基于數(shù)值模擬的軟黏土地基處理方法研究

摘 要：軟黏土地基是工程建設(shè)中常見(jiàn)的一種高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度和低滲透性的軟弱地基。目前已有多種軟黏土地基處理方法。本文基于數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)主要的軟黏土地基處理方法進(jìn)行了系統(tǒng)的比較研，建立了軟黏土地基處理的數(shù)值分析模型，分析了不同處理方法下地基的變形、穩(wěn)定性和水力特性的變化規(guī)律。研究表明，換填法、強(qiáng)夯法和深層攪拌法均能有效提高軟黏土地基的抗變形能力和穩(wěn)定性，其中換填法處理效果最好，強(qiáng)夯法次之，深層攪拌法較差。同時(shí)，換填法和強(qiáng)夯法會(huì)顯著降低地基的滲透性，深層攪拌法對(duì)地基滲透性影響較小。本研究可以為工程實(shí)踐中軟黏土地基處理方法的選擇提供重要參考。

關(guān)鍵詞：軟黏土地基；地基處理；數(shù)值模擬；換填法

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 433" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

軟黏土地基是指含水量高、孔隙比大并且抗剪強(qiáng)度低的黏性土地基，廣泛分布于河流沖積平原、湖泊沼澤等地區(qū)。軟黏土地基壓縮性高，承載力低，施工難度大，會(huì)給工程建設(shè)帶來(lái)不利影響。因此，在軟黏土地基上進(jìn)行工程建設(shè)前，必須采取有效的地基處理措施，提高地基的穩(wěn)定性和適用性。本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬技術(shù)，分析常用的軟黏土地基處理方法，以期為工程實(shí)踐提供有益參考。

1 軟黏土地基的數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)值模擬的基本原理

軟黏土地基的數(shù)值模擬是利用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)軟黏土地基的應(yīng)力應(yīng)變、滲流固結(jié)等力學(xué)過(guò)程進(jìn)行定量分析的方法[1]。該方法基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，將軟黏土地基視為由單元組成的離散體系，根據(jù)單元內(nèi)部的本構(gòu)關(guān)系，建立反映土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的控制方程。同時(shí)，考慮土體的滲流固結(jié)特性，引入間隙水壓力項(xiàng)，建立土-水耦合作用下的平衡方程。再利用有限元、有限差分等數(shù)值方法，對(duì)控制方程進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組求解，從而獲得軟黏土地基變形、應(yīng)力和孔隙水壓力的時(shí)空分布規(guī)律。 軟黏土地基數(shù)值模擬分析流程如圖1所示。

1.2 采用的數(shù)值分析模型

本文將修正劍橋模型（Modified Cam-Clay Model）作為軟黏土地基的本構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Biot固結(jié)理論，建立土-水耦合作用下軟黏土地基的數(shù)學(xué)模型。為提高計(jì)算效率和模擬精度，引入黏彈塑性模型（Viscoplastic Model），模擬軟黏土的流變特性。此外，還采用修正的Drucker-Prager準(zhǔn)則來(lái)描述軟黏土的屈服和強(qiáng)度特征。在數(shù)值求解方面，利用有限元方法對(duì)模型進(jìn)行空間離散，采用全隱式積分格式進(jìn)行時(shí)間域推進(jìn)。

2 軟黏土地基處理方法的數(shù)值模擬分析

2.1 換填法

本文利用建立的軟黏土地基數(shù)值分析模型對(duì)換填法進(jìn)行系統(tǒng)模擬研究。在建立換填區(qū)域的三維幾何模型過(guò)程中，本文根據(jù)實(shí)際工程情況，合理簡(jiǎn)化了地層界面和換填體的形狀。采用四面體單元對(duì)模型進(jìn)行離散化，在換填區(qū)域附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸控制在0.2m～0.5m，以提高計(jì)算精度。換填材料采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，并參考室內(nèi)試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，合理選取材料的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和黏聚力等力學(xué)參數(shù)。將換填材料自重轉(zhuǎn)化為等效體力荷載，施加在換填區(qū)域的頂部。

