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真空联合堆载预压在滨海吹填土区域的应用分析

2020-11-24 403 上传者：管理员

摘要：滨海吹填土区域的土质多为淤泥质土或软黏土，土体含水量高，压缩性大，在原始土层上无法进行工程建设。真空联合堆载预压是一种在软黏土区域常用的地基处理方法，抽真空的过程可以加速排水促进孔隙水压力消散，后期堆载可产生更大的有效应力，相比于其他处理方法具有更加高效的优势。文章在前人研究的基础之上，结合具体工程，进一步对真空联合堆载预压法的特点进行研究，采用有限元的方法，通过直接模拟以及等效真空荷载法两种方法进行建模并作对比研究。结果表明，采用等效真空荷载的计算方法和直接计算的方法最终沉降量差异不大，但真空荷载法相比于纯堆载法影响区深度更大，范围更广，周边的隆起区域也更小。

关键词：
有限元分析
沉降计算
真空荷载法
真空预压
纯堆载法
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随着城市规模的不断扩大，城市对土地资源的需求也日益提升，而在我国部分沿海地区，充斥着诸多软土甚至滩涂地基，这给城市土地的开发带来了重大挑战。目前，常用的地基处理方法包括换填法、压实法、挤密法、排水法、固化法、加筋法等。而在对于含水量高的滨海软黏土地基，最常用的处理方法是堆载预压法，即在原始地基上施加外荷载，使土层中产生超静孔隙水压力，并逐步消散增加有效应力从而促使土体产生压缩固结。而真空预压可通过抽真空的方式加速孔隙水压力的释放，这两种处理方式的结合极大缩短了地基固结所需的时间，效果显著，且具有无噪声、施工工艺简单的优势。

张崇旗等[1]监测了某码头地基处理工程，发现加固区在30天后孔隙水压力达到稳定，超静孔隙水压力受真空荷载的影响，真空荷载随深度衰减且与土层性质相关。邓岳保等[2]研究了真空堆载预压过程中温度对土体固结过程的影响，当土体温度达到40℃时，最终沉降量及径向固结系数均大幅度提升，并从土的温度效应及真空汽化等方面进行了理论分析。张力等[3]运用有限元数值模拟的方法，对某实际工程进行了沉降特性分析，分析了不同的排水板特性对地基沉降的影响。林澍等[4]通过有限元分析对水下真空预压进行了研究，结合渗流及固结理论提出了考虑上覆水情况下地基沉降的计算方法。王征亮等[5]研究了上覆硬壳层下卧深厚软土地基区域的真空预压，监测了各层沉降及孔隙水压力，运用原位检测技术测试了加固前后的物理力学性质，验证了真空堆载预压在该种特殊地基下的处理效果。任延寿等[6]依托实际工程，采用数值模拟的方法，分析了真空堆载预压对周围环境的影响，发现水泥搅拌桩密封墙可减小周边建筑物的竖向及侧向位移。

1、工程概况

工程位于台州湾滩东部，周围场地大部分区域为原始滩涂，拟建项目为市政道路。

1.1水文地质

拟建场地的地下水主要为第四系松散岩类空隙潜水，赋存于第四系全新统海积层中；除表层填土为强透水层外，其它土层均为弱透水层。空隙潜水地下水动态变化主要受大气降水影响及地表水入渗补给。年平均变化幅度在1.50m～2.00m。勘察期间场地地下水稳定水位埋深为0.00～5.10m。

1.2工程地质

勘察区所在地地震活动频率低、幅度小，抗震设防烈度为6度，场地内无影响工程建设的不良地质作用。根据钻探揭露，结合室内土工试验成果，主要压缩层包括三层，各地层参数见表1（为方便后续有限元数值模拟，在不影响分析效果的前提下，已对地层做简化）。

1.3处理方法概述

图1处理设计图

表1土层参数表

采用真空预压联合堆载处理，石渣堆载至设计路面标高+80cm。底层填筑60cm厚的砂垫层，塑料排水板采用C型塑料排水板，排水板间距0.8m，正方形布置，加固范围主要为吹填土和下层软土，处理深度为20m；增压管置于排水板所围成的正方形中心位置，总长度为3.5m。真空联合堆载预压时间为6个月，真空联合堆载预压及工程前期准备总工期约9个月。

2、有限元模型介绍

2.1模型建立方法

所用软件为麦达斯公司的GTSNX，模型共3515个节点，3430个单元，土体部分均采用摩尔库伦本构，土体参数见第1小节。模型中，上覆堆土层使用均布荷载进行模拟，排水板采用植入式桁架，在砂垫层与第一层土层及排水板中添加排水条件，加固区表面添加负节点水头模拟抽真空的过程。模型整体添加边界约束及自重荷载，水位线位于砂垫层下方。网格划分见图2。

图2模型网格划分图

2.2排水板的等效计算

目前在实际工程中，含排水板的地基固结多采用近似等效计算，而等效计算的方法也不一而足。Barron[7]研究了圆形砂井的固结规律；Lekha[8]推导了在土体渗透系数及压缩模量变化条件下的一维非线性固结方程；黄朝煊[9]等将排水板等效成椭圆柱体进行计算。

