高真空擊密法處理吹填粉細砂地基施工參數優化研究

陳雷，張堯禹，馬坤，沈宇鵬

（1.唐山建標工程項目管理咨詢有限公司，河北 曹妃甸 063200；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

0 引言

高真空擊密法是一種新型的加固軟土地基的專利技術，適用于加固處理粉土、黏性土、砂土等類型土的地基。通過新型節能高真空動態抽吸水裝置使土體形成高真空后施加不同能量級別強夯的工藝，通過高真空排水-強夯擊密的多遍循環，再利用人工抽真空形成的壓力差，加速軟土地基土中水排出，逐步降低土體的含水率，使得地基土的密實度和地基承載力逐步提高，兩道工序的有機結合和相互作用是高真空擊密法的獨特機理；多遍的真空排水和強夯擊密會使得施工地基表層形成一道硬實土層，可以有效地提高地基的承載力，還能達到減少差異沉降和工后沉降的目的[1-4]。

目前不少學者的研究表明高真空擊密法具有較好的軟土地基加固處理效果，能有效地減輕對周圍環境的破環，值得推廣和應用。但該技術在現階段仍然存在一些需要進一步研究的地方，例如，缺乏完整的理論體系，缺少相應的參數設置依據，缺少詳細的規范約束，缺少施工參數優化的研究等。因此，在以后的實際工程中還應不斷的總結規律，并加強對處理方法的研究創新[5-9]。

本文針對曹妃甸工業區吹填土地基的工程地質條件，運用二維有限元軟件PLAXIS模擬了高真空擊密法的施工過程，并以施工期沉降量為評價指標，優化了該技術的施工參數。

1 工程概況

本文依托的吹填土地基處理工程位于唐山市曹妃甸工業園區遷曹高速公路連接線，臨近渤海；場地原為海域，現已吹填成為陸地，吹填厚度約為5～7 m，高程3.90～5.75 m，屬于濱海平原地貌，地勢較為平坦，地下水豐富且埋深較淺，約0.0～4.1 m，屬于淺層滯水。處理區域地層分布如下：

①層為吹填土，灰色，主要由粉細砂組成，混少量黏性土，含貝殼，松散，濕—飽和，人工吹填而成，土質極不均勻。

②層為亞黏土，灰色，人工吹填而成，主要成分為亞黏土以及亞砂土，其中混有少量細砂，含貝殼，松散且土質極不均勻。

③層為粉細砂，灰色，無搖振反應，稍有光滑，干強度及韌性中等，軟塑—流塑，含砂粒及貝殼碎屑。

④層為亞黏土，灰色，含貝殼及粉細砂，搖振反應中等，無光澤反應，干強度及韌性低，濕，密實狀態中密—密實。

各土層物理力學性指標見表1。

表1 各土層物理力學性指標Table 1 Physical and mechanical properties of each soil layer

2 計算模型

2.1 幾何模型

本文運用二維有限元軟件PLAXIS仿真模擬了高真空擊密法的施工過程，研究地基是以夯錘中心為中軸線的圓柱體，設任意徑向的變形和應力狀態相同，將三維問題轉化為二維平面應變問題。幾何模型采用的是15節點的平面應變二維模型[10-12]，考慮到邊界對計算結果的影響，計算模型的徑向取34 m，深度方向取20.5 m，重力加速度為9.8 m/s2。

邊界條件：在遠離夯錘的豎向邊界，固定水平向位移；在土層底部，考慮基巖的實際情況，固定豎向和水平向的位移。強夯的夯擊過程是一個動力作用過程，在邊界處理上采用的是動力邊界處理（人工透射邊界），即在當計算模型的尺寸較大的時候，邊界的反射能量可以忽略，能夠保證計算結果的正確性，因而采用了簡便易行的標準固定邊界[13-14]。

PLAXIS的幾何計算模型由上到下分為4層，第1層土為吹填土，平均厚度為4.5 m；第2層土為亞黏土，平均厚度為2.3 m；第3層土為粉細砂，平均厚度為10.3 m；第4層土為亞黏土，平均厚度為3.4 m。地下水位取-1.3 m。

高真空擊密的點間距為3.5 m×3.5 m；高真空排水管的間距為3.5 m×3.5 m，深管的深度為6 m，淺管的深度為3 m。

模擬方案采用多點多次夯擊，建成的PLAXIS模型見圖1。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

2.2 施加荷載

根據強夯時接觸應力的實測結果分析，夯錘對地面沖擊過程時的應力波為一個尖峰。計算時可以將強夯荷載簡化為半周期簡諧波荷載，詳見圖2。

圖2 半周期簡諧波荷載Fig.2 Half-cycle harmonic load

假設錘底接觸面的最大應力為σmax，接觸時間為Δt。郭見揚[15]從動量定理推出了接觸面應力的峰值和平均值公式[9]：

式中：W為夯錘的重量，kN，夯錘的質量取15.6 t，W=mg=152.88 kN；S為夯錘的底面積，夯錘的直徑為2.3 m，故S=1/4πd2=4.15 m2；h為夯錘落距，取14.5 m。如果忽略夯擊時的夯能損失，則有從夯錘與地面接觸到夯錘入土靜止所需要的時間：

式中：L為夯錘單擊時的夯沉量，取55 cm。根據該公式可以求得Δt=0.16 s。將以上參數代入式（1）得 σmax=869 kPa。

2.3 模型驗證

為驗證數值計算模型合理性，故對模型進行施工階段的模擬計算，計算工況完全依照實際施工工況建立，單擊夯擊能2 216 kN·m，夯擊次數為6次，夯錘直徑為2.3 m，深管的深度為6 m，淺管的深度為3 m。圖3為模型計算得到的沉降值與現場實測沉降值的數據對比。