進(jìn)而計(jì)算初始應(yīng)力平衡計(jì)算并分步施加荷載，模擬換填過(guò)程中地基應(yīng)力狀態(tài)的變化[2]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行固結(jié)分析，考慮多種時(shí)間步長(zhǎng)組合，獲得地基變形隨時(shí)間演化的規(guī)律。換填法處理后的地基沉降云圖如圖2所示。從圖2可以看出，換填區(qū)域（圖中顏色最深區(qū)域）的沉降量顯著小于周?chē)刺幚韰^(qū)域，沉降等值線呈現(xiàn)出向四周擴(kuò)散的趨勢(shì)，表明換填法能夠有效減少地基沉降，提高地基的整體剛度。換填區(qū)域的沉降量控制在20mm～30mm，而未處理區(qū)域的沉降量為100mm以上，沉降量減少了70%以上。沉降云圖清晰地展現(xiàn)了換填法的加固效果，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算所得結(jié)論。

2.2 強(qiáng)夯法

在數(shù)值模擬中，本文對(duì)夯擊點(diǎn)附近的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，網(wǎng)格尺寸細(xì)化至0.1m～0.3m，以準(zhǔn)確捕捉夯擊引起的應(yīng)力波動(dòng)態(tài)?？紤]土體的應(yīng)變率效應(yīng)，采用修正的Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型，并結(jié)合室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果率定模型參數(shù)。夯錘沖擊荷載利用半正弦曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)夯錘質(zhì)量、下落高度等參數(shù)確定荷載峰值和持續(xù)時(shí)間，將其以面載荷的形式施加在夯擊點(diǎn)位置。考慮土體的幾何非線性和材料非線性，模擬分析采用顯式積分算法。進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，獲得夯擊地基的加速度、速度和位移隨時(shí)間的演化規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，評(píng)估強(qiáng)夯處理后地基的變形、承載力和穩(wěn)定性。數(shù)值模擬結(jié)果表明，強(qiáng)夯法對(duì)軟黏土地基的有效加固深度為10m～15m，夯后承載力提高2～3倍，沉降量減少50%以上。合理布置夯點(diǎn)和控制夯擊遍數(shù)可以使夯實(shí)效果更均勻，強(qiáng)夯法對(duì)淺層軟基具有良好的適用性。

2.3 深層攪拌法

在數(shù)值模擬中，攪拌樁體采用三維實(shí)體單元進(jìn)行離散化，樁體直徑為0.5m～1.0m，樁間距為1.0m～2.0m?？紤]材料的固結(jié)硬化效應(yīng)，采用修正的Cam-Clay本構(gòu)模型描述水泥土的力學(xué)行為，并利用室內(nèi)水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，擬合各階段水泥土的力學(xué)參數(shù)和滲透系數(shù)。

在多場(chǎng)耦合分析中，本文對(duì)固結(jié)過(guò)程和滲流過(guò)程進(jìn)行了Sequential耦合，固結(jié)過(guò)程采用分步加載方式，滲流過(guò)程考慮孔隙水壓力的影響。數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了固化材料添加量、攪拌樁直徑和間距等參數(shù)對(duì)攪拌樁體性能和地基整體改善效果的影響規(guī)律[3]。結(jié)果表明，隨著固化材料添加量增加，復(fù)合體強(qiáng)度和剛度顯著提高，當(dāng)添加量為20%～30%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1MPa～3MPa，樁體承載力提高5～10倍。

3 不同處理方法的效果比較

3.1 不同處理方法下的地基變形比較

采用換填法處理后，地基沉降量最小，在20mm～30mm；強(qiáng)夯法次之，沉降量在50mm～60mm；深層攪拌法處理效果相對(duì)較差，沉降量在60mm～90mm。采用3種處理方法降低地基沉降量的定量比較見(jiàn)表1，可以看出，換填法的沉降量降低百分比最高，為80%～90%；強(qiáng)夯法次之，為60%～70%；深層攪拌法最低，為40%～50%。

由綜合比較可知，換填法和強(qiáng)夯法對(duì)軟黏土地基變形控制效果更顯著。為驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，本文分析了工程實(shí)例中復(fù)合地基的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[4]。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，工程采用深層水泥攪拌樁結(jié)合預(yù)壓砂井復(fù)合地基處理方法，有效控制了地基沉降量，實(shí)測(cè)累計(jì)沉降量為22mm，與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的沉降量24mm吻合良好。

