曾芳金， 許士偉*， 符洪濤， 李校兵， 蔡瑛

( 1. 江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院， 江西省巖土與工程災(zāi)害控制重點實驗室， 贛州 341000; 2. 溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院， 浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點實驗室， 浙江省海涂圍墾及其生態(tài)保護協(xié)同創(chuàng)新中心， 溫州 325035)

中國沿海地區(qū)進行了大規(guī)模的海涂圍墾工程，緩解了中國沿海城市土地資源緊張的形勢。海涂圍墾以疏浚淤泥為基礎(chǔ)物源，疏浚淤泥含水率高，顆粒極細，基本不具備強度，在真空預(yù)壓中采用預(yù)制豎向排水板(prefabricated vertical drain ，PVD)處理疏浚淤泥加固效果明顯，經(jīng)濟環(huán)保，且技術(shù)可行，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于處理疏浚淤泥地基的工程實踐中[1-2]。然而，在應(yīng)用真空預(yù)壓技術(shù)處理疏浚淤泥地基時出現(xiàn)了淤堵現(xiàn)象，也被稱作“土柱”，影響土體加固效果[3-4]。產(chǎn)生PVD淤堵現(xiàn)象的主要原因有：①細顆粒土在真空負壓的作用下于向PVD移動和聚集，在PVD周圍形成致密的不透水層從而造成PVD淤堵[4-5]；②真空固結(jié)過程產(chǎn)生的尾水中膠體顆粒的平均直徑隨著施加真空時間的增加而減小，孔隙水中膠體顆粒會不斷地填充土柱空隙，在PVD 周圍形成滲透性極低的致密區(qū)域，影響真空度的傳遞[6]；③“涂抹”效應(yīng)引起的PVD周圍不均勻固結(jié)[7]?？傊?，以上多種現(xiàn)象會在PVD周圍產(chǎn)生滲透系數(shù)較小的區(qū)域，真空壓力的傳遞受阻，因此造成外圍土的孔壓消散較慢，降低了真空壓力在土中傳遞的效率，造成地基的不均勻固結(jié)。

土工織物具有良好的反濾、排水、隔離、防滲、防護、加固等功能，所以被廣泛應(yīng)用于河道治理、堤防圍堰防滲、地基加固等工程中[8-11]。土工織物埋在土中不僅可以起到平面和垂直其平面的方向排水作用，將更多的細小顆粒過濾在土工織物表面，減少土顆粒向PVD方向移動，還可以加速孔隙水壓力的消散，提高PVD排水能力[12-13]。土工織物雖然廣泛應(yīng)用軟土處理方面，但是極少數(shù)學(xué)者結(jié)合了真空預(yù)壓。

首先，為了研究土工織物聯(lián)合真空預(yù)壓緩解PVD淤堵的效用，進行了真空固結(jié)室內(nèi)模型試驗。然后，以PVD晶胞單元為模型，對試驗?zāi)Ｐ陀肞laxis 2D軟件進行數(shù)值模擬分析。最后，根據(jù)室內(nèi)模型試驗數(shù)據(jù)用Plaxis模擬出聯(lián)合土工織物作用下PVD的dwi(排水板等效直徑dw的等效模擬值)，根據(jù)等效直徑與土工織物間距和直徑之間的關(guān)系，確定最佳的試驗方案并且具有一定的實踐意義，從而給土工織物聯(lián)合真空預(yù)壓在工程實踐中的應(yīng)用提供參考。

1 室內(nèi)模型試驗

1.1 試驗裝置

為了驗證本文提出的土工織物聯(lián)合真空預(yù)壓固結(jié)試驗對緩解PVD淤堵效應(yīng)的有效性，進行室內(nèi)模型實驗并利用Plaxis 2D進行數(shù)值模擬。模型試驗裝置如圖1所示，模型試驗裝置由圓形有機玻璃桶、排水體系、真空泵、真空表、孔壓計和測量體系組成。

1.2 試驗材料

試驗采用的土樣取自溫州“甌飛”圍海造陸工程現(xiàn)場的吹填淤泥。土樣運送到實驗室后由攪拌器徹底攪拌混合，土樣基本的物理參數(shù)見表1。

1.3 試驗原理

土工織物聯(lián)合PVD的裝置圖如圖2(a)所示，實驗室模型裝置圖如圖2(b)所示。土工織物采用的是長絲機織土工布，土工織物參數(shù)見表2。

圖1 實驗室模型裝置圖Fig.1 Model test device

L為試驗?zāi)Ｐ椭惺杩Ｓ倌嗟母叨?，r為土工織物的半徑， S為土工織物的間距 圖2 土工織物聯(lián)合PVD示意圖Fig.2 Device diagram of geotextile and PVD

