動力排水固結法加固軟土路基孔隙水壓力長消規律數值分析

薛 茹，李廣慧

(鄭州航空工業管理學院 土木建筑工程學院，鄭州 450015)

動力排水固結法加固軟土路基孔隙水壓力長消規律數值分析

薛 茹，李廣慧

(鄭州航空工業管理學院 土木建筑工程學院，鄭州 450015)

采用FLAC3D軟件對動力排水固結過程進行數值模擬，對動力排水固結法加固軟土路基時土中孔隙水壓力的變化做了分析，以探求孔隙水壓力的長消規律，為動力排水固結法加固機理及施工方法提供理論根據。

動力排水固結法 軟土地基處理 孔隙水壓力 數值模擬

隨著工程建設規模和復雜程度的不斷加大，巖土工程所面臨的荷載、巖土性質、邊界條件等也愈加復雜，許多工程問題離開大型數值模擬軟件和電子計算機便無法進行理論分析［1］。動力排水固結法處理淤泥、淤泥質軟土時能否取得預期的加固效果，關鍵取決于土中孔隙水壓力能否迅速消散，孔隙水能否盡快排出［2］。亦即，動荷載作用下孔隙水壓力的發展變化是土體變形和強度變化的根本因素［3］。

FLAC3D特別適合于模擬巖土材料達到屈服極限后產生塑性流動狀態的力學行為［4］。本文以珠江三角洲某高速公路試驗路段為例，采用 FLAC3D軟件，綜合考慮地基及施工條件后進行了動力排水固結法的數值模擬。研究動力排水固結法施工時軟土中孔隙水壓力的變化規律，為動力排水固結法加固機理的研究提供一定的理論依據。

1 工程概況及計算方案

1.1 工程概況

為了研究動力排水固結法加固軟土路基的數值方法，我們選取珠江三角洲某高速公路為研究對象。該場地地處珠江入?？冢孛仓饕獙俚颓鹆甑貛?。沿線主要為海河沖積平原，地勢開闊低平。上覆土層軟弱，軟土發育，厚度大。在路基填土及持續的交通載荷作用下，很可能會因為軟土強度不足造成地基破壞，或者由于軟土固結沉降緩慢引起較大的工后沉降而造成路面結構的破壞［5］，不能滿足道路對地基的要求，因此采用動力排水固結法對軟土進行處理。

1.2 計算方案

計算中夯錘質量取16 t，夯錘直徑取2 m，夯錘接觸地面瞬間的速度為11.2 m/s。計算時考慮夯一擊，垂直落距為6.37 m，模擬總時間0.16 s。為了研究袋裝砂井的排水固結作用，按不加砂井及加砂井兩種情況來計算，但不考慮砂井強度對地基強度的影響。

2 計算模型及參數選取

2.1 基本假定

影響動力排水加固效果的因素很多，用數值模擬方法分析所有的確定或不確定因素既不可能也無必要，我們所研究問題的重點是了解夯擊過程中孔隙水壓力的變化規律，因此在數值模擬分析中作如下假設：

1)地面以下土體為水平層狀，每層土視為均值、各向同性。

2)夯錘施加的荷載在接觸面上均勻分布。

3)夯錘為短圓柱狀，故可視為軸對稱動力問題。

2.2 計算范圍及網格劃分

為消除邊界效應的影響，參考實際工程的現場監測資料，確定以夯錘中軸線為中心，向兩邊各取15 m，深度取18 m為數值模擬的計算范圍。砂井長12 m，直徑10 cm，按間距2 m布置。

劃分計算區域網格時，依照模型的空間網格尺寸應該小于輸入波長的1/8到1/10，同時考慮縮短計算運行時間的原則，取夯錘中軸線左右各3 m范圍內的基本網格為0.5 m×1.0 m×1.0 m，其余部分網格調整為1.0 m×1.0 m×1.25 m。采用右手螺旋坐標系，規定原點在夯錘底面圓心處，x軸向右為正，z軸向上為正。在砂墊層及淤泥之間設置界面單元連接。

2.3 邊界條件及模型計算參數

模型的左邊界、右邊界為位移約束邊界，約束水平方向的位移;模型的底面也為約束邊界，同時約束垂直與水平方向的位移。對于流體邊界，左右邊界為透水邊界，底面為不透水邊界。數值模擬的主要參數見表1。

表1 主要計算參數

3 計算結果及分析

3.1 砂井對土體固結的作用

圖1給出了夯擊后0.1 s時加設砂井與不加設砂井兩種情況下的孔隙水壓力等值線。由圖1可以看出，加設有砂井的土體中孔隙水壓力分布圖被砂井分割成幾個部分，而不加設砂井的分布圖中，孔隙水壓力的升高區域為一個整體，而且升高幅值大于加設砂井的情況。由此可見，砂井的存在既改變了土中孔隙水壓力的分布，又改善了孔隙水的排水路徑，這對加快軟土地基固結速率起到了十分重要的作用。

圖1 0.1 s時孔隙水壓力等值線

3.2 孔隙水壓力的變化情況

圖2給出了0.02 s及0.10 s時不同深度、不同水平距處土體的超孔隙水壓力變化曲線。可以看出，孔隙水壓力峰值首先在淺部(0.02 s時在深度2.5～3.0 m處)出現，然后向深處發展(0.1 s時在深度6.5～7.0 m處)。砂井中以及淺部土體由于排水路徑暢通，超孔隙水壓力增加較小，且孔隙水壓力消散也快。而在淤泥中超孔隙水壓力峰值則大得多。隨著時間的延長，超孔隙水壓力峰值向深處發展且峰值逐漸減小，反映了應力波在土體中由淺部逐漸傳入深處，使得土體固結度逐漸增強。

圖2 0.02 s及0.10 s時孔隙水壓力隨深度變化曲線

4 結論

1)用FLAC3D模擬動力排水固結過程，計算過程中不需要加入其它人為已知量，計算簡單可靠，可用于動力排水固結法加固機理及施工技術研究。

2)軟土中由于土顆粒表面水結膜的黏滯作用，使得孔隙中水的排出受到阻礙。砂井的打設很好地改善了土體的排水性能，這對動力排水固結法的加固效果是非常有利的。

3)在動力荷載作用下，土體中各點孔隙水壓力隨沖擊力的作用，表現為一個脈沖響應過程，在夯錘與土體初始接觸階段，孔隙水壓力急劇升高，且升高的峰值較大。隨著時間的延續，孔隙水壓力的峰值點也隨之向深處發展，且有逐漸減小的趨勢。在深度較深和水平距較大處，孔隙水壓力增幅較小，夯擊能逐步消散，土體基本不受夯擊作用影響。

［1］丁振州，鄭穎人.強夯法加固飽和軟黏土地基數值模擬［J］.地下空間，2002，22(2)：137-141.

［2］鄭穎人，陸新，李學志，等.強夯加固軟黏土地基的理論與工藝研究［J］.巖土工程學報，2000，22(1)：18-22.

［3］趙維柄，施健勇.軟土固結與流變［M］.南京：河海大學出版社，1996.

［4］劉波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［5］陳寶，馬傳明.珠江三角洲地區高速公路軟基路堤工后沉降分析［J］.西部探礦工程，2003，15(6)：154-156.

TU472

B

1003-1995(2011)03-0085-03

2010-09-01;

2010-12-31

2010年河南省科技攻關項目(102102210372)

薛茹(1965— )，女，河南焦作人，教授，工學博士。

(責任審編 葛全紅)