摘要：近年來，排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合方法因成本低、環(huán)保、效果好被廣泛使用。為了進一步探討PHDs和PVDs在市政路基加固中的作用機理和效果，利用MIDAS有限元軟件建立了排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合的實際工程的計算模型，模擬PVDs和PHDs的預(yù)壓。通過垂直沉降、水平位移和孔隙水壓力方面的對比實驗，研究結(jié)果表明：PHDs的固結(jié)效果要好于PVDs。

關(guān)鍵詞：市政路基；排水固結(jié)-預(yù)壓；有限元模型；PVDs；PHDs

0" "引言

真空預(yù)壓法是一種市政路基疏浚污泥處理方法，可以有效解決傳統(tǒng)真空預(yù)壓固結(jié)應(yīng)力受限、真空度沿深度衰減、深層土的加固效果不理想、不均勻沉降等問題，但同時存在排水板容易淤積、排水板周圍形成土柱等問題，進而導(dǎo)致不均勻沉降。

在真空預(yù)壓過程中，小顆粒易堵濾膜孔，導(dǎo)致排水板淤積，細顆粒向排水板遷移，在其周圍堆積形成滲透性差的土柱，降低了排水率，影響排水固結(jié)效率。近年來，排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合方法因成本低、環(huán)保、效果好被廣泛使用。本文通過現(xiàn)場對比實驗，建立了MIDAS有限元模擬排水固結(jié)-預(yù)壓PVD（預(yù)制豎向排水板）和PHD（預(yù)制水平排水板）的預(yù)壓，通過垂直沉降、水平位移和孔隙水壓力方面的數(shù)據(jù)進行對比實驗。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

某市政路基新會城至崖門段一期工程位于我國南部地區(qū)。地基處理總面積分為13個處理區(qū)，其中1、3、6～10區(qū)的地基處理方法為排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合方法。

本文選擇區(qū)域1作為研究對象進行模擬分析，其中軟土地基處理面積為48m×106.9m。該區(qū)域的軟土具有“三高一低”的特點，即高含水率、高孔隙率、高敏感性、低強度，因此工程性能差，需要進行軟土地基處理。

1.2" "軟土地基處理方法

根據(jù)施工設(shè)計圖紙的要求，先進行前期準備工作，如平整場地，開挖排水溝。然后鋪設(shè)砂墊層，再進行排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合的施工。地基處理深度約為13m，塑料排水板的埋設(shè)深度為12m，分別埋設(shè)PVD和PHD。塑料排水板完成后，鋪設(shè)上部砂墊，開始真空預(yù)壓。

經(jīng)過10d的真空抽氣，膜下的真空壓力可以維持在85kPa。后期真空預(yù)壓法的加固效果逐漸減弱時，進行堆積預(yù)壓，累計加載量為3級。通過對沉降觀測數(shù)據(jù)的分析，在沉降滿足設(shè)計要求后，可以停止真空預(yù)壓。

2" "相關(guān)理論基礎(chǔ)

2.1" "固結(jié)理論

1925年，德扎格在對土體的固結(jié)性質(zhì)進行分析時，首次提出并推導(dǎo)了一維固結(jié)的數(shù)學模型，為傳統(tǒng)土體的固結(jié)提供了依據(jù)?；诖死碚?，Biot于1943年建立了三維固結(jié)模型，將土壤固結(jié)問題看作是土壤中的一個等效應(yīng)力的轉(zhuǎn)換。在此基礎(chǔ)上，建立了土體的物理、幾何及連續(xù)方程，分析了土體的力學性質(zhì)。最后用達西定律及邊值問題求解了土體的固結(jié)問題[1]。

在排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合方法中，由于排水板的存在，加固地基的排水固結(jié)是一個三維問題。但由于排水板密集布置在市政路基軟土中，可以假設(shè)排水板在縱向上連接成一個平面，然后簡化為一個平面應(yīng)變問題進行處理。因此，Biot固結(jié)方程可以簡化為：

式中：G為土壤剪切模量；v為泊松比；u為孔隙水壓力；K為滲透系數(shù)，假設(shè)土壤中的滲透系數(shù)在各個方向上都相同；γw和γ分別為水的重力和土壤的重力。

在平面應(yīng)變條件下，方程中的拉普拉斯算子和體積應(yīng)變表示如下：

2.2" "排水板等效原理

2.2.1" "等效直徑公式

排水板的作用是排出和傳遞真空負壓，但塑料排水板在有限元平面計算模型中無法模擬，因此將排水板轉(zhuǎn)換為砂墻進行處理[2]。排水板相當于砂井，具有相同的排水能力，并且砂井的直徑可以設(shè)置為排水板的等效直徑。Hansbo于1979年首次提出塑料排水板的等效直徑公式可以表示為：

