真空联合堆载预压软土路基加固与有限元分析.pdf

第 51 卷 2023 年 第 2 期广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTUREVol.51 No.2，2023真空联合堆载预压软土路基加固与有限元分析真空联合堆载预压软土路基加固与有限元分析汪大庆1，廖淼1，郑建南1，郝朝伟1，柯梁颖1，樊立韬2，袁炳祥2（1.中国建筑第四工程局有限公司，广州 510280）（2.广东工业大学土木与交通工程学院，广州 510006）摘摘要要：软土土层在我国分布非常广泛，由于淤泥等软土的承载特性非常低，可压缩性很高，因此往往需要对软土地基进行加固处理方可进行工程项目的修建，而真空联合堆载预压以其软基处理的优势而得到了广泛的应用。本文基于实际工程的现场试验资料以及施工方法，通过 MIDAS 有限元软件建立了真空联合堆载预压计算模型，对比分析了有限元模拟与现场监测值在真空联合堆载预压下对当地淤泥等软土的加固效果。结果表明：软土地基表层土体沉降有限元计算值要大于现场实测值，且随着真空预压的进行以及堆载的增加，地表沉降在逐渐增大。两者拟合曲线整体上比较相近且趋势较为一致，为今后的实际工程提供合理的设计指导。关键词关键词：固结；软基处理；真空联合堆载预压；施工技术；有限元分析中图分类号中图分类号：TU447文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1671-2439(2023)02-092-04作者简介作者简介：汪大庆（1978），男，本科，高级工程师，主要从事软基处理方面研究工作，E-mail：ReinforcementandFiniteElementAnalysisofVacuumCombinedSurchargePreloadingSoftSoilSubgradeWANG Da-qing1，LIAO Miao1，ZHENG Jian-nan1，HAO Chao-wei1，KE Liang-ying1，FAN Li-tao2，YUAN Bing-xiang2（1.China Construction Fourth Engineering Bureau Limited,Guangzhou 510280)（2.School of Civil and Transportation Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006)Abstract：SoftsoillayeriswidelydistributedinChina.Becausethebearingcharacteristicsofsoftsoilsuchassiltareverylowandthecompressibilityisveryhigh,itisoftennecessarytoreinforcethesoftsoilfoundationtocarryouttheconstructionofengineeringprojects.Vacuumcombinedsurchargepreloading has been widely used because of its advantages of soft foundation treatment.Based on the field test data and construction methods ofpracticalengineering,thispaperestablishesthecalculationmodelofvacuumcombinedsurchargepreloadingbyMIDASfiniteelementsoftware.Thereinforcement effect of finite element simulation and field monitoring values on soft soil such as local silt under vacuum combined surchargepreloading is compared and analyzed.The results show that the finite element calculation value of surface soil settlement of soft soil foundation islarger than the field measured value.With the increase of vacuum preloading and surcharge load,the surface