趙羚子

(上海申元巖土工程有限公司， 上海 200011)

伴隨著中國城鎮(zhèn)化進程的推進、工業(yè)化改革的深化和耕土保護政策的確立，更多的住宅、工業(yè)、交通項目建設(shè)在河塘回填、高填方、吹填土等具有深厚軟弱土層或松散填土的“人造”地基地區(qū)。社會經(jīng)濟需求催生出地基處理專業(yè)分包行業(yè)，地基處理技術(shù)也得到了長足發(fā)展，出現(xiàn)了換填墊層、預(yù)壓、壓實、夯實、擠密、復(fù)合地基、注漿加固、微型樁等地基處理技術(shù)[1]。

真空預(yù)壓、排水固結(jié)與強夯法應(yīng)用于越來越多的軟土地基處理項目，加固技術(shù)也從單一向復(fù)合發(fā)展[2]。學(xué)者與工程師提出了真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓、立體真空預(yù)壓、電滲-真空降水、改進型排水板真空預(yù)壓、密封膜改進、真空化學(xué)聯(lián)合預(yù)壓等基于真空預(yù)壓的復(fù)合型地基處理技術(shù)[3-4]。

張振等[5]建立三維模型對比真空孔預(yù)壓與堆載預(yù)壓加固軟基的性能，發(fā)現(xiàn)真空預(yù)壓工藝能夠有效減少地表差異沉降，但會在地表出現(xiàn)加固區(qū)收縮變形的側(cè)向位移。周亞東等[6]利用分段線性差分法建立了電滲-真空耦合作用下的軟黏土大變形固結(jié)模型，并通過解析解與試驗驗證了模型的準確性，得到真空-電滲聯(lián)合相比單一工藝最終固結(jié)沉降更大，其固結(jié)度控制在80%以內(nèi)具有更高性價比。何長明、黎軍[7]根據(jù)珠海地區(qū)的埋深超過30 m軟土場地進行了真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓的地基處理工藝，驗證該方法對深層軟土固結(jié)的有效性，并且總結(jié)了前后土的物理力學(xué)指標的變化。雷華陽等[8]采用掃描電鏡(SEM)與壓汞試驗的手段，通過對比常規(guī)真空預(yù)壓法與增壓式真空預(yù)壓法處理后的軟土微觀結(jié)構(gòu)，得到了增壓式真空預(yù)壓加固后土體的小孔隙數(shù)量更多、土體加固效果優(yōu)于常規(guī)真空預(yù)壓法的結(jié)論。雷華陽等[9]還利用模型試驗結(jié)合顆粒流模擬方法分析交替式真空預(yù)壓法的軟土加固效果，可以有效抑制“土柱”現(xiàn)象產(chǎn)生。林澍等[10]建立了水下真空預(yù)壓的有限元模型，并根據(jù)其結(jié)果形成一套上覆水綜合作用下的真空預(yù)壓地基沉降分析方法。學(xué)者們近10年真空預(yù)壓的聯(lián)合法進行研究，主要集中在真空堆載聯(lián)合預(yù)壓、真空電滲聯(lián)合預(yù)壓與真空化學(xué)聯(lián)合預(yù)壓處理3種工藝[11]。

本文建立軟基加固項目的三維有限元模型，將真空預(yù)壓動力固結(jié)排水加固技術(shù)實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模型結(jié)果對比分析，力圖從地基沉降變形角度研究該技術(shù)的沉降控制性能。

1 項目情況概述

軟基加固項目位于湖州市工業(yè)園區(qū)，占地面積73 464 m2，場地用于建設(shè)4間物流倉庫及其配套設(shè)施。場地地勢較平坦，地面高程分布在3.14～5.96 m，軟基加固前已填至設(shè)計標高，倉庫區(qū)域標高為4.90 m。場地平面布置如圖1所示。