式中：dw為排水板的等效直徑；a和b分別為塑料排水板的寬度值和厚度值；α為轉(zhuǎn)換系數(shù)，通常為0.75～1.0。

2.2.2" "模型簡化

針對砂井固結(jié)問題常采用三維空間模型進行計算。然而，由于三維有限元分析本身工作量大，再加上密集的砂井，網(wǎng)格單元大大增加，故采用二維平面有限元分析可以大大減少計算量。因此，在將塑料排水板轉(zhuǎn)化為砂井的基礎(chǔ)上，將砂井轉(zhuǎn)化為砂墻，將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題，以簡化計算。轉(zhuǎn)換后的砂墻滲透系數(shù)與砂井滲透系數(shù)的關(guān)系如下：

式中：kxa和kza分別為砂井基礎(chǔ)的水平和垂直實際滲透系數(shù)，Dx和Dz分別為水平和垂直滲透系數(shù)調(diào)整系數(shù)。

3" "MIDAS有限元建立

3.1" "建立有限元模型

本文采用MIDAS有限元軟件，建立排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合計算模型。模型的鋼筋寬度為20m。真空預(yù)壓會影響排水板底部下方和加固區(qū)域外部的土壤，計算模型的寬度和高度設(shè)為80mm和20m，排水板尺寸設(shè)為4.5mm×100mm，埋深為12m。根據(jù)土層和排水板的基本參數(shù)，可以得到模型和網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖1所示。

3.2" "數(shù)值模擬分析

先對PVD和PHD排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合進行數(shù)值模擬分析。排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合中的荷載，主要是土壤自重、排水體中的真空負壓和作用在加固區(qū)土壤表面的堆載壓力[3]。

在初始應(yīng)力階段，激活所有土層（包括沙墊）、排水板、地基邊界約束和質(zhì)量。在定義構(gòu)造中，將位移檢查為零，并將初始應(yīng)力階段的位移設(shè)置為初始值。

在真空預(yù)載階段，激活墊子排水條件和排水板排水條件。真空負載設(shè)定為負節(jié)點壓力頭，持續(xù)時間為30d。在真空聯(lián)合堆載階段，激活堆載土及其不固結(jié)條件，進行分級堆載。每個階段的附加預(yù)壓持續(xù)10d，在最后階段的附加預(yù)壓結(jié)束后，應(yīng)一直保持到固結(jié)效果明顯較弱為止。

4" "結(jié)果與分析

4.1" "豎向沉降位移計算與分析

4.1.1" "垂直沉降計算云圖

有限元垂直沉降計算云圖如圖2所示。從圖2可以看出，無論是采用PVD還是PHD，土層的沉降變形從上到下都是凹陷的。隨著深度的增加，土壤的沉降量在減少，沉降趨于平緩。

排水板底部的土壤沉降輪廓線類似于一條直線，沉降主要發(fā)生在加固區(qū)范圍內(nèi)。在影響區(qū)外有一定程度的變化，其主要是因為加固區(qū)的市政路基土在排水固結(jié)-預(yù)壓的作用下向影響區(qū)移動[4]。

4.1.2" "沉降與深度關(guān)系分析

深度與最終沉降之間的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可看出，地表的土體沉降量最大，PVD的土體最大沉降量小于PHD。兩種排水板的最大沉降量分別為0.692m和0.742m。

分析認為，采用PHD時，土體的固結(jié)方向與真空吸力的方向一致，即主要造成垂直沉降。隨著固結(jié)的進展，相鄰PHD之間的距離逐漸縮短，排水距離減少，可以有效縮短固結(jié)時間，提高土壤加固效果。

4.1.3" "沉降與時間關(guān)系分析

通過分析預(yù)壓區(qū)的地表中心點，獲得地表沉降與時間在中心點上的變化曲線。地表中心沉降與時間關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4可以看出，采用真空預(yù)壓法后，2種排水管道都出現(xiàn)了較快的沉降，其沉降量為60%左右。地面沉陷在預(yù)壓階段基本成直線，但隨著預(yù)壓時間的延長，沉陷速度逐漸減緩。