圖3 實測沉降與模型計算沉降對比Fig.3 The comparison of measured settlement and model calculation settlement

經比較，模型模擬計算所得的沉降值與現場實測的沉降值變化趨勢基本一致，模擬沉降值在各次夯擊下均略小于實測沉降值，但最大誤差僅有0.095 m，誤差僅為實測值的4.7%，故認為PLAXIS計算模型是可靠合理的。

3 參數優化

3.1 夯擊次數優化

高真空擊密法地基處理模型采用4個夯點，每點6次夯擊，單擊夯擊能2 216 kN·m，錘高1.2 m。取相同的夯錘底部中心與地面的接觸點為研究對象，高真空擊密法地基處理模型沉降曲線見圖4。

圖4 不同夯擊次數下的沉降曲線Fig.4 The settlement curves under different tampered times

在曹妃甸遷曹高速連接線地基處理工程中，要求一遍強夯擊密的控制深度為1.5 m，從圖4可以看出，第4擊結束時的累積夯沉量已經達到了1.58 m，因此可以將一遍的強夯擊密次數優化為4次，一方面滿足了工程要求，又可以減少不必要的擊密次數，降低了造價，也節省了工期；另一方面，實際施工過程中不應該一遍擊密過深，造成起錘困難，圖4中6次擊密累積夯沉量已經達到了1.90 m，而錘的高度只有1.2 m，勢必會造成起錘困難，不可取。

3.2 夯錘直徑優化

分別建立夯錘直徑為2.3 m、2.1 m、1.9 m的3個高真空擊密法地基處理模型，分析在單擊夯擊能不變，夯錘質量m不變的條件下，改變夯錘的直徑（夯錘高度也隨之改變），擊密效果的優劣。夯錘的直徑在模型中表現為均布動荷載的寬度，得到的沉降曲線見圖5。

圖5 3個不同夯錘直徑模型的沉降曲線比較Fig.5 Comparison of settlement curves of three different rammer diameter models

從圖5中可以得到，夯錘直徑為2.3 m時，最終沉降為1.9 m；夯錘直徑為2.1 m時，最終沉降為2.3 m；夯錘直徑為1.9 m時，最終沉降為2.7 m。

因為夯點間距為3.5 m×3.5 m，在總面積3.5 m×3.5 m=12.25 m2區域范圍內夯點面積和夯間土面積見表2。

表2 夯點面積和夯間土面積Table 2 Ram point area and the soil area between ram points

從表2可以看出，在夯點間距相同的條件下，夯錘直徑越小，夯間土的面積就越大，占總面積的比也越大。在實際工程中，進行一遍擊密后，要將場地推平，以便進行下一遍擊密，并且測定這一遍擊密后的平均沉降。在用軟件模擬時，將夯點處的沉降平均到整個3.5 m×3.5 m=12.25 m2的區域范圍內，可以得到該范圍內的平均沉降，見表3。

表3 換算成3.5 m×3.5 m區域范圍內的平均沉降Table 3 The average settlement converted into within the range of 3.5 m×3.5 m region

由表3可知，換算成3.5 m×3.5 m=12.25 m2區域范圍內的平均沉降后，夯錘直徑為2.1 m的平均沉降最大，夯錘直徑為2.3 m的次之，夯錘直徑為1.9 m的最小。綜上可得，夯錘直徑越小，夯間土的面積就越大，占總面積的比也越大；在其他條件相同時，夯錘直徑取2.1 m應該為處理曹妃甸地區吹填土路基的最佳夯錘直徑。

3.3 排水管深度優化

前述模擬中，高真空排水管采用淺管長度3 m，間距3.5 m×7 m；深管長度6 m，間距3.5 m×3.5 m。下面模擬淺管長度不變，深管長度分別取5.5 m、6.0 m、6.5 m時地基的沉降變化，分別建立3個不同深管長度的高真空擊密法地基處理模型，經過相同的施工工序，得到的沉降曲線見圖6。

圖6 3種不同深水管長度模型的沉降曲線比較Fig.6 Comparison of settlement curves of three different length models of deep drainage pipes

由圖6可以看出，深管長度為6.0 m的模型沉降要比深管長度5.5 m的模型沉降大10 cm左右；深管長度為6.5 m的模型沉降要比深管長度6.0 m的模型沉降大10 cm左右。

因為地基模型中從上而下4.5～6.8 m處的土層為不排水的亞黏土層，由以上的結論可得，深管長度在4.5～6.8 m這一土層內，深管長度越接近6.8 m，所得到的沉降越大，綜合考慮，可將深管長度優化為6.5 m。

4 結語

1）高真空擊密法處理吹填土地基過程中，要求一遍強夯的控制深度為1.5 m，PLAXIS模擬時，第4擊結束時的累積夯沉量已經達到了1.58 m，因此可以將一遍的夯擊次數優化為4次。

2）在其他條件相同時，夯錘直徑取2.1 m為處理曹妃甸地區吹填土路基的最佳夯錘直徑。

3）地基模型中從上而下4.5～6.8 m處的土層為不排水的亞黏土層，深管長度在4.5～6.8 m這一土層內，深管長度越接近6.8 m，所得到的沉降越大，綜合考慮，可將深管長度優化為6.5 m。