PC樁聯合塑料排水板堆載預壓法處理軟基數值模擬探析*

李雪鋒,趙 倩,王翀霄,程鈺博,李耀東,徐振揚

（1.昆山市交通工程質量監督站，江蘇 蘇州 215300，2.河海大學，江蘇 南京 210098）

軟土的工程特性差，天然含水量高，強度低，透水性差，壓縮性高，易受擾動影響，故工程中常常需要對軟土地基進行處治[1]。對于軟土層深厚而不均勻沉降要求較高的場地，如橋頭段，往往會采用塑料排水板堆載預壓法加速排水固結，使地基土在短時間內獲得較高的強度[2]?；蚴峭ㄟ^施打樁基提高地基承載力，使地基滿足上部結構所需的強度。兩種方法的出發點均是使地基獲得一定的強度，并保證工程建筑物在使用過程中的不均勻沉降或沉降減小。

軟土路基固結沉降數值計算的軟件較多，其中ABAQUS常用于復雜的3D建模分析，而道路橫斷面固結沉降計算采用PLAXIS 2D即可滿足要求，且數值分析效率較高。文章采用PLAXIS 2D有限元軟件，對昆山市312國道青龍港橋頭段進行數值模擬，通過工后沉降分析，找到最優樁間距、塑料排水板長度及預壓時長方案，為實際工程設計和施工提供依據。

1 工程概況

312國道蘇州東段改擴建工程KS3標全長3.071km，其中K64+714.5～K64+744.5為橋頭段，橋頭段標準橫斷面寬度為32.612m，雙向六車道。根據區域地質資料結合勘察成果，擬建工程橋頭段上部為少量素填土，大量分布淤泥質粉質黏土（②2層），呈流塑態，工程特性差，厚度可達12～15m。下部分布粉質黏土（⑤1層）和粉土夾粉質黏土（⑤2層），壓縮性中等，工程特性一般。地基土的主要性能指標如表1所示。

2 數值建模

原方案擬對工程場地等載預壓6個月，不設塑料排水板，施打PC-400預應力管樁，長度21m，間距2.8m，布置形式為正方形，鋪設鋼塑格柵。

由于擬建工程橋頭段軟土層較深厚，為了加速排水固結，擬采用塑料排水板預壓法處理地基，通過PLAXIS 2D建模確定合理的排水管長度及間距。塑料排水板選用A型，排水板截面尺寸為100mm×3.5mm（寬×厚），按等邊三角形排列，間距l=1.1m。該類型排水板適用于打設深度小于15m。堆載預壓為等載預壓，高度為0.9m。同時，PC-400預應力管樁的布置間距也需通過建模分析優化。

表1 地基土層參數

為了找到減小地基沉降的最優方案，設置樁間距不同的一組模型計算，同時改變塑料排水板長度以及預壓時長，確定塑料排水板預壓方案。

2.1 幾何模型建立

本項目選用平面應力模型，15節點三角形單元，選擇橋頭段淤泥質土層最厚的斷面進行分析。所有的材料和其他土層的本構模型均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。路基寬度為32m，邊坡坡度為1∶1.5，高為2.4m。路基土采用分層碾壓填筑，每層高度為0.8m。由于道路的對稱性，建立模型時取道路單側進行模擬即可，為了盡可能消除邊界對計算結果的影響，地基土寬度取40m，深度取30m。

將實際問題轉化為二維平面問題，需要對模型設置基本假定條件。路面、土層均假設為水平面；模型兩側均關閉水流邊界、固結邊界，即無水平方向流向，底部為透水邊界；對水平、豎直方向的位移同時約束。幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型

2.2 模型參數計算

Chai[4]指出，從宏觀意義上看，在土層中打入塑料排水板的處理效果在于提高土層的豎向滲透系數。因此，模擬塑料排水板加固土層時，可以采用一個等效的豎向滲透系數來代替原土層的豎向滲透系數[5]。該簡化方法可以完成塑料排水板三維問題向二維問題的簡化，其簡化過程中參數少，物理意義明確，能有效地滿足工程計算的需要[6-7]。

等效豎向滲透系數kve可按下式計算：

式中：n=De/dw，De為有效排水直徑（根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012），等邊三角形排列De=1.05l）；dw為等效砂井直徑，dw=0.75（b+δ）；h為各層地基土的排水路徑（底部透水單向排水情況下，即為每層土中排水板長度）；ds為涂抹區直徑（根據經驗可按ds=3dm估算，dm為插板機芯軸直徑）；Ss=ds/dw；kh/ks為非涂抹區滲透系數和涂抹區滲透系數之比（根據經驗取5.0）。

經計算，原土層的豎向等效滲透系數如表2所示。

表2 施打塑料排水板后土層等效豎向滲透系數

3 計算結果分析

原方案施工結束時的路堤沉降約為11.67cm，總沉降為17.94cm，與原設計方案書中測算相差不大。工后沉降約為6.27cm，符合《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）的沉降要求[7]。因此，建立的模型合理，符合工程實際。模型沉降云圖如圖2所示。

圖2 原方案施工結束時模型沉降云圖

3.1 改變布樁型式

改變樁間距建模計算得到工后沉降，選取不同樁間距對應的工后沉降進行Gauss曲線擬合如圖3所示。可以看出工后沉降隨樁間距減小而減小，但減小的幅度（即曲線斜率）也逐漸減小，在樁間距小于2.6m時，工后沉降的降幅較小，在保證處理效果和經濟合理的前提下，樁間距取2.6m為最優方案。

圖3 不同樁間距對應工后沉降曲線擬合

3.2 塑料排水板堆載預壓處理

實際工程中由于工期緊張的原因，需要采取能使地基快速排水固結的處理方法，其中塑料排水板能改善地基土滲透系數，建立孔隙水快速排水通道。塑料排水板長度為10m時，分別預壓1個月、2個月、3個月、4個月；塑料長度為12m、13m、14m、15m時，均預壓3個月。建模得到工后沉降分別如圖4～圖5所示。

圖4 改變塑料排水板堆載預壓天數處理工后沉降

由圖4可知，排水板聯合等載預壓對軟土地基排水固結具有較好的處理效果，在工期緊促的情況下，能夠較大壓縮固結時間。在深厚且滲透性較差的淤泥質軟土中，排水板作為滲透性較好的通道，不僅能改善滲透性能，還能有效縮短孔隙水排出路徑，加速土顆粒間水排出進而達到加速固結、減小工后沉降的效果。從工后沉降來看，排水板長10m，等載預壓4個月能達到原方案（等載預壓6個月）效果，即在工期緊促的情況下，采用排水板10m，等載預壓4個月是合理的。

圖5 改變塑料排水板長度堆載預壓處理工后沉降

由圖5可知，排水板長度為13m、14m時，與原方案的處理效果相近。這表明，排水板聯合堆載預壓處理法在淤泥層中的處理效果較好，能夠改善軟土較差的滲透性能，當排水板完全打穿淤泥層時，輔助排水作用最好。而排水板長度為15m時，處理效果較14m時變化不大。隨著排水板打穿淤泥層后深入滲透性較好的粉質黏土層，排水板對粉質黏土層的影響不大，因而工后沉降變化較小。

4 結束語

文章通過有限元軟件PLAXIS進行數值模擬得到沉降數據，對312國道橋頭段地基處理進行了方案優化。通過對比選擇，認為312國道橋頭路段采用樁間距為2.6m、塑料排水板堆載預壓3個月、排水板長14m的方案時，能較好地減少沉降和不均勻沉降，并兼顧經濟效益；考慮經濟性的前提下，不建議采用長度大于14m的排水板。