塑料排水板加固軟土地基中涂抹與井阻效應的數值研究

于慶雯，童建國

(1.浙江天地環保工程有限公司，浙江 杭州 310009；2.浙江省電力設計院，浙江 杭州 310012)

1 概述

我國沿海地區廣泛分布著壓縮性高、強度低的深厚軟粘土。火電廠建設中的煤場工程、場地處理、海堤工程等，當地基存在深厚軟弱下臥層時，地基存在深層滑動穩定和沉降量大等一系列問題，故要對深厚軟基進行加固處理。由于塑料排水板具有強度高、排水效果好、施工便捷、較經濟等優點，目前常見的大面積軟土地基加固方法就是塑料排水板堆載預壓法。

塑料排水板堆載預壓加固方案的分級加載時間較長，在分級加載使用期內，要求地基排水固結的排水通道必須是有效的，才能保證在設計預期時間內達到設計荷載。在荷載作用下，土體變形較大，造成排水板變形；這就牽涉到塑料排水板排水性能的長期工作性能問題，將影響到分級加載的加載級數、加載時間長度、以及地基穩定性問題。

本文考慮塑料排水板長期工作狀態下，由于施工引起的涂抹效應和土體變形等引起的井阻效應，通過數值模擬分析，研究涂抹效應與井阻效應對塑料排水板性能和加固軟土地基效果的影響。

2 涂抹效應

涂抹效應是指在塑料排水板的施工過程中，排水板套筒對于排水板周圍的土體會產生一定的擾動，對排水板周圍有一定的涂抹作用。涂抹效應主要是通過涂抹區的范圍(即涂抹比s)和涂抹區的擾動程度(滲透比kh/ks)這兩個指標來反應的。

涂抹比s和滲透比kh/ks(kh是非擾動區土的滲透系數，ks是涂抹區土體的滲透系數)是描述涂抹區性狀的兩個重要指標，但這兩個參數難以直接測定，迄今為止尚未看到測定的結果。塑料排水板規程中確定涂抹因子中的涂抹比s和滲透比kh/ks，是借助于工程實踐經驗和實測結果反算來求得。

Bergado (1990)和Onoue (1991)基于室內試驗研究，認為非擾動區的土的水平向透水性是涂抹區的相應值的1.5～2倍，涂抹區內的值幾乎是均一的。Bergado et al.(1993)，Hansbo(1986，1997)和 Madhav et al.(1993)，綜合原位試驗，室內試驗以及模型試驗，認為該值在3～10的范圍內分布。

Miura(1993)指出，涂抹區的范圍與排水板施工機具動力的形式和導管大小形狀有關，涂抹比s的范圍約為1.5～4.0；如果施工過程中，導管較大，或者振動打入者，可取較大的值；導管較小，或者靜力壓入者，取較小的值。涂抹區擾動土的滲透性比值與地基土的結構與性質有關，對于高塑性(IP >30，IP為塑性指數)均質粘土，kh/ks=1.5～3.0；對于非均質含粉質粘土(IP <30)，kh/ks=3.0～5.0；對于非均質并具有明顯的粉土或細砂微層理結構的可塑性粘土，kh/ks=5.0～8.0。

Hansbo(1987)，Chai(1999)，Hird(2000)指出涂抹區對砂井的固結率有很重要的影響，涂抹區的直徑估計是2到3倍的套筒直徑。若沒有試驗段的數據，建議采用ds=3de。

3 井阻效應

確定合理的井阻因子的關鍵取決于豎向排水體在地基原位條件下的實際通水能力。Koemer和Miura等人根據工程原位測試和反分析結果認為：由室內試驗測定的排水體產品通水能力，通過儲運、施工中損傷和在地基原位條件下側壓力的作用使產品的芯帶及濾膜產生彈性及蠕變變形，物理、生物環境的變化，以及打入排水體壓縮彎折等的影響，會產生較明顯的衰減。因此，確定井阻因子時所用排水板通水能力不應是試驗測定的產品通水能力值，而是原位條件下的實際通水能力，稱之為實際通水能力。

Miura等人(1993)通過四座堤壩的反分析，排水板在地基原位條件的通水能力為初始值的1/10～1/3。根據我國12個工程實例反算的結果，排水板實際通水量相對為初始值的折減系數Fs=2.7～12.9。因此建議采用概率分布比較集中的中值，即Fs=4～6，并按其打入的深度和質量好壞分別取高值和低值。

4 算例分析

該算例場地陸域平地、海涂及潮下帶淺部地層主要由全新統海積軟土組成，中部地層主要為上更新統沖海積粘性土，下部地層為沖洪積、坡殘積粘性土混碎石，基巖為凝灰巖。地基處理采用塑料排水板堆載預壓法處理，排水板正方形布置，間距1.25m。按三級荷載逐步施加，分別為3m、3m、2m；設計加載計劃曲線見圖1，堆載時間間隔見表1。