表1 土體的物理力學(xué)指標Table 1 Physical and mechanical properties of the soil

表2 土工織物參數(shù)Table 2 Parameters of geotextile

土工織物分層鋪設(shè)在土體之間，可以起到集水、排水和阻擋細小黏土顆粒在真空吸力的作用下向PVD移動，減少PVD的淤堵現(xiàn)象。在真空固結(jié)過程中，細小的顆粒將逐漸沉積在織物表面形成弱透水層“濾餅“，但是土工織物的性質(zhì)不影響濾餅的水力傳導(dǎo)度[12]。固結(jié)機理如圖3所示。

除此之外，在真空固結(jié)的過程中土顆粒沿土工織物表面產(chǎn)生相對移動進而使土工織物界面處摩擦力逐漸發(fā)揮作用，約束了土體的水平位移，會對土體產(chǎn)生側(cè)向約束作用,減少土體的側(cè)向位移[14]。

1.4 試驗程序

(1)組裝試驗?zāi)Ｐ汀⒓舨煤玫耐凉つし胖糜袡C玻璃桶中，PVD放置桶的中心位置，放置一定深度的疏浚淤泥后，將一定直徑的土工織物自上而下穿過PVD放置土樣表面，重復(fù)以上步驟直至泥漿高度達到設(shè)計標高，最后封膜。

圖3 真空固結(jié)機理Fig.3 Vacuum consolidation with a geotextile

(2)設(shè)置加載系統(tǒng)。將PVD與抽水瓶通過定制的接頭相連，抽水瓶另一個接頭真空泵連接，向模型裝置中施加90 kPa真空吸力進行真空預(yù)壓。

(3)試驗過程監(jiān)測。試驗過程中記錄數(shù)值。加固一段時間后，孔隙水壓力變化較小，沉降不再明顯變化且排水小于100 g/d時，停止抽真空[15]。

1.5 試驗方案

設(shè)計4個室內(nèi)模型試驗，方案T1使用的是普通的mini-PVD，其他3個方案使用的是mini-PVD聯(lián)合不同直徑的土工織物，等效直徑的模擬值dwi見表3，有限元模擬結(jié)果見表4，每個試驗持續(xù)1～3個月。

表3 不同試驗方案及dwi的模擬值Table 3 Cases tested and dwi values for model tests

2 試驗結(jié)果分析

2.1 表面沉降

實驗室模型試驗及plaxis2D模擬結(jié)果在到PVD徑向距離150 mm處的表面沉降曲線，如圖4所示，可知數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗室的結(jié)果吻合良好。

T1、T2和T3在試驗進行90 d后的沉降值分別為T4的3.6、3、3.12倍。試驗結(jié)果表明土工織物間距越近和直徑越大，固結(jié)效率越高，沉降值越大。以T1、T2和T3為例，分別取到PVD徑向距離d為50 mm和250 mm處沉降值進行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

到PVD的徑向距離50 mm和250 mm處的表面沉降差值T1為8 mm，T2為30 mm和T3為16 mm。這表明土工織物的間距越小，直徑越大，緩解PVD淤堵的效果越好。原理是因為在真空吸力的作用下，隨著遷移的土體黏粒含量增多，單位時間內(nèi)通過織物的土顆粒越多，土顆粒越容易淤積在織物的內(nèi)部孔隙中，使織物內(nèi)部產(chǎn)生淤堵，織物的滲透性減弱，但水還可以自由的流動[16-17]。隨著時間的推移，土粒通過織物的效率較低，粒徑較大的顆粒堵塞織物表面孔口，阻礙粒徑較小的顆粒通過織物，細小的顆粒將逐漸沉積在織物表面形成弱透水層“濾餅”，此時淤堵發(fā)生在織物的表面，形成新的排水系統(tǒng)[18-19]。最后，土工織物的排水路徑的淤堵導(dǎo)致過濾系統(tǒng)的排水能力下降[20-21]。同時，當(dāng)土工織物的間距較小時，隨著固結(jié)的進行，織物在限制土體側(cè)向變形、增加周圍約束[22]、抑制土體剪脹等方面的作用更加明顯。所以土工織物間距越近，直徑越長時，會將更多的土顆粒過濾在土工織物的表面，減小其向PVD方向的移動，因此很大程度上緩解了PVD的淤堵和不均勻沉降的現(xiàn)象。

圖4 表面沉降的實測與模擬值對比Fig.4 Comparison measured and simulated of surface settlement

圖5 d為50 mm 和250 mm的實測沉降量Fig.5 Comparison of surface settlement with d = 50 mm, d = 250 mm

