排水板聯合堆載預壓固結沉降模擬分析

彭中浩，錢 彬，莊正南，紀翔鵬

（1.浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006；2.南京水利科學研究院巖土工程研究所，江蘇 南京 210024；3.中交上航（福建）交通建設工程有限公司，福建 廈門 361028；4.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250014）

引 言

目前，在我國沿海地區經濟發展的條件下，需要大量建設用地及產業轉移，沿海地區大量的吹填工程不斷興起，但其工程建設用地常面臨大面積的軟土地基，需對其進行加固處理。對于大面積場地處理，如何經濟、快速、高效的處理軟土地基將影響整個工程的造價、工期、質量等。

在眾多軟基處理方法中，塑料排水板聯合堆載預壓法由于其排水效率高、投資省、協調變形、施工簡單、速度快、對周邊土層擾動小等優點，現已廣泛應用于港口碼頭、鋼廠等原料堆積，機場跑道、鐵路路堤、高速公路、軟基上的堤壩、圍墾造地工程、造陸工程、油罐沖水預壓和冷庫及水池等工程的地基加固中，并取得了良好的效果[1]。

塑料排水板聯合堆載預壓加固軟土地基的原理是排水固結機理。主要作用形式分為豎向排水和豎向加壓：在軟土中打設排水板增加豎向排水通道，并與上部砂墊層形成排水系統；上部堆載產生的附加應力提升土體內孔壓，由于排水通道的存在，加快孔壓消散，有效應力增加，土體固結沉降，地基承載力提升且有效減小工后沉降[2]。

目前在軟基沉降的固結分析中，眾多學者對此法進行了大量研究[3-5]，其計算分析方法大致可分為三大類：一是基于土力學經典理論計算方法；二是基于現場實測數據的預測分析方法；三是基于土體固結理論及本構模型的數值模擬方法[6]。

本文將結合廈門大小嶝島吹填造地工程實例，基于有限元分析軟件Midas/GTS，建立塑料排水板聯合堆載預壓加固軟基的固結沉降模型，研究在多級堆載工況下，軟基的固結沉降和孔壓變化規律，并與實測數據對比，分析本方法對于工程固結沉降預測的實用性，為大面積工程施工提供借鑒。

1 工程概況及方案

1.1 工程概況

本文依托工程為廈門大小嶝島吹填造地工程，本工程位于廈門翔安區東南方向。此次吹填造地工程共設3個標段，總面積達7.58 km2，選取5標段S5區某斷面的監測數據進行分析。

根據工程勘察地質資料，場地范圍內的土質特征自上而下可分為：①素填土：淺黃、灰白色，主要由中粗砂堆積而成，松散，厚度為0.2～0.6 m；②淤泥質土：深灰色，飽和流塑狀態，具有腥臭味，厚度為 1.5～17.9 m；③粉質粘土：灰黃色，可塑～硬塑，厚度為1.6～13.2 m；④殘積砂：為花崗巖風化沉積產物，灰白色，硬塑狀態，厚度為6.6～9.5 m；⑤全風化混合花崗巖：散體結構，屬極軟巖，厚度5.5～6.8 m。選取的場區內的穩定水位為1.2～1.5 m。

1.2 工程方案

本工程吹填場區的地基處理方案主要為：絞吸挖泥船吹填至場地初始高程→形成砂墊層→打設排水板→設置盲溝、集水井→分級吹填堆載至高程5.5 m→堆載預壓→卸載→強夯整平。