圖1 場地平面布置圖

1.1 地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報告場地勘察深度內(nèi)地基土劃分為8個巖土工程層，其中②層缺失，④層可分4個亞層，⑥層劃分為2個亞層，⑤層含2個夾層，共13巖土工程單元層，各層特征自上而下簡述如下：

①層雜填土：灰黃色、灰色，以黏性土及碎石為主，底部大部分為塘泥，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均，高壓縮性，全場地分布。

③層淤泥：灰色，流塑狀，高壓縮性，切面光滑，無搖震反應(yīng)，干強度低，韌性低，含有機質(zhì)和腐殖質(zhì)碎屑，部分場地分布。

④-1亞層粉土夾粉質(zhì)黏土：灰色，松散-稍密狀，飽和，干強度低，韌性低，搖震反應(yīng)較快，中等壓縮性，含少量云母、貝殼碎屑，局部夾粉質(zhì)黏土。部分場地分布。

④-2亞層粉土：灰色，中密狀，飽和，干強度低，韌性低，搖震反應(yīng)較快，中等壓縮性，含少量云母、貝殼碎屑。部分場地分布。

④-3亞層粉土夾粉質(zhì)黏土：灰色，稍密狀，飽和，干強度低，韌性低，搖震反應(yīng)較快，中等壓縮性，含少量云母、貝殼碎屑，局部夾粉質(zhì)黏土。全場分布。

④-4亞層粉質(zhì)黏土夾粉土：灰色，軟塑狀，切面粗糙，稍有搖震反應(yīng)，干強度中低、韌性中低，局部夾粉土，屬中等壓縮性土，局部相變?yōu)橛倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土。全場分布。

⑤層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾砂：灰色，流塑狀為主，局部相變?yōu)檐浰軤罘圪|(zhì)黏土，干強度低，韌性低，高壓縮性，切面較粗糙，局部夾薄層砂。全場分布。

⑥-1亞層粉質(zhì)黏土：灰黃色、灰色，軟可塑-硬可塑狀，切面較粗糙，韌性中等，干強度中等，中等壓縮性，含鐵錳質(zhì)氧化物，局部夾粉土或砂。大部分場地分布。

根據(jù)地層分布條件，將4個庫區(qū)分為有淤泥區(qū)與無淤泥區(qū)分別處理，如圖2所示。

圖2 地基處理分區(qū)圖

圖2中C庫、D庫采用真空預(yù)壓固結(jié)排水加固技術(shù)進行軟基處理。依據(jù)D庫的場地條件建立軟基三維模型，并依據(jù)D庫的監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)與三維模型計算數(shù)據(jù)對比分析。

1.2 處理要求

1)場地承載力特征值不小于100 kPa。

2)倉庫地坪的工后沉降不大于80 mm。

2 建立軟基三維模型

場地C庫、D庫采用真空預(yù)壓固結(jié)排水加固技術(shù)進行軟基處理。依據(jù)D庫的場地條件建立軟基三維模型，并依據(jù)D庫的監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)與三維模型計算數(shù)據(jù)對比分析。

2.1 模型尺寸建立及網(wǎng)格劃分

將場地D庫不規(guī)則形狀簡化為矩形建模，D庫的場地實際尺寸為180 m×66 m。數(shù)值模型分析需考慮整體軟基的變形規(guī)律、判別影響范圍并減小邊界效應(yīng)，因此模型建立的尺寸為360 m×132 m，地層深度達到60 m，如圖3所示。

圖3 模型尺寸

軟基三維模型的土層分布，按照場地勘察剖面土層分布情況建立。模型網(wǎng)格的劃分需綜合考慮模型的計算速度、精度及收斂程度，根據(jù)試算經(jīng)驗，模型單元數(shù)控制在1萬～10萬為合理數(shù)值。因此模型根據(jù)計算精度需求，將庫區(qū)范圍33 m范圍內(nèi)的土層網(wǎng)格設(shè)置為近似長×寬×高為5 m×2.5 m×5 m的六面體，將庫區(qū)范圍外所有土層網(wǎng)格單元自動設(shè)置為近似5 m邊長的正六面體，邊界自然過渡，網(wǎng)格單元尺寸根據(jù)土層幾何尺寸自動細微調(diào)整。

