堆載作用下塑料排水板和袋裝砂井聯合加固軟基有限元分析

王志宏，劉 杰，付貴海

(1. 常德市經濟建設投資集團有限公司，湖南 常德 415000；2. 湖南省建筑設計院集團股份有限公司，長沙 410000；3. 湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

我國沿海地區廣泛分布著海相軟弱場地，這類軟土主要由淤泥沉積物和少量腐殖質土組成，具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性、低抗剪強度、低滲透性、低承載力等特點[1]，需進行加固處理后，才能滿足工程需要.國內部分學者對軟基處理問題進行了深入研究，如張軍輝[2]針對不同軟基處理方法對新老路軟基間的變形擾動和變形特性問題進行了數值分析；高明軍等[3]對新吹填超軟土采用無砂墊層改性真空預壓結合覆水預壓法進行了試驗研究，獲得了良好的加固效果；陳杰[4]針對軟基處理方案影響因素的不完整性和不確定性，提出了基于多層次模糊理論的高速公路軟基處理方案決策模型.目前，工程實踐中有許多常見的軟基加固處理方法，如砂樁法、綜合注漿法、置換法、塑料排水板堆載預壓法、真空預壓法等[5].其中，綜合注漿法在人工挖孔樁軟基處理時對樁深有一定的要求[6]；塑料排水板堆載預壓法由于其造價低廉，施工方法簡便，在大面積軟基加固處理工程中取得了良好加固效果，與其他幾種軟基處理方法相比具有其獨特的優勢，在國內的軟基處理工程中已得到廣泛應用[7]；袋裝砂井在可操作深度12 m 以內且軟土較厚的地區處理效果較好[8]；塑料排水板在深厚層軟土基和缺砂軟基地帶固結效果較好，但對于一些含有塘埂、岸堤和人行道路網等復雜軟土場地，在含水率小和壓縮系數低的較硬區域施工效果不理想，故在工程實踐中有必要考慮其他排水通道[9].目前，對于在同一軟基場地上聯合應用不同排水通道的工程實例和數值分析研究比較匱乏，因此開展此方面的相關研究具有重要的工程應用價值及理論意義.

本文參考某快速軌道交通線的軟基處理工程實例，在大面積深厚軟基采用塑料排水板和小部分較硬區域采用袋裝砂井聯合堆載預壓的加固方法[10]，結合Biot 三維固結理論[11]，利用Abaqus建立塑料排水板和袋裝砂井聯合超載預壓區域軟基的三維有限元模型，分析在二者共同排水作用下堆載預壓區域土體的固結情況、堆載作用下軟基土體的有效應力分布、地表沉降和孔隙水壓力消散規律.

1 有限元模型

1.1 工程概況

某快速軌道交通線的軟基處理工程區域現為大面積魚塘，有少量房屋.根據地質勘查報告，場地預處理的地基為飽和軟土，厚度不均勻，平均厚度約10 m[12].采用塑料排水板和袋裝砂井聯合堆載預壓加固地基的處理方案，其中，魚塘內部采用排水板處理(正三角形布置)；人行便道處采用埋置砂袋作砂井處理(砂井為梅花形布置)；魚塘間的塘梗便道處采用單排砂井處理.

1.2 有限元模型的建立

砂井或排水板地基固結的常規處理方法一般是將其簡化為平面應變或單井軸對稱分析[13]，這不能完全體現排水板的三維特征.對于復雜場地軟基處理，塑料排水板和砂井聯合布置的地基固結過程為典型的三維問題，只能用三維固結有限元來計算.根據現場基本情況，選取既能考慮排水板聯合砂井的排水固結，又能反映整個區域絕大部分沉降情況的代表性區域作為建模對象，并取2 倍飽和軟土處理區的深度為下臥層以消除邊界條件的影響.根據魚塘和塘埂的寬度以及排水板尺寸，建立長為3 m，寬為1.04 m，高為30 m的有限元模型(見圖1).塑料排水板長×寬尺寸為100 mm×4 mm，砂井直徑為400 mm.

圖1 有限元分析模型

建模時排水板的截面尺寸與周圍土體尺寸相比非常小，其主要功能是增加滲透性，力學性能是次要的.因此，可以假設排水板的力學性能與處理區軟土的力學性能相同，砂井的力學性能亦按處理區軟土的力學性能相同處理.土體、排水板以及砂井均采用彈性模型.模型所用材料的參數見表1，其中飽和軟土層的下臥層為粉砂，且為透水層.

表1 模型材料參數

在圖2模型中，呈三角形布置了5個排水板，間距1.2 m.砂井位于塘埂中央，因其具有對稱性，取原模型1/4 研究.對模型的位移邊界條件作以下假定：①對稱性模型的砂井邊界和排水板1 邊界的水平位移為0；②豎直方向允許發生位移；③圖1 中下臥層底部設為不排水邊界.固結分析中的位移邊界條件的類型和處理方法與一般彈性力學問題有限元法中的邊界條件完全一樣，其初始地應力由Abaqus 軟件地應力模型計算，并通過后續不斷加載完成模型排水固結計算.

圖2 塑料排水板與砂井聯合處理區域

2 計算結果與分析

根據工程實踐，填土的重度取值為19 kN/m3，為了提高孔隙水壓力計算的精度，填土堆載過程分3 級進行，預壓固結計算總時程為270 d.