本工程的吹填料為海砂（中粗砂），吹填堆載共分為3級，本次對比分析的斷面為S5-125斷面，本斷面的分級加載曲線可簡化如圖1所示。

圖1 S5-133斷面分級加載曲線

該工程排水板選用厚4 mm、寬100 mm的B型板，正方形布置，間距為 1.0 m，要求排水板的打設深度貫穿淤泥質土層，場區橫斷面示意如圖 2所示。

圖2 聯合預壓橫斷面示意

2 有限元計算模型及邊界

基于Midas/GTS有限元軟件，創建塑排板聯合堆載預壓法處理軟基的固結沉降二維模型。由于吹填圍堰內的堆載場區較大，且場區內土層變化較大，為簡化計算并提高計算效率，選取模型尺寸為60 m×30 m，并按S5-133斷面的土層情況沿深度進行劃分：0～1.0 m為素填土；1.0～9.5 m為淤泥質土；9.5～18.5 m為粉質粘土；18.5～22.5 m為殘積砂質粘性土；22.5～30.0 m為全風化花崗巖。

地基軟土采用四節點的實體單元進行模擬，網格的兩側施加水平約束，網格的底部同時施加水平和垂直位移約束；地表為排水邊界、總水頭0 m，地下水位在地基表層，同時將土體內砂墻設為排水邊界，模型及網格劃分如圖3所示。

圖3 有限元分析模型示意

3 相關參數確定

3.1 排水板簡化計算

本文通過二維平面計算研究排水堆載固結沉降問題，因此，需要將塑料排水板的三維固結問題轉化為平面問題，即將塑料排水板等效為二維的砂墻地基[7]。

首先根據塑料排水板和砂井與土體接觸面積相等的原則，且本工程塑排板正方形布置，可按下式將塑料排水板轉換為砂井的等效半徑及影響半徑：

式中：dw為等效砂井直徑，mm；de為等效砂井影響直徑，mm；b為排水板寬度，mm；δ為排水板厚度，mm；a為換算系數，取0.75～1；l為排水板間距，mm；n為等效砂井井徑比。

根據砂墻等效法[8]的相關計算，求得正方形布置型式下，砂墻的寬度和間距：

式中：Bw為等效砂墻厚度，mm；B為等效砂墻間距。

本次有限元分析中，為使網格劃分方便，選取2Bw=10 cm，B=4 m進行模擬分析。

其次，根據平均固結度相等的原則，通過調整砂墻間土體的滲透系數即可使塑料排水板與砂墻等效，等效后的砂墻地基滲透系數按下式計算：

式中：kxp、kyp為等效換算后土體間的水平向和豎向滲透系數；kxa、kya為砂井地基的水平和豎向滲透系數；Dx、Dy為調整系數，可按趙維炳[9]的等效計算方法求得。

同時在調整系數計算分析中，考慮塑料排水板施打時對周圍土體的影響而存在的涂抹效應，采用等效計算方法，取涂抹區半徑與砂井半徑比值s為1.2，實際砂井地基滲透系數與涂抹區滲透系數比值β為7。經計算得Dx為2.42，Dx為0.9。

3.2 土體模型參數確定

本次模擬地基軟土采用Drucker-Prager模型，堆載所用填土采用Mohr-Coulomb模型。

對于采用Drucker-Prager模型的地基軟土計算參數，可根據相關聯流動法則按下式求得：

式中：c、φ為Mohr-Coulomb模型中的粘聚力和摩擦角；β為D-P模型中p-q平面摩擦角，同膨脹角；cσ為土體屈服應力。

經本工程的地質詳勘報告及上述計算方法，確定各土層的計算參數如表1所示。

表1 各土層計算參數

4 數值模擬結果分析

本次數值模擬主要用以分析在塑排板聯合堆載預壓處理方式下，堆載和固結階段軟基的豎向變形、水平位移、土體內超靜孔壓的變化情況，并與現場實測數據進行對比分析。

4.1 沉降變形分析

沉降的變形分析主要包括整個填筑堆載和固結過程中地基的變形，整個模型計算中的施工階段共包含3次填土堆載。

圖4 預壓結束時地基沉降

圖4為堆載預壓220 d后的地基固結沉降云圖，地基表面處沉降較大，最大約為1.15 m，且隨著深度增加，累計沉降值減小；同時，堆載區兩側土體有隆起位移，與實際情況相符。