settlement is gradually increasing.Thefittingcurvesofthetwoaregenerallysimilarandthetrendisconsistent,whichprovidesreasonabledesignguidanceforfuturepracticalprojects.Keywords:consolidation;softfoundationtreatment;vacuumcombinedsurchargepreloading;constructiontechnology;finiteelementanalysis0 引言引言真空-堆载联合预压法是一种经济有效的软基处理方法，在大面积软基处理中得到了广泛应用，其地基处理优势非常明显。早在 80 年代，我国大量学者就已经在探索将真空联合堆载预压法应用到实际工程之中，一航局科研所通过在探索试验解决工艺上关键问题，在大面积真空联合堆载现场试验取得了成功1，尚世佐2通过现场对比试验，得出真空联合堆载预压在固结效果与经济效益均为最佳。模型试验和有限元数值模拟的进一步发展3-5，真空-堆载联合预压法被大量应用到实际工程中。Xiao-qing Yuan6提出了逐步提升真空负压可以对软土进行更充分的固结，提高固结效率；Yitian Lu7通过改变了堆载压力和真空压力的加载速率研究了微型预制垂直排水单元的变形特性；李多贵等8通过真空联合堆载预压法的有限元计算模型，分析了排水板长度差异对真空联合堆载预压的效果；金小荣9介绍了真空联合堆载预压法过程中防止承压水基金项目基金项目：国家自然科学基金国家自然科学基金（No.51978177,52278336）,广东省杰出青年基金广东省杰出青年基金（2023B1515020061）-92-92-汪大庆等：真空联合堆载预压软土路基加固与有限元分析贯通的施工工艺，并对冲填土地基在内部注气从而施加侧向压力，对提高土体固结度有明显作用10-11；曹风风等12探究了真空联合堆载预压预处理软弱土层与桩基础的沉降量的关系。本文通过采用Biot固结理论对构建真空联合堆载预压模型的数值模拟，使用有限元计算,并与现场的实践情况进行了比较分析，探讨了真空联合堆载预压模型在处理软土地基问题的效果与应用条件。1 工程概况及软基处理方案工程概况及软基处理方案1.1 工程概况工程概况本次工程位于广佛江快速通道新会会城至崖门段工程（一标段）A1 施工段，本路段勘察路段为K05+321 K23+650。本文所选区域总软基处理面积为 5131.3 m2，平均处置宽度为 47.3 m，采用的软基处理方法为塑料排水板+真空联合堆载预压法，如图 1 所示。图图 1 工程鸟瞰图工程鸟瞰图通过目前已进行的大量勘探钻孔和调绘资料可得，本工程区域位于珠江三角洲冲积平原，表 1 为土层基本物理性质。表表 1 土层计算参数土层计算参数参数砂垫层素填土淤泥粉质黏土中砂厚度 h(m)1.01.09.08.05.0重度(kN/m3)18.717.016.619.420.4泊松比0.380.370.30.320.35初始孔隙比 e00.60.651.60.80.6压缩模量Es(kPa)1200035902480327015000粘聚力c(kPa)20128100内摩擦角1594835渗透系数k(m/s)1.3510-33.7510-61.5510-97.5510-86.2610-51.2 真空真空-堆载联合预压施工方案堆载联合预压施工方案考虑到本项目软土分布广泛的特点，对第 1 区采用“塑料排水板+真空联合堆载预压”的软基处理方式，图 2 为软基处理剖面示意图。施工方案共设置八个步骤，分别为：施工前的现场准备工作、摊铺砂垫、打设塑料排水板、布置监测点、铺设滤水管和真空膜、安装真空泵、进行真空预压、进行堆载预压。图图 2 软基处理剖面示意图软基处理剖面示意图2 MIDAS 有限元模拟有限元模拟2.1 工程概况工程概况真空联合堆载预压固结问题实际上是一个三维固结问题，但由于塑料排水板的存在，其三维有限元分析的计算成本过高，同时较多学者能通过二维有限元模型的计算也得到了较好的计算结果，因此本文选用 MIDAS.GTS 有限元数值软件对真空联合堆载预压进行二维平面应变有限元分析13,14。本文取计算模型宽度为 80 m，高度为 20 m，如图 3 所示。排水板尺寸为 4.5 mm100 mm，埋设深度为17 m。根据土层厚度、堆载高度、排水板深度以及间距进行几何画图，然后对几何图形进行网格划分，如图 3 所示。本文选用的是 Mohr-Coulomb 本构模型，根据表 1 土层基本物理参数赋予对应的属性。