2.2 孔隙水壓力

在距排水板徑向距離150 mm，距頂面350 mm處的孔隙水壓力實驗室實測值和模擬值如圖6所示。由圖6可知，孔隙水壓力的實測值與模擬值吻合良好。土工織物間距越近，直徑越長，孔隙水壓力消散的就越快。在距離頂部0.35處，到PVD徑向距離d分別為50、150、250 mm的孔隙水壓力如圖7所示。

圖6 孔隙水壓力的實測與模擬值對比Fig.6 Comparison of pore water pressure measured and simulated

圖7 孔隙水壓力Fig.7 Pressure of pore water

孔隙水壓力在d為50 mm處消散的最快，d為150 mm和250 mm處孔隙消散趨勢大致相同。在T2中，d為50、150、250 mm處的孔隙水壓力消散值分別大約是T1的92%、78%和69%。這說明相同間距下，土工織物的半徑越長，孔隙水壓力的消散效果越好。

2.3 土體側(cè)向位移

在真空預(yù)壓的過程中，土工織物可以阻擋土顆粒向PVD方向移動，限制土體的側(cè)向變形。4個案例的土體側(cè)向位移如圖8所示。表明T1的側(cè)向位移最小，緩解土體側(cè)向位移的作用最明顯。T4由于嚴重的淤堵現(xiàn)象，在固結(jié)度較低的情況下側(cè)向位移仍然比T1多出了11%。T2、T3的側(cè)向位移分別比T1多出了46%和26%，這說明土工織物直徑越大，間距越小，土體的側(cè)向位移越小。

圖8 土體側(cè)向位移值Fig.8 The lateral displacements of soil

3 有限元值分析

由于實驗室規(guī)模有限，土工織物直徑和間距的大小對土體固結(jié)效果的影響不能完全被試驗。因此，為了克服這個不足，根據(jù)實驗室模型試驗結(jié)果用Plaxis2D進行有限元分析。

3.1 計算模型

所采用的有限元分析模型及模型網(wǎng)格如圖9所示。

圖9中所示模型體有1 399個單元，11 007個節(jié)點。實驗室試驗?zāi)Ｐ筒捎玫膱A形桶體模型，徑向剖面的的形狀與尺寸以及荷載分布沿環(huán)向基本一致，所以建立軸對稱應(yīng)變模型。對于軸對稱模型分析或者可能發(fā)生土體破壞的情況，采用15節(jié)點三角形單元的計算精度非常高，對復(fù)雜問題也可以給出高精度的應(yīng)力結(jié)果。因此，本軸對稱模型分析中采用15節(jié)點三角形單元進行計算。由于后續(xù)計算中將進行固結(jié)分析，需要對模型水力邊界條件進行定義。由于模型采用的時軸對稱模型，除了模型左側(cè)邊界打開外，其余邊界皆為關(guān)閉，即土體中的水和超孔隙水壓力只能通過左邊界流動和消散。實驗室模型試驗持續(xù)了3個月，力學(xué)模型采用了修正劍橋黏土模型，模型參數(shù)見表4。

在數(shù)值模擬時，將實驗室模型試驗中長度與土工半徑相等的排水線代替，按照實驗室模型試驗的參數(shù)設(shè)置進行模擬，以T1為例模型如圖10所示。

該模型模擬了D=500 mm、S=200 mm的土工織物聯(lián)合PVD真空固結(jié)模型，總高度為800 mm，施加了90 kPa的真空吸力，經(jīng)過模擬計算后dwi=280 mm，更多的模擬結(jié)果如表5所示。

數(shù)值模擬結(jié)果與實驗室模擬結(jié)果進行對比分析。利用軸對稱模型，將PVD模擬成排水板等效直徑為dw的圓柱體，dw的計算公式為

表4 數(shù)值模擬模型參數(shù)Table 4 Parameters of numerical model

圖9 普通PVD有限元值模型Fig.9 Finite element analysis model with a mesh for the model test

圖10 土工織物聯(lián)合PVD有限元值模型圖Fig.10 Model of the geotextile for finite element analysis

表5 數(shù)值模擬結(jié)果Table 5 Cases investigated

(1)

式(1)中：td排水板的寬度；wd為排水板的厚度；dw為排水板等效直徑。根據(jù)實驗室模擬試驗和模擬結(jié)果的對比分析，當(dāng)模擬結(jié)果和實測結(jié)果吻合時，可以根據(jù)沉降值對加了土工織物的模型實驗的dwi進行模擬。

3.2 模擬結(jié)果分析

對兩種模型的dwi進行分析，以土體的表面沉降值為參考量，通過對比分析帶有土工織物和無土工織物的沉降值，不斷修改和模擬無土工織物的排水板等效直徑，模擬出與有土工織物模型試驗結(jié)果相同的沉降曲線，從而確定帶有土工織物模型的排水板等效直徑dwi，dwi和dw如圖11所示。在數(shù)值模擬中通過改變土工織的D、S、dw變量，根據(jù)沉降值或者dwi的大小發(fā)現(xiàn)，影響固結(jié)效果最大的因素是D，其次是dw，影響最小的因素是S。

