán)?！苯嵌?，應(yīng)考慮增加橫向排水板長(zhǎng)度對(duì)真空加固效果的影響，建議結(jié)合工程實(shí)際，合理選取橫向排水板長(zhǎng)度。

圖18 不同橫向排水板長(zhǎng)度地基加固影響范圍Fig.18 Reinforcement influencing range with different lengths of prefabricate horizontal drain

圖18所示為不同橫向排水板長(zhǎng)度地基加固影響范圍，從圖18可見(jiàn)：隨著橫向排水板長(zhǎng)度增加，加固范圍增大。當(dāng)橫向排水板長(zhǎng)度為0.2，0.3 和0.4 m 時(shí)，加固影響區(qū)的范圍分別為-14.0～-7.5，-14.2～-7.5和-14.25～-7.5 m。當(dāng)橫向排水板長(zhǎng)度為0.3 m和0.4 m時(shí)，加固影響區(qū)范圍增加不大。這說(shuō)明當(dāng)采用豎向排水間距為0.8 m，橫向排水板間距為0.5 m 加固地基時(shí)，橫向排水板存在臨界長(zhǎng)度，為0.3 m。超過(guò)橫向排水板臨界長(zhǎng)度時(shí)，加固影響區(qū)范圍變化不大。

4 結(jié)論

1)新型輻射排水板真空預(yù)壓地基加固效果優(yōu)于傳統(tǒng)真空預(yù)壓地基加固效果。與傳統(tǒng)真空預(yù)壓相比，新型輻射排水板真空預(yù)壓沉降增加0.032 m，沉降增大了14.75%，加固影響區(qū)的范圍增加了0.4 m。

2)豎向排水板間距越小，地基加固效果越明顯。與豎向排水板間距1.2 m相比，采用豎向排水板間距0.8 m 加固地基，其中心沉降增加0.10 m，增大47.34%，邊緣沉降增加0.04 m，增大20.73%，加固范圍增加1 m。對(duì)分層沉降而言，深度越大，加固效果越不明顯；當(dāng)排水板間距為0.8 m，深度為2.5 m 時(shí)，地基沉降增大46.46%；但當(dāng)深度為5.0 m時(shí)，沉降幾乎無(wú)變化。

3)減小橫向排水板間距可提高地基加固效果。與橫向排水板間距為2.0 m 和1.0 m 相比，采用橫向排水板間距為0.5 m的加固地基，沉降分別增大31.15%和22.70%，水平位移分別增大30.05%和20.81%，加固影響范圍分別增加0.6 m和0.3 m。

4)橫向排水板的長(zhǎng)度存在臨界值。采用橫向排水長(zhǎng)度為0.4 m的加固地基沉降比橫向排水長(zhǎng)度為0.2 m 的沉降增大10%，水平位移增大15.55%，加固范圍增加0.25 m，加固效果不明顯。建議當(dāng)采用豎向排水板間距為0.8 m，橫向排水板間距為0.5 m 的加固地基時(shí)，橫向排水板最優(yōu)長(zhǎng)度為0.3 m。