图图 3 真空联合堆载预压有限元模型真空联合堆载预压有限元模型2.2 排水板等效计算排水板等效计算根据平面应变等效原则，将塑料排水板转化为砂井，再将轴对称砂井地基转化为砂墙地基，这样便可以采用二维有限元模型进行计算15。首先，将排水板的截面尺寸转化为砂井的当量直径，也即排水板的等效直径 dw。-93-93-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期2wabd(1)式中，a、b 为排水板截面的宽度和厚度；为转换系数，一般可取 0.751.0。然后为了把三维砂井问题转换为二维平面问题，将砂井等效为砂墙，推出转换后砂墙的等效计算公式。xpxrakD k(2)zpzzakD k(3)式中：kxp，kzp分别为砂墙的水平和竖向渗透系数；kra，kza分别为砂井的水平和竖向渗透系数；Dx，Dz分别为水平和竖向渗透系数调整系数。根据以上公式，从而得到排水板的等效直径以及等效渗透系数，排水板参数如表 2 所示。表表 2 排水板等效参数排水板等效参数参数取值弹性模量 Es(kPa)8000间距(m)1.0泊松比0.25等效直径 dw(m)0.06渗透系数 k(m/s)5.810-6水平渗透系数的调整系数 Dx1.05竖向渗透系数的调整系数 Dz0.83调整后的水平渗透系数 kx(m/s)6.110-6调整后的竖向渗透系数 kz(m/s)4.810-62.3 定义施工阶段定义施工阶段在 MIDAS 中施加真空负压是通过改变节点水头来实现的，考虑到井阻效应的影响，随着深度的增加，排水板内的真空负压会逐渐减少，沿程损失为 3 kPa/m，如图 4 所示。图图 4 真空荷载随深度的变化曲线真空荷载随深度的变化曲线施工过程是由对相应的单元的激活与钝化来实现，真空联合堆载预压法共设置四个施工阶段，分别为：初始应力分析阶段、真空预压阶段、真空联合堆载预压阶段、静置阶段。3 软基沉降结果软基沉降结果图 5 为真空联合堆载预压下各个阶段沉降计算云图。由图可知，无论哪个阶段，土层从上往下沉降变形是呈下凹形，而且随着真空联合堆载预压阶段的进行，下凹的趋势越来越明显，这是由于在真空阶段时，位于加固区相同深度土体都设置了相同的负压节点水头作为真空负压，此时可以发现在加固区中相同深度的土体沉降较为一致。（a a）真空预压阶段真空预压阶段（b b）堆载堆载 1 1（c c）堆载堆载 2 2（d d）堆载堆载 3 3（e e）静置静置图图 5 每个阶段沉降计算云图每个阶段沉降计算云图对预压区地表中心点进行分析，得到中心点地表沉降-时间关系曲线（图 6）。如图可得，无论是模拟值还是实测值均在真空预压的作用下发生较大的沉降，占总沉降的 50%以上，每当进行一级堆载预压时，沉降一开始有明显的增大，随后逐渐减缓。最后静置 80 天的阶段，该阶段两者的沉降量仅占总沉降的 12%，最后一个月的沉降模拟值、实测值分-94-94-汪大庆等：真空联合堆载预压软土路基加固与有限元分析别仅占总沉降的 1%和 3%。这是由于开始加载时，超静孔隙水排出的速率较快，孔隙水压力转化为有效应力，土体中孔隙受压减少，沉降较快；而后期细颗粒容易堵塞在排水板滤膜并不断聚集，在排水板附近形成“土柱”现象，且土中的孔隙已经较少，排水通道减少，从而导致后期排水效率下降，沉降减缓。图图 6 地表中心沉降与时间关系曲线地表中心沉降与时间关系曲线4 结论结论本文基于广佛江快速通道的现场地勘报告、施工方案等资料进行分析，通过迈达斯有限元软件，建立了真空联合堆载预压计算模型，通过对比分析得到了以下结论：（1）软土地基表层土体沉降有限元计算值要大于现场实测值，拟合曲线整体上比较相近且趋势较为一致。（2）真空联合堆载预压下竖向沉降最大值位于加固区地表中心处，土层从上往下沉降变形是呈下凹形，而且随着真空联合堆载预压阶段的进行，下凹的趋势越来越明显。（3）随着深度的增大，土体的沉降量变化是呈递减态势的，且沉降趋于平缓，深层土层的排水固结效果较差。加固区土体在真空联合堆载作用下发生了向影响区的移动。（4）每当进行一级堆载预压时，沉降一开始有明显的增大，随后逐渐减缓，且每级堆载所引起的沉降量是逐渐减少的。参考文献参考文献1 Lu Y,Chai J,Ding W.Predicting deformation of PVDimproved deposit under vacuum and surcharge loadsJ.Geotextiles and Geomembranes,2020,48(1):32-40.2 张世民,潘唯怿,王庆,等.真空-堆载联合预压试验的沉降规律研究J.地下空间与工程学报,2018,14(S1):73-76.3 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