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        聯(lián)合預(yù)壓法地基處理研究

        2022-07-21 05:02:54張小飛
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:有限元效果模型

        張小飛

        (溫州地順地質(zhì)勘察有限公司,浙江 溫州 325014)

        1 引言

        真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固法能有效加固軟土地基,其具有成本低、施工簡單、工期短等優(yōu)勢,并且能很好地提升軟土地基的承載力。眾多的科研工作者對地基加固方法開展研究,真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固法已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。20 世紀(jì)90年代,瑞典的Kjellman[1]教授創(chuàng)立了真空預(yù)壓法,隨后真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法得到廣泛應(yīng)用。一些學(xué)者[2-4]基于土體固結(jié)理論對真空預(yù)壓土體固結(jié)進(jìn)行分析,他們普遍認(rèn)為,負(fù)壓條件下土體固結(jié)和正壓條件下土體固結(jié)一樣。但求解結(jié)果與實(shí)際情況差異顯著,無法滿足實(shí)際工程的需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了各種有限元軟件,采用數(shù)值模擬方法能更好地研究該工藝。基于有限元軟件,一些學(xué)者[5-7]通過分析得出真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固在處理軟土地基效果很好。

        本文基于某軟土地基工程,通過有限元軟件模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固地基過程,并著重討論排水板滲透系數(shù)、排水板間距和真空壓力衰減率對加固效果的影響。

        2 工程概況

        該工程所屬地區(qū)空氣濕潤,常年下雨,溫度在15~35 ℃。該城市廣泛分布著軟土,地質(zhì)條件復(fù)雜,軟土厚度約為30 m。軟土因其孔隙大、含水量高、滲透性差、強(qiáng)度低等缺點(diǎn),給工程施工增加了很大的難度??紤]場地施工條件,為了保證項(xiàng)目的施工質(zhì)量和安全性,該項(xiàng)目決定采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟土地基。

        3 三維有限元模型

        利用有限元軟件建立二維有限元模型,采用真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓相結(jié)合的方法對軟土地基進(jìn)行處理。由于模型對稱,建立1/2 地基模型進(jìn)行分析,模型寬度設(shè)為150 m,深度設(shè)為41 m。地基加固區(qū)域?yàn)槟P妥髠?cè)50 m 范圍,排水板的深度為24 m,布置間距為1.2 m。模型底部設(shè)置為固定端,模型左右兩側(cè)均為法向約束,模型表面加固區(qū)設(shè)堆載和真空荷載,加固區(qū)范圍外設(shè)為自由邊界。

        真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法是將塑料排水板插入地基,傳遞真空負(fù)壓并進(jìn)行排水。采用等效原則,將塑料排水板轉(zhuǎn)化為沙井以便真實(shí)地模擬排水情況。根據(jù)Hansbo 理論,模型中砂井直徑可設(shè)為等效的排水板直徑,砂井直徑根據(jù)式(1)計(jì)算:式中,a為排水板的寬度,mm;b為排水板的厚度,mm;dw為砂井直徑,mm。

        根據(jù)Hansbo 理論,忽略井阻效應(yīng)和涂抹效應(yīng),土體在軸對稱下的水平滲透系數(shù)kh與平面應(yīng)變下的水平滲透系數(shù)khp關(guān)系滿足式(2):

        式中,n=B/dw,B取砂井總范圍寬度的1/2。

        根據(jù)上述等效理論,排水板的參數(shù)取值見表1。

        表1 排水板參數(shù)

        4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

        4.1 模型有效性驗(yàn)證

        圖1給出了地基沉降和水平位移的數(shù)值結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比曲線。如圖1a 所示,在加固過程中,地基在初期沉降速率較大,地基沉降在堆載預(yù)壓期的沉降量約占地基總沉降的30%。這是因?yàn)樵诩庸坛跗?,土體的淤堵現(xiàn)象還不明顯,土體的排水速率較高,即加固初期土體的固結(jié)程度良好,這樣能縮減土體后期的固結(jié)時間。