選取模型堆載中點處的地基表層沉降歷時曲線模擬值，與現場實測沉降曲線進行對比分析，如圖5所示。

圖5 沉降歷時對比曲線

由圖5中對比曲線分析可知：軟基在堆載固結過程中，模擬結果與實測值變化規律一致。200 d實測沉降值為118 cm，此時模擬值為107 cm，誤差約為9.4 %；由于施工場地的復雜性及填土的不規律性，本次模擬加載對其進行了簡化處理，所以模擬與實測曲線從在差異，且未全面考慮井阻、涂抹等作用，模擬的沉降曲線收斂較快。但運用本有限元模擬分析，較好的反映了軟基堆載預壓過程中沉降變化，可為工程提供指導。

4.2 水平向位移分析

為分析軟土層在堆載固結過程中水平位移的發展，選取堆載模型坡腳下不同深度處的土體，得出堆載預壓 200 d后不同深度土體的累計水平位移，如圖6所示。

圖6 水平累計位移曲線

從圖6對比結果可知，數值模擬曲線與實測曲線表明了水平累計位移相同的變化規律：即在堆載預壓過程中，存在向外發展的水平位移，且隨著深度的增加，水平向累計位移減小；數值模擬的水平最大位移約為48 cm，實測值約為36 cm，實測值與模擬值較為吻合。

4.3 超靜孔壓變化分析

在堆載預壓沉降固結過程中，在堆載時土體內孔壓將增大，待得土體內孔壓及時消散，土體的沉降固結才能順利完成。為分析軟土地基在堆載固結過程中孔隙水壓力的增長和消散，選取了模型中點處深度分別為4 m、8 m的土層進行超靜孔隙水壓力的分析，同時選取了4 m深度處的超靜孔壓實測值與計算值對比，如圖7所示。

圖7 超孔隙水壓力變化曲線

從圖7超靜孔壓實測值和有限元計算值的歷時曲線可知：1）隨著深度增加，堆載作用下的孔壓增長值減小且消散速率降低；2）現場實測值與有限元計算值變化規律吻合，隨著荷載的堆加孔壓增大，通過塑排板排水的作用加速孔壓消散；3）有限元計算值與實測值存在偏差，且計算值的峰值較實測值明顯，同時實測值的孔壓消散速度低于計算值；這主要是由于計算模型的簡化和等效，以及未考慮井阻的原因造成的，同時場地內孔壓變化受潮汐影響，存在一定的波動。

為直觀的觀察堆載時軟基內超孔隙水壓力的變化，以及塑排板的排水作用，選取了第1次堆載完成、以及堆載完成后固結排水200 d后的軟基內超孔隙水壓力云圖，如圖8所示。

圖8 不同時刻地基內超孔壓

在第一次堆載時，地基土體內孔壓增大，最大約為25 kPa，隨著時間的發展，孔隙水壓力逐漸減小，土體強度增大，在預壓期結束時，地基內的超靜孔隙水基本消散完全。

5 結 語

本文利用有限元軟件Midas/GTS建立了塑料排水板聯合分級堆載預壓的固結分析模型，并將塑料排水板等效為砂井進行軟基排水固結計算，同時結合工程實際施工中的動態監測數據對數值模擬的可行性和適用性進行了對比分析。得出結論主要如下：

1）采用 Midas/GTS有限元分析軟件可以對整個堆載預壓施工過程中的固結沉降有效分析，較好地模擬施工各個階段軟基沉降的變化規律，即每級加載初期沉降速率增大，隨著堆載穩定沉降速率減小的規律；

2）分級堆載過程中，堆載區外側將產生水平位移，且數值模擬結果與實測值較為吻合，可用于控制堆載施工速率，為施工提供指導借鑒，防止水平位移發展過快而失穩；

3）在吹填堆載的軟基內打設塑料排水板可有效地加快地基內超孔隙水壓力的消散，尤其是在堆載初期可提高軟基固結速率，是大部分固結沉降發生在施工期，有效縮短工期，減少工后沉降。