土層的網(wǎng)格分布與土層分布一致，取勘察剖面10作為對照，如圖4所示。其中庫區(qū)內(nèi)模型土層網(wǎng)格分布按照土層實際分布情況模擬，庫區(qū)外模型土層網(wǎng)格分布按照相鄰最近鉆孔土層分布情況模擬。

圖4 土層分布與剖面對照

2.2 模型網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置

有限元數(shù)值模型的準確性與網(wǎng)格參數(shù)選取具有密切的關(guān)系，之前已有學(xué)者對土層物理力學(xué)參數(shù)與網(wǎng)格參數(shù)的對應(yīng)性進行了經(jīng)驗總結(jié)[12-14]。根據(jù)文獻[12]建議的換算公式對網(wǎng)格單元各參數(shù)進行推算?？辈靾蟾嬷械耐翆游锢砹W(xué)參數(shù)見表1。推算得到的模型參數(shù)見表2。

利用表1、表2的參數(shù)，可以在GTS-NX有限元軟件中將建立的三維網(wǎng)格單元賦予屬性，雜填土的本構(gòu)采用莫爾-庫侖，黏性土的本構(gòu)采用修正劍橋本構(gòu)。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 三維網(wǎng)格參數(shù)

3 真空預(yù)壓動力固結(jié)排水應(yīng)用

湖州項目采用真空預(yù)壓動力固結(jié)排水技術(shù)，基于該技術(shù)通過真空預(yù)壓與動力固結(jié)排水工藝復(fù)合，使軟基加速固結(jié)并在表層形成硬殼層，從而達到更有效加固軟基的目的。

3.1 場地真空預(yù)壓動力固結(jié)排水方案

真空預(yù)壓動力固結(jié)排水技術(shù)是一種有效利用真空預(yù)壓的簡便預(yù)壓方式，在通過排水固結(jié)改善深部軟土層力學(xué)性質(zhì)的同時通過動力固結(jié)提高承載力的復(fù)合型地基處理方法。

項目場地因長期積水導(dǎo)致表層土體承載力低，難以進行施工作業(yè)，且D庫區(qū)下部存在淤泥層，極大地影響場地建筑物的使用功能，需要對軟基進行針對性處理。

3.1.1 第一步真空預(yù)壓工藝

采用管井降水，降水深度為地基處理交工場地地表以下4 m。

1)設(shè)置深層土體排水固結(jié)通道。根據(jù)淤泥土層深度，設(shè)置排水板，排水板間距為0.9 m×0.9 m(SPB-C型塑料排水板)，排水板長度為11 m如圖5所示。

圖5 排水板布置

2)設(shè)置主次真空連接管。其中次管與每根排水板相連接，保證真空度傳遞。

3)布設(shè)真空膜并設(shè)置真空泵。

4)進行真空預(yù)壓，保證真空度不低于50 kPa，真空預(yù)壓時間不小于30 d，最終卸載時，土體固結(jié)度不小于60%。

處理后場地承載力不小于50 kPa，回填土及淤泥土層的土體固結(jié)度不小于60%。

3.1.2 第二步動力固結(jié)工藝

根據(jù)第一步處理工藝完成并達到設(shè)計要求效果，第二步需確保地基承載力和最終沉降控制要求。

強夯能級應(yīng)由小到大，逐級遞增，往下部傳遞動能。600 kN·m能級滿夯一遍，每點夯擊數(shù)為2擊；暫定第一遍點夯能級為800 kN·m，夯點間距為4 m×4 m，每點夯擊數(shù)不少于3擊；第二遍夯點能級為1 200 kN·m，夯點間距為4 m×4 m，每點夯擊數(shù)不少于3擊；暫定滿夯能級為1 000 kN·m，每點夯擊數(shù)為2擊，夯一遍，夯印要求搭接1/3面積，滿堂處理。過程中補填建筑硬質(zhì)骨料，清理擠出淤泥，提高土體力學(xué)參數(shù)和指標。