圖11 dwi對比值Fig.11 Comparing dwi

3.2.1 土工布間距的影響

土工布間距不同，會導(dǎo)致土體的表面沉降不同。通過改變土工布之間的距離，土體表面沉降如圖12所示，S和dwi的關(guān)系如圖13所示。

當(dāng)D=500 mm時，隨著土工織物之間距離的逐漸增大，dwi逐漸減少，表面沉降值逐漸減少。由圖13可知，R2=0.94，這說明S與dwi具有良好的線性關(guān)系，但是斜率K=-0.25，這說明S對土體固結(jié)效果的影響沒有D和dw顯著。

3.2.2 土工織物直徑的大小的影響

相同間距的土工織物因為直徑的增大，土體表面的沉降值也會隨之增大。通過改變土工布的不同直徑，沉降值的變化如圖14所示，D和dwi之間的關(guān)系如圖15所示。

圖12 不同間距的表面沉降值Fig.12 Settlement curves for different S

圖13 間距和dwi之間的關(guān)系Fig.13 Relationship between S and dwi

圖14 不同直徑D時表面沉降Fig.14 Settlement curves for different R

圖15 D 和dwi之間的關(guān)系Fig.15 Relationship between R and dwi

當(dāng)S=200 mm時，隨著土工織物直徑的不斷增加，dwi值逐漸增大，表面沉降值逐漸增加。由圖15可知，R2=0.99，這說明D與dwi具有良好的線性關(guān)系，且斜率K=0.76，這說明D對土體固結(jié)效果的影響最大。

3.2.3dwi的評估

通過不斷改變無土工織物試驗?zāi)Ｐ偷膁w，模擬出與加土工織物模型相同的沉降值，從而得出加土工織物模型的dwi。根據(jù)Plaxis模擬出來的結(jié)果，對dwi/dw與其對應(yīng)的D/S進行繪圖，并且通過回歸分析擬合出關(guān)系式，如圖16所示。Ddw/S和dwi之間的關(guān)系如圖17所示。

由圖16可知，當(dāng)S和D不變時，隨著dw的增值，dwi逐漸增大。R2=0.91，這說明D與dwi具有良好的線性關(guān)系，且斜率K=0.38，這說明dw對土體固結(jié)效果介于D和S之間。綜上所示，dwi的大小與D和dw成正相關(guān)，與S成負相關(guān)。D、S和dw與dwi的關(guān)系(圖16)為。

(2)

圖16 dw and dwi之間的關(guān)系(D=400 mm,S=400 mm)Fig.16 Relationship between dw and dwi (D = 400 mm, S = 400 mm)

圖17 Ddw/S和dwi之間的關(guān)系Fig.17 Relationship between Ddw/S

(3)

d″wi=-0.006<0

(4)

d″wi<0說明dwi的增長趨勢在圖形上呈現(xiàn)凸的趨勢，當(dāng)Ddw/S增長到一定的數(shù)值后，對dwi的影響越來越小。由式(2)可知，當(dāng)Ddw/S為109.375時，dwi取得最大值為284。這說明在有限的模擬結(jié)果中，當(dāng)D=500 mm,dw=35 mm，S=16 mm時，dwi=284取得最大值，dwi可以代入常規(guī)的固結(jié)理論進行計算，用于工程設(shè)計。

4 結(jié)論

(1)通過室內(nèi)模型試驗和有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果可知：當(dāng)PHD長度與土工織物直徑相等時，兩者在真空預(yù)壓中具有同等的排水固結(jié)效果。但是，后者可以節(jié)約60%的成本，具有非常好的經(jīng)濟效益。

(2)疏浚淤泥地基的加固效果與土工織物的長度呈正相關(guān)，與間距的大小呈負相關(guān)。但是經(jīng)過數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土工織物的直徑R=500 mm，間距S=160 mm時，沉降值最大。當(dāng)間距S<160 mm，沉降值不再發(fā)生變化。

(3)通過對比分析，PVD聯(lián)合土工織物比傳統(tǒng)PVD在90d內(nèi)沉降量提升了71%，兩者加固效果具有明顯的差距。這說明土工織物聯(lián)合真空預(yù)壓可以緩解PVD淤堵現(xiàn)象，減少土體的不均勻沉降，提高土體的固結(jié)效果。

(4)通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，加大土工織物的直徑是緩解PVD淤堵效應(yīng)和減少土體側(cè)向位移最有效的辦法。