        圖1 有限元結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果的對比

        如圖1b 所示,在加固過程中,隨著地基深度的增加,水平位移快速遞減,水平位移與深度呈負(fù)相關(guān)??梢姡诘乇砺裆? m 以內(nèi)的水平位移較大;深度大于10 m 時,水平位移可忽略??梢婋S著深度的增加,真空預(yù)壓的效果逐漸減弱。

        利用實(shí)際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果相比較,驗(yàn)證了模型的有效性和正確性,可見本模型在材料參數(shù)選取和邊界條件、有限元網(wǎng)格劃分設(shè)定等方面較為合理。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對排水板滲透系數(shù)、排水板間距和真空壓力衰減率的影響進(jìn)行了系統(tǒng)討論。

        4.2 不同影響因素的分析

        真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固效果的重要影響因素之一是塑料排水板的排水能力。排水能力越好,則地基加固的效果越好。因此,通過改變塑料排水板的滲透系數(shù)來研究排水能力對地基加固效果的影響。建立30 種不同的滲透系數(shù)工況,30 種工況下的滲透系數(shù)k分別為2.4×10-3cm/s、2.4×10-4cm/s 以及2.4×10-5cm/s。圖2 展示了不同工況下的地基沉降情況。

        觀察圖2 可以發(fā)現(xiàn),地基沉降與滲透系數(shù)正相關(guān),滲透系數(shù)越大,同一時長下的地基沉降就越大。滲透系數(shù)為2.4×10-3cm/s 時,該軟土地基模型的沉降量最終值大約在3.5 m附近;滲透系數(shù)為2.4×10-4cm/s 時,該軟土地基模型的沉降量最終值大約在3.2 m 附近,較前者減小了約8.5%;滲透系數(shù)為2.4×10-5cm/s 時,該軟土地基模型的沉降量最終值大約在2.85 m 附近,相較于第一種工況減小了約16.8%。進(jìn)一步觀察可知,隨著排水板滲透系數(shù)的變大,地基固結(jié)時間逐漸縮短。這是因?yàn)榧庸踢^程中,地下水在滲透系數(shù)更大的排水板下能更快速地排出,地基土固結(jié)時間縮短,由此地基土體固結(jié)程度更佳,沉降量也更大。此時,真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固效果也更好。

        圖2 不同滲透系數(shù)下的地基沉降曲線

        真空壓力對地基加固效果也有不可忽略的影響。為了研究此影響,保持最大真空壓力不變,僅改變真空壓力的衰減率,建立3 種不同底部壓力的工況,分別為0 kPa,-15 kPa 和-30 kPa(衰減率分別為3.2 kPa/m、2.6 kPa/m、2 kPa/m)。圖3 給出了3 種真空壓力工況的示意圖。圖4 給出了不同真空壓力下的地基沉降曲線。

        圖3 3 種真空壓力工況的示意圖

        從圖4 中可以看出,隨著真空壓力衰減率的增大,地基沉降顯著減小。當(dāng)真空壓力衰減率為2 kPa/m 時,地基最終沉降量約為2.2 m;當(dāng)真空壓力衰減率為2.6 kPa/m 時,地基最終沉降量約為2.0 m,較真空壓力衰減率為2 kPa/m 工況約減小了9%;當(dāng)真空壓力衰減率為3.2 kPa/m 時,地基最終沉降量約為1.7 m,較真空壓力衰減率為2 kPa/m 工況約減小了23%。即使減小了真空壓力的衰減率,較大的真空壓力也存在于較深層的土體中,對地基深處的土體加固效果更好。

        圖4 不同真空壓力下的地基沉降曲線

        5 結(jié)論

        本文基于某實(shí)際工程,利用有限元軟件建立數(shù)值模型模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固地基過程。對比數(shù)值結(jié)果與實(shí)測結(jié)果,確認(rèn)模型的合理性。進(jìn)一步分析排水板滲透系數(shù)、排水板間距和真空壓力衰減率對加固效果的影響。主要結(jié)論如下:

        1)地基在加固過程中,初期沉降速率較大,在地表埋深5 m 以內(nèi)的水平位移較大,深度大于10 m,水平位移可忽略。

        2)排水板滲透系數(shù)和真空壓力均對地基沉降有顯著影響。排水板滲透系數(shù)越大、真空壓力沿深度衰減率越小,真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固地基效果越佳。

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