3.2 三維模型真空預(yù)壓動力固結(jié)排水模擬

D庫三維模型的真空預(yù)壓動力固結(jié)排水方案實施，依據(jù)GTS-NX軟件中建立固結(jié)施工階段的方法，通過壓力、節(jié)點水頭、土層參數(shù)賦予等階段條件變化，模擬真空預(yù)壓動力固結(jié)排水的步驟。

1)自應(yīng)力平衡。為三維模型施加重力，將模型底部與四周邊界設(shè)為固定邊界，然后施加30 d時間步進行初始應(yīng)力平衡，水位為0。

2)真空預(yù)壓階段。在該階段激活真空表層排水條件，賦予表層節(jié)點50 kPa的節(jié)點水頭，并將11 m深度范圍內(nèi)土體滲透系數(shù)提高，等效實際施工中的真空預(yù)壓及排水板滲透功效。該階段根據(jù)實際施工時間，設(shè)定為30 d。

3)動力固結(jié)階段。在庫區(qū)范圍內(nèi)，激活節(jié)點集中力60 kN，集中力施加持續(xù)時間60 s，施加3次，間隔靜置3 d，激活節(jié)點集中力80 kN，集中力施加持續(xù)時間60 s，施加3次，間隔靜置3 d，激活節(jié)點集中力120 kN，集中力施加持續(xù)時間60 s，施加3次，間隔靜置3 d，活節(jié)點集中力100 kN，集中力施加持續(xù)時間60 s，施加1次，與之前工序間隔靜置3 d。將強夯能級計算簡化為短暫集中力。

4)結(jié)束。鈍化各受力及水頭條件，靜置模型，時長15 d。

4 沉降分析

根據(jù)規(guī)范，對場地地坪下地基總沉降量進行計算，據(jù)此可估算各階段地面沉降量，將該理論值與實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模型計算值進行對比分析，驗證真空預(yù)壓動力固結(jié)排水技術(shù)控制沉降有效性的同時驗證數(shù)值模型的可靠性。

4.1 沉降理論計算

上部荷載：使用荷載30 kPa，結(jié)構(gòu)地坪200 mm(5 kPa)，墊層100 mm(2.5 kPa)，設(shè)計荷載共計45 kPa。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)中5.3.5、5.3.6條，計算地基沉降變形量。倉庫區(qū)域總附加荷載p0=45 kPa，其變形計算深度按下列公式計算：

(1)

式中：Δs′i為在計算深度范圍內(nèi)，第i層土的計算變形值，mm；Δs′n為由計算深度向上取厚度為Δz的土層計算變形值，mm。

根據(jù)設(shè)計圖紙，地坪混凝土板設(shè)計單元按照24 m×24 m考慮，計算深度取11 m，即滿足規(guī)范的要求。

計算壓縮模量當量：

(2)

式中，Ai為第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值。

總沉降量：

(3)

即在未經(jīng)地基處理時，直接進行場地上部建筑的施工，即后期所有的附加荷載施加上，經(jīng)計算總沉降量為392 mm。其中，1層土沉降變形量為153 mm，3層土沉降變形量為231 mm。

采用真空預(yù)壓動力固結(jié)排水工藝，第一階段處理后場地承載力不小于50 kPa，回填土及淤泥土層的土體固結(jié)度不小于60%，1層土體深度范圍內(nèi)(5 m范圍)厚度平均加權(quán)壓縮模量大于8 MPa。計算該條件下的總沉降量為469 mm，其中1層土沉降變形量為183 mm，3層土沉降變形量為279 mm。