本文把排水板等效为砂井进行计算，有如下假定[10]:(1)地基中仅有竖直变形,且同一深度上任一点变形相等；(2)水平向和竖直向渗流可单独考虑；(3)竖墙内任一深度沿水平向孔压相等,竖墙周围流入竖墙的水量等于竖墙中向上水流的增量；(4)竖墙除渗透系数与土体不同外，其他物理力学性质与土体相同。

其中，dw为等效砂井直径，mm;de为等效砂井影响直径，mm;b为排水板宽度，mm；δ为排水板厚度,mm;a为换算系数；l为排水板间距,mm;n为等效砂井井径比,Bw为等效砂墙厚度，mm;B为等效砂墙间距。

同时，考虑地基水平变形及砂井的涂抹作用，砂墙渗透系数按照下式[11]计算：

ka为砂井地基渗透系数，D为调整系数。

本文各项计算参数如表2所示。

等效计算参数表表2

2.3施工阶段划分

将模型划分为三个施工阶段，第一阶段为自然固结阶段，为处理前阶段，进行位移清零操作。第二阶段为抽真空阶段，施加负节点水头，此阶段持续30天。第三阶段为堆载阶段，在加固区上方施加均布荷载，此阶段持续180天。

3、地基沉降变形

真空预压过程中，沉降主要包括三个部分：插设排水板期间引发的沉降、主固结沉降、次固结沉降。在真空预压设计过程中，最常采用的是一维固结理论，将真空压力等效成为堆载荷载，而不考虑负压的影响。这种等效与土体实际固结过程存在差异，而且也无法体现抽真空的过程方式对土体固结的影响。但在工程中，在最终沉降结果的计算上，可采用此方法近似计算。本文将分别采用两种方法进行沉降计算。

3.1考虑负压的沉降计算

当真空负压值为90kPa,堆载为80kPa时，最大沉降发生在堆载中心点，沉降量为35cm，在距离加强区中心点26m处开始发生隆起，最大隆起值为7.8cm，沉降云图如图3。

其他荷载条件下沉降云图如图4～图5。

3.2真空荷载等效计算方法

刘兵[10]通过有限元计算方法发现，堆载引起的地基竖向沉降要比抽真空所引起的地基竖向沉降大，若用瞬时堆载来等效，固结过程与真空荷载明显不一致，在施加堆载时会产生瞬时沉降。但采用等效堆载压力值，总沉降量与抽真空引起的沉降值相当。本小结将使用该种等效计算方法对最终沉降进行计算，将真空荷载缩小10%等效成为堆载。

图3沉降云图（80kPa)

图4沉降云图（30kPa)

图5沉降云图（100kPa)

在真空负压为90kPa,堆载80kPa的条件下，用等效荷载的模拟方法，其沉降云图如图6。

图6等效真空荷载变形云图

最大沉降量为31.6cm,较直接计算方法减少3.6cm,最大隆起值为5.7cm,较直接计算方法减少2.1cm。而发生隆起的起始位置也由距加强区26m减少到减少至20m，偏移了6m之多，发生该现象的原因主要由于加载方式的不同。通过抽真空的过程，导致排水体中的孔隙水压力降低，与周围土体产生孔压差，周围土体中的水经排水板被抽出，孔隙水压力降低，有效应力增加，从而连带周围大片土体产生沉降。而直接堆载的影响区则较小。从影响深度上来看，抽真空的方式引起的土体变形深度也更深，而且随着深度增加，影响区的宽度也逐渐减小，这是由于土体中的真空度随着土体深度也逐渐衰减。

4、结论

(1)真空联合堆载预压地基处理在滨海吹填土区域能够较大幅度压缩原始地基，处理效果较好，且相比其他处理方法周期更短；

(2)由于真空度随地基深度递减，地基变形影响区宽度也随地基深度递减；

(3)在计算最终沉降量时，可将真空荷载等效成当量的堆载，沉降量大致相同；

(4)将真空荷载转换为当量的堆载施加在底层上时，沉降影响区宽度减小，影响深度变浅。

参考文献：

[1]张崇旗,丁建文,万星,等.真空联合堆载预压加固长江漫滩相软基孔压测试分析[J].防灾减灾工程学报,2019,39(06):954-960.

[2]邓岳保,王天园,毛伟赟,等.真空预压联合加热技术模型试验及作用机理研究[J/OL].应用基础与工程科学学报:1-9[2020-04-23].

[3]张力,王琛,梁发云,等.真空-堆载联合预压吹填土路基沉降特性数值模拟[J].四川建筑科学研究,2019,45(06):36-42.

[4]林澍,闫澍旺,付登锋.考虑上覆水综合作用的水下真空预压沉降分析[J].岩土工程学报,2019,41(S1):241-244.

[5]王征亮,何洪涛.上覆硬壳层软土场地的真空预压加固试验研究[J].港工技术,2019,56(S1):132-137.

[6]任延寿,刘天韵,陈智军.真空预压法在某软基加固工程中对邻近地基的影响[J].中国港湾建设,2019,39(08):32-35.