在荷載作用的初始階段，沉降量顯著增大，隨后逐漸減小。在30d內(nèi)，沉降量僅為3%。這是由于在荷載作用下，市政道路地基上的過量孔隙水迅速排出，使土體中的孔隙水壓力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力，從而使土體中的孔隙減小。在后期，由于細粒物質(zhì)易阻塞排水板的過濾薄膜，并不斷積聚，使排水板周圍產(chǎn)生“土柱”，從而使排水效果降低，并使后期沉降變得遲緩。

一般來說，使用PHD的地表沉降量要比使用PVD的地表沉降量大。這是因為在使用PVD固結(jié)的過程中，由于土體的初始應(yīng)力和板塊的壓縮彎曲，排水板出現(xiàn)嚴重變形，并向一側(cè)明顯彎曲。

隨著PVD之間的距離越來越遠，排水路徑被拉長，固結(jié)排水更加困難。在用PHD固結(jié)的過程中，排水板可以隨市政路基土體均勻下移，排水板幾乎沒有彎曲變形，使真空傳遞更加均勻有效。

4.1.4" "排水板位移分析

圖5為排水板的位移矢量圖。從圖5中可以看出，排水板的變形量隨著深度的增加而逐漸減小，且PHD的最大位移差為50mm，PVD的最大位移差為80mm，即水平排水板的變形小于垂直排水板。

4.2" "水平位移計算與分析

4.2.1" "水平位移分析

水平位移云圖如圖6所示。從圖6中可以看出，在排水固結(jié)-預(yù)壓過程中，最大的正負水平位移出現(xiàn)在第一層和第二層土之間，影響范圍大于沉降區(qū)的影響范圍。采用PHD的排水固結(jié)-預(yù)壓最大水平位移大于采用PVD的最大水平位移，分別為96.8mm、93.8mm，兩者相差3mm。

4.2.2" "水平位移與時間關(guān)系

當埋深為6m時，對受力區(qū)與加固區(qū)交界處土體的水平位移進行分析。水平位移與時間的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7可以看出，在真空加載過程中，受影響區(qū)的土體被擠壓到加固區(qū)（水平位移表示為負值），而在附加物預(yù)加載過程中，產(chǎn)生了土體從加固區(qū)向受影響區(qū)擠壓的趨勢（水平位移表示為正值）。在真空預(yù)壓初期，加固區(qū)方向的水平位移呈線性快速增加，達到最大負值后逐漸放緩。

分析認為，由于開始抽真空，薄膜中的真空度迅速增加，真空吸力使影響區(qū)的土壤向加固區(qū)移動。然后，隨著孔隙水的排出，上層土的有效應(yīng)力增加，上層土對下層土施加壓力，導(dǎo)致水平位移逐漸減小。隨著附加預(yù)壓的增加，土體在真空壓力下的側(cè)向收縮變形進一步減慢，逐漸產(chǎn)生側(cè)向膨脹變形，土體從加固區(qū)向影響區(qū)移動。

4.3" "孔隙水壓力的計算和分析

孔隙水壓力與時間的關(guān)系曲線如圖8所示。從圖8可以看出，在真空預(yù)壓初期，孔隙水壓力迅速消散，然后在真空負壓的作用下逐漸減慢，但仍保持消散的趨勢。當附加預(yù)壓開始時，每一級預(yù)壓都會使孔隙壓力突然增加，然后緩緩消散。在附加預(yù)壓結(jié)束后，孔隙壓力仍然緩慢消散，直到達到約-85kPa，然后趨于平緩。

同時，有PHD的土層孔隙水壓力消散速度比有PVD的快，孔隙壓力值在最后階段達到吻合。這是因為PHD的彎曲變形小，排水效果好。在固結(jié)過程中，PHD的間距逐漸減小，排水路徑縮短，排水效率較高，所以孔隙壓力消散較快。在最后階段，由于模型的節(jié)點水頭值所設(shè)定的真空負壓是相同的，所以最后兩者的孔隙水壓力是一致的。

5" "結(jié)束語

真空預(yù)壓法是一種市政路基疏浚污泥處理方法，可以有效解決傳統(tǒng)真空預(yù)壓固結(jié)應(yīng)力受限、真空度沿深度衰減、深層土的加固效果不理想、不均勻沉降等問題，但同時存在排水板容易淤積、排水板周圍形成土柱等問題，進而導(dǎo)致不均勻沉降。

本文基于新會城至崖門段一期工程，利用MIDAS有限元軟件建立排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合計算模型。在PVD和PHD在排水固結(jié)-預(yù)壓聯(lián)合作用下，對局部淤泥等市政路基軟土的加固效果進行了對比分析，研究結(jié)果表明：PHD的固結(jié)效果要好于PVD。

參考文獻

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（廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院，廣西南寧" "530007）