排水板正方形布設(shè)，間距0.8 m，長度11 m，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中5.2.7條，施工結(jié)束時(t=30 d)的軟土層平均固結(jié)度為

(4)

經(jīng)過第一階段處理，回填土及淤泥土層的土體固結(jié)度等于59%，處理過程累計沉降量為

s1=(183+279)×0.59=273 mm。

經(jīng)過第二階段處理，主要通過多遍輕夯，使得表層1層土變成硬殼層至超固結(jié)狀態(tài)，消除該層工后沉降。本階段的累計沉降量為

s2=153-131×0.59=76 mm。

場地工后沉降為

s后=s′-s1-s2=392-273-76=43 mm。

4.2 沉降實測值及三維模型沉降變形

現(xiàn)場布設(shè)沉降監(jiān)測點，其布設(shè)位置如圖6所示。5個監(jiān)測點位于勘察10剖面位置，相鄰監(jiān)測點間距40 m，監(jiān)測點距庫區(qū)邊界10 m。在三維模型對應(yīng)點位選取節(jié)點，計算其過程沉降值。

圖6 監(jiān)測點平面布置

圖7 三維模型沉降監(jiān)測點

4.2.1 第一步工序沉降量

場地實測總沉降量現(xiàn)無法準確測量，可將真空預(yù)壓沉降曲線進行擬合，得到沉降的穩(wěn)定數(shù)值作為最終總沉降量。

第一步真空預(yù)壓工序的現(xiàn)場沉降監(jiān)測從真空膜下壓強達到50 kPa開始，持續(xù)至28 d開始卸載，30 d時揭膜。監(jiān)測點1～5的沉降量變化如圖8所示。

圖8 實測真空預(yù)壓沉降

由圖8可見，初始真空度慢慢提高階段，真空膜內(nèi)壓強增大，就已經(jīng)產(chǎn)生了沉降變形，隨著時間增加，沉降增速放緩，因軟土尚未達到固結(jié)，沉降并沒有達到穩(wěn)定值。后續(xù)卸載時有少量回彈，回彈量在1 cm以內(nèi)。

根據(jù)監(jiān)測點的布設(shè)位置，可知靠近場地中心的區(qū)域沉降量較大，真空預(yù)壓邊界區(qū)域沉降量較小，這與實際真空預(yù)壓過程中場地中心區(qū)真空度較高的規(guī)律相吻合，總體西側(cè)沉降較大，與該剖面1雜填土及3淤泥層分布規(guī)律有關(guān)?？傊に嚨牡谝浑A段，真空預(yù)壓荷載超過設(shè)計使用荷載，可消除庫區(qū)約70%的沉降量。

三維模型庫區(qū)未經(jīng)處理總沉降根據(jù)上覆壓力值45 kPa模擬計算，得到庫區(qū)總沉降量最大值為398 mm與理論計算392 mm較為接近，且沉降規(guī)律為中央?yún)^(qū)沉降量較大，以此吻合驗證該模型的有效，然后進行施工階段模擬。三維模型總沉降云圖如圖9所示。

圖9 三維模型總沉降云圖

三維模型真空預(yù)壓階段沉降量最大值為194 mm，其中監(jiān)測點1～5的沉降量變化如圖10所示。

圖10 三維模型真空預(yù)壓沉降

由圖10可見，在三維模型中，真空預(yù)壓階段沉降也呈現(xiàn)隨時間增加增速放緩的趨勢，且在卸載前沒有達到穩(wěn)定值，后續(xù)卸載產(chǎn)生1～2 cm回彈。

三維模型中庫區(qū)中心區(qū)域(2、3點)的沉降量較大，西側(cè)沉降總體高于東側(cè)沉降，與該剖面1雜填土及3淤泥層分布規(guī)律有關(guān)，但較之實測，不同點位的差異較小。該階段也消除原模型總沉降70%的沉降量。