2.1 地表沉降分析

為簡便處理且具代表性，選取模型表面中心點進行分析，其堆載-沉降-時間曲線見圖3.由圖3可以看出，在3 級荷載持續加載過程中，軟基沉降迅速增加；加載結束后，沉降逐漸趨于穩定，此時軟基土體基本處于穩定狀態直至最終固結.

圖3 模型表面中心點地表沉降曲線

圖4 為不同級填土堆載后軟土處理區的沉降云圖.當第1、2、3 級堆載加載完成時，軟土處理區表面分別產生沉降為0.192 3、0.548 5 和0.825 1 m；底部分別沉降了0.141 4、0.376 7 和0.543 3 m.當第1 級堆載完成時，軟土處理區可近似為均勻沉降，這說明塑料排水板加砂井聯合布置方案是可行的.整體沉降值跟現場監測的實際數據較為吻合，這說明上述三維有限元模型能較好地模擬實際軟土區的固結沉降情況.當3 級加載剛結束時，地表沉降為0.825 1 m，而經過3級堆載并在塑料排水板和袋裝砂井聯合處理下固結排水170 d 后，處理區的地表最終沉降達到了0.978 7 m，相較未經處理時的沉降降低了18.6%.這表明，原堆載軟土地基在塑料排水板和袋裝砂井聯合處理下得到了有效固結.

圖4 不同級填土堆載后軟土處理區的沉降云圖

2.2 超孔隙水壓力分析

圖5 中加固處理區域孔隙水壓力并未均勻分布，主要跟土體的受力和排水條件有關.當第1、2、3 級堆載加載完成時，排水板區域最大超孔隙水壓力分別達到了48.24、93.13 和100.09 kPa，隨著堆載施加，排水板超孔隙水壓力顯著增加.當第3 級堆載加載完成并固結170 d 后，塑料排水板處土體排水迅速，其最大超孔隙水壓力降至5.58 kPa，這說明采用塑料排水板和袋裝砂井聯合固結排水法處理這類復雜軟基的效果較好.

圖5 不同級填土堆載后軟土處理區超孔隙水壓力云圖

圖6 為排水板不同深度處超孔隙水壓力-堆載時程曲線.由圖6 可知，堆載施加的過程中土體內部的孔隙水壓力迅速增加，且堆載施加后的靜置時段內，土體內部的孔隙水壓力逐漸消散.最終，3 級堆載施加完畢并靜置170 d 后，土體內孔隙水壓力逐漸至完全消散.

圖6 排水板不同深度處超孔隙水壓力-堆載時程曲線

在同一堆載時間段內，土內埋深2 m 處的超孔隙水壓力和埋深8 m 處的超孔隙水壓力幾乎相等；軟土處理區中央埋深5 m 處的超孔隙水壓力最大，處理區表面和底部則較小.這是由于軟土處理區表面是排水邊界，底部下臥層為透水砂層(即排水邊界)所引起的.因此，出現了處理區上下兩端超孔隙水壓力較小，中間區域超孔隙水壓力最大的現象.

2.3 有效應力分析

圖7 為填土堆載前后不同階段軟土處理區的有效應力云圖.由圖7 可以看出，軟土處理區的有效應力從表面沿深度向下逐漸增大，且至固結穩定后，軟土處理區的底部最大有效應力達297.5 kPa.

圖7 堆載過程中軟土地基的有效應力云圖

圖8 為堆載過程中不同位置的有效應力曲線.由圖8 可知，隨著載荷不斷增加，砂井和排水板處水體不斷排出，土體有效應力逐漸增大；由于加載階段超孔隙水壓力來不及消散，故土體有效應力呈曲線變化；固結穩定后，其有效應力沿深度方向線性變化.

圖8 堆載過程中軟基沿深度方向的有效應力曲線

圖9 為不同埋深處模型四周各點對應的有效應力隨堆載的關系曲線，其中凸點處為排水板及砂井所對應的位置.因排水板和砂井的滲透系數較大，故二者對應的超孔隙水壓消散較快，土體有效應力也增長較快.且因砂井的直徑較大且其滲透系數大于排水板的滲透系數，使其處理區的有效應力增長最快，隨著堆載增加，土體有效應力的增長較為顯著.另外，隨著土層深度的增加，同一深度處的土體有效應力愈趨于統一.

圖9 不同埋深處模型四周各點的有效應力關系曲線

3 結論

1)經過3 級堆載并在塑料排水板和袋裝砂井聯合處理下固結排水170 d 后，處理區地表最終沉降較未經處理時降低了18.6%，土體最大超孔隙水壓力降至5.58 kPa；排水板與砂井聯合加固復雜深厚軟土場地，具有較好的適用性，且可減少堆載預壓對加固軟基外部土體的影響.

2)軟土處理區地表沉降主要集中在堆載階段，工后沉降較小，且在每級堆載過程中，土體內部的孔隙水壓力迅速增加；在每級荷載施加后的靜置時段內，土體內部孔隙水壓力逐漸消散；當下臥層為透水層時，軟土處理區中央超孔隙水壓力最大，處理區表面和底部的壓力較小.

3)排水板聯合砂井處理的土體隨著載荷不斷增加，孔隙水不斷排出，有效應力逐漸增大.其中，砂井處理區的有效應力增長最快；加載過程中土體有效應力呈曲線變化；固結穩定后，其有效應力沿深度方向線性變化.