圖1 堆載計劃曲線

表1 前一級荷載施加完畢到后一級荷載開始的時間間隔

4.1 計算模型

數值模型建立過程中，考慮到場地的對稱性，取場地地基的一半建立模型；計算寬度取120m，計算深度根據地質資料取45m，場地地基從上至下依次為淤泥質粉質粘土10m、淤泥質粉質粘土12m、粉質粘土10m和粉質粘土8m。地下水位按地表考慮。所建立的模型和網格劃分如圖2所示。

圖2 計算模型和網格劃分示意圖

計算按平面應變問題考慮，網格劃分采用十五結點三角形單元，地基左右兩邊在水平方向固定，底面在水平和豎直兩個方向均固定；地基在左邊和底面以及基礎部分不排水，其他邊界面可以自由排水。

4.2 計算參數

主要土層的物理力學性質見表2。排水板參數取值具體為：排水板等效直徑dw=0.10m(排水板尺寸150mm × 4.5mm)，排水板的等效影響直徑de=1.41m(間距1.25m，正方形布置)，排水板縱向通水量Q=100cm3/s。

表2 主要土層的物理力學參數

4.3 計算結果

針對不同的涂抹比，考慮涂抹比s=1(不考慮涂抹效應)，2，5，10，分別計算了場地堆載中心地表點A的沉降隨著時間的變化曲線和堆載坡趾處的側向變形曲線，計算結果分別見圖3和圖4。可以看出，在不同的涂抹比情況下，在加載的720天時間內某個時間點，滲透比s越小，相應的沉降越大。在720天的加載時候后，沉降時間曲線區別并不明顯。圖4中可知，在不同的涂抹比情況下，固結1年時間的坡趾處最大側向變形均發生在7.4m深度，相應的值分別為(cm)：38.6、45.9、48.8和52.3。以1.5年時的地表沉降來計算平均固結度，四種工況的計算結果分別為：91.5%、84.9%、82.6%和78.5%。

圖3 不同涂抹比的地表沉降隨時間變形曲線

圖4 固結1年時坡趾處不同深度的側向變形曲線

針對不同的涂抹區滲透比，考慮涂抹區滲透比分別取1(不考慮涂抹擾動)、2、5和10的情況，計算了場地堆載中心地表點A的沉降隨著時間的變化曲線和堆載坡趾處的側向變形曲線，結果分別見圖5、圖6。結果表明，滲透比越小，相對涂抹擾動的程度越小，則沉降發展越快。

圖5 不同滲透比的地表沉降隨時間變形曲線

在不同的滲透比情況下，固結1年時間的坡趾處最大側向變形均發生在7.4m深度，相應的值分別為(cm)：38.6、40.5、48.8和55.5。以1.5年時的地表沉降來計算平均固結度，四種工況的計算結果分別為：91.5%、88.4%、82.6%和75.5%。

圖6 固結1年時坡趾處不同深度的側向變形曲線

針對不同的排水板縱向通水量，考慮縱向通水量為100cm3/s(不考慮涂抹擾動)，60cm3/s，10cm3/s分別計算了場地堆載中心地表點A的沉降隨著時間的變化曲線和堆載坡趾處的側向變形曲線，計算結果分別見圖7、圖8。由圖7可知，縱向通水量越小，相對縱向通水量折減的越多，則沉降發展越慢。

圖7 不同縱向通水量的地表沉降隨時間變形曲線

在不同的涂抹比情況下，固結1年時間的坡趾處最大側向變形均發生在7.4m深度，相應的值分別為(cm)：48.8、49.8、50.3和54.7。以1.5年時的地表沉降來計算平均固結度，四種工況的計算結果分別為：82.6%、81.0%、80.5%和76.0%。

圖8 固結1年時坡趾處不同深度的側向變形曲線

5 結論

通過該算例的數值模擬分析，可以得出以下幾點規律性的結論：

(1) 涂抹和井阻作用對場地地基的固結和變形特性有相當程度的影響，在實際工程中應考慮涂抹和井阻的共同作用。

(2) 涂抹比s和滲透比kh/ks是描述涂抹區性狀的兩個重要指標，但這兩個參數難以直接測定，迄今為止尚未看到測定的結果，目前只是依賴于工程實踐經驗和實測結果反算求得。

(3) 豎向排水體在地基原位條件下的實際通水能力是討論井阻作用的關鍵參數。前面階段，通水量減少對地基變形和固結特性的影響不如涂抹作用明顯；但對于排水板的長期工作性能而言，通水量的變化是決定性因素，今后的研究可以針對縱向通水量隨著排水板工作時間內的折減規律展開。

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