4.2.2 第二步工序沉降量

因強夯過程會明顯干擾現(xiàn)場監(jiān)測點，且夯坑回填后會進行整平，故根據(jù)工序后場地的情況，估計該工序沉降量在70～150 cm。

三維模型動力固結(jié)階段緊隨第一階段計算，產(chǎn)生的沉降量最大值為78 mm，該值為相較于第一階段的沉降增量，其中監(jiān)測點1～5的沉降量變化如圖11所示。

圖11 三維模型強夯及靜置沉降

采用簡化強夯的研究方法，將每次夯擊簡化為作用60 s的集中力，每次夯擊后靜置3 d使孔壓消散。由此得到圖11(a)的沉降數(shù)據(jù)，靜置時會產(chǎn)生一定的回彈，因此需以靜置后沉降量作為最終沉降衡量標準，得到圖11(b)?？芍虻貙訔l件從1～5點的不同，西側(cè)強夯引發(fā)的沉降量也高于場地東側(cè)，沒有明顯受到場地邊界的影響。

4.3 沉降結(jié)果對比

監(jiān)測點3的土層分布接近庫區(qū)土層分布平均值，且該點受庫區(qū)邊界的影響較小，將該點作為研究對象，分析對比理論、現(xiàn)場實測及三維模型的沉降計算結(jié)果，如圖12所示。

由圖12可知，理論計算與實測值較為吻合，略大于三維模型模擬結(jié)果。一方面由于三維模型當中各測點的真空預(yù)壓階段沉降量差異就較小于實測值，3點的模型沉降量小于實測。另一方面，三維模型的連續(xù)性致使其強夯后回彈量較大，沉降量有所減小，且現(xiàn)場對于強夯后實測值因填料和施工過程難以監(jiān)測的影響，為處理后場地平均沉降值估測。

圖12 地基處理完工時沉降對比

如圖13所示，真空預(yù)壓階段的沉降值理論計算也與三維模型計算值較吻合，30 d預(yù)壓固結(jié)度較低，沉降未達到穩(wěn)定值。實測值與計算值也存在一定差異，但沉降數(shù)值與規(guī)律十分接近，軟基三維模型的計算無論從規(guī)律還是結(jié)果都有其可靠性，同時實測與理論值的吻合也驗證了該技術(shù)在沉降控制方面的有效性，未來可以利用三維模型從變形、受力等更多方面研究軟基加固技術(shù)的性能。

圖13 真空預(yù)壓階段沉降對比

5 結(jié)論

基于真空預(yù)壓動力固結(jié)排水加固工藝在湖州項目的應(yīng)用實踐與實測數(shù)據(jù)，驗證所建立的軟基GTS NX有限元三維數(shù)值模型，模擬加固工藝工序流程，分析該工藝的沉降控制效果。通過對比分析各階段沉降數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：

1)真空預(yù)壓場地中心將產(chǎn)生更大沉降，邊界真空預(yù)壓效果受到限制，且卸載后會產(chǎn)生1 cm左右的回彈。

2)采用復(fù)合工藝，可以在50 kPa低真空荷載情況下在30 d內(nèi)實現(xiàn)60%固結(jié)度，消除70%的工后沉降，60 d控制場地工后沉降在10 cm以內(nèi)，相較于傳統(tǒng)真空預(yù)壓大大降低功耗與時間成本。

3)利用三維有限元數(shù)值模型可以有效模擬軟基沉降的真空預(yù)壓與動力固結(jié)兩個階段，呈現(xiàn)出與實測和理論計算相吻合的沉降規(guī)律與結(jié)果。強夯的簡化模擬可為復(fù)合工藝的三維模擬提供參考依據(jù)。

4)軟基真空預(yù)壓動力固結(jié)排水加固工藝能夠在短期內(nèi)加快軟基固結(jié)效率，控制工后沉降在8 cm的范圍，工程實測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算驗證該工藝的有效性，為后續(xù)的項目應(yīng)用進一步奠定實踐與理論基礎(chǔ)。