3.2 不同處理方法下的地基穩(wěn)定性比較

研究發(fā)現(xiàn)，采用換填法處理后，地基安全系數(shù)可以提高至2.0以上，提高倍數(shù)為1.5～2.0倍，滿(mǎn)足規(guī)范要求；采用強(qiáng)夯法處理后，安全系數(shù)約為1.8，提高倍數(shù)為1.2～1.5倍，也符合一般工程要求；采用深層攪拌法對(duì)地基安全系數(shù)的提高較少，提高倍數(shù)為1.1～1.3倍，處理后安全系數(shù)為1.2～1.4，略低于設(shè)計(jì)要求。采用3種處理方法提高地基安全系數(shù)的定量比較結(jié)果見(jiàn)表2。

換填法采用高強(qiáng)度填料，顯著提高了地基的抗剪強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性；強(qiáng)夯法夯擊密實(shí)地基土，增大了土體的內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度；深層攪拌法主要采用局部加固，對(duì)整體地基穩(wěn)定性的提高效果相對(duì)有限。為佐證數(shù)值模擬的結(jié)論，本文引用工程實(shí)例中復(fù)合地基的承載力檢測(cè)結(jié)果。靜載試驗(yàn)表明，采用深層水泥攪拌樁結(jié)合預(yù)壓砂井的復(fù)合地基處理方法，可以將地基承載力提高至250kPa，比原地基提高約1.5倍，與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的提高倍數(shù)1.4～1.6倍吻合。

3.3 不同處理方法下的地基水力特性比較

本文比較了處理前、后地基的滲透系數(shù)和固結(jié)度變化，評(píng)估了不同處理方法對(duì)地基水力特性的改進(jìn)效果。研究發(fā)現(xiàn)，換填法對(duì)軟黏土地基的滲透性影響最大，能夠使?jié)B透系數(shù)降低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10m/s～8m/s量級(jí)，顯著延長(zhǎng)了地基的排水固結(jié)時(shí)間；強(qiáng)夯法對(duì)地基滲透性的影響次之，處理后滲透系數(shù)可以降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，延長(zhǎng)了排水固結(jié)時(shí)間；深層攪拌法對(duì)地基滲透性影響相對(duì)較小，滲透系數(shù)一般降低0.5～1.0個(gè)數(shù)量級(jí)。

在固結(jié)特性方面，采用換填法和強(qiáng)夯法處理后，地基的固結(jié)度均顯著提高，分別提高90%和80%以上；深層攪拌法對(duì)地基固結(jié)度的改進(jìn)效果有限，提高60%～70%。綜合分析表明，換填法和強(qiáng)夯法能夠顯著降低軟黏土地基的滲透性，延長(zhǎng)固結(jié)時(shí)間，提高地基的固結(jié)度，而深層攪拌法對(duì)地基水力特性的改進(jìn)效果相對(duì)較弱[5]。

本文分析了工程實(shí)例中復(fù)合地基的排水固結(jié)效果，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用深層水泥攪拌樁結(jié)合預(yù)壓砂井的復(fù)合地基處理方案，能夠顯著提高地基的排水固結(jié)速率，施工后3個(gè)月內(nèi)固結(jié)度為85%以上，與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的固結(jié)度變化規(guī)律相吻合。地基水力特性比較見(jiàn)表3。

4 工程實(shí)例分析

4.1 工程概況

該工程位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，地處大型河口沖積平原，地基土主要為淤泥質(zhì)軟黏土，厚度10m～20m，天然含水量為60%～80%，具有明顯的流塑性特征。工程場(chǎng)地廣闊，軟基處理面積為50萬(wàn)m2，對(duì)軟基處理技術(shù)提出了較高要求。本文進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)，獲得了軟黏土地基的物理力學(xué)參數(shù)和水力特性參數(shù)，為數(shù)值模擬分析提供了必要的參數(shù)依據(jù)。在綜合比較多種處理方案的基礎(chǔ)上，采用深層水泥攪拌樁結(jié)合預(yù)壓袋裝砂井的聯(lián)合加固方案對(duì)軟黏土地基進(jìn)行處理。在施工過(guò)程中，該工程布設(shè)垂直位移計(jì)、孔隙水壓力計(jì)等監(jiān)測(cè)元件，對(duì)地基變形、孔隙水壓力等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得了大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證提供了可靠依據(jù)。

4.2 地基處理方案設(shè)計(jì)

該工程基于前期現(xiàn)場(chǎng)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)所得工程參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬分析評(píng)估結(jié)果，采用深層水泥攪拌樁聯(lián)合預(yù)壓袋裝砂井的復(fù)合地基處理方案。其中，深層攪拌樁采用雙軸攪拌機(jī)械，將水泥漿液與軟黏土充分混合，形成直徑為0.5m、間距為1.5m的攪拌樁體，樁體長(zhǎng)度為15m，搭接貫穿整個(gè)軟黏土層。并調(diào)整水泥摻量，使樁體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過(guò)1.5MPa，提高復(fù)合地基的承載力和整體剛度。

同時(shí)，該工程在攪拌樁體間布設(shè)直徑為0.4m的袋裝砂井，間距與攪拌樁體一致。砂井內(nèi)填充粒徑為2mm～5mm的中砂，導(dǎo)水條用粗砂制成，以提高復(fù)合地基的透水性，加速孔隙水壓力消散和軟土層固結(jié)。在復(fù)合地基頂面鋪設(shè)厚度0.5m的砂墊層，并鋪設(shè)土工格柵，提高地表層的整體性和均勻性。采用數(shù)值模擬優(yōu)化，確定攪拌樁體和砂井的尺寸、間距等關(guān)鍵參數(shù)，使復(fù)合地基處理后的承載力滿(mǎn)足230kPa的設(shè)計(jì)要求，變形控制在30mm以?xún)?nèi)。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證與討論

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性，本文將工程實(shí)例的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與前文模擬結(jié)果進(jìn)行比較。地基沉降、承載力和固結(jié)度等關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)測(cè)值、數(shù)值模擬預(yù)測(cè)值以及二者的偏差百分比見(jiàn)表4。可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整體吻合良好，沉降預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差＜10%，固結(jié)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差＜5%，承載力預(yù)測(cè)值略大于實(shí)測(cè)值，但是偏差也在10%以?xún)?nèi)。

4.4 處理效果評(píng)估

為評(píng)估深層攪拌樁聯(lián)合預(yù)壓砂井復(fù)合地基處理效果，本文對(duì)軟基處理施工過(guò)程和后期使用情況進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和分析，見(jiàn)表5。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，進(jìn)行復(fù)合地基處理后，地表沉降發(fā)展平穩(wěn)，累計(jì)沉降量＜25mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。樁間土的固結(jié)度為85%以上，孔隙水壓力消散迅速，固結(jié)時(shí)間縮短了60%以上。復(fù)合地基的承載力特征值為250kPa，高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的合理性和本文設(shè)計(jì)方案的可行性。同時(shí)，比較附近未經(jīng)處理路段的沉降情況可知，該工程采用的復(fù)合地基處理方法可以使軟基沉降量降低70%以上，沉降速率降低80%以上，有效提高了路基的使用性能和安全性。此外，經(jīng)過(guò)一年多的使用，道路路面無(wú)明顯變形和開(kāi)裂，運(yùn)行狀態(tài)良好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于數(shù)值模擬技術(shù)，分析了換填法、強(qiáng)夯法和深層攪拌法3種常用軟黏土地基處理方法的工程效果。研究表明，換填法處理效果最好，對(duì)軟黏土地基變形和穩(wěn)定性改進(jìn)效果最顯著，強(qiáng)夯法次之，深層攪拌法相對(duì)較差。換填法和強(qiáng)夯法能夠大幅降低地基的滲透性，而深層攪拌法對(duì)地基滲透性影響有限。數(shù)值模擬分析與工程實(shí)例驗(yàn)證了本文提出的結(jié)論。本研究成果可以為軟弱地基處理工程提供重要參考，但是仍然需要經(jīng)過(guò)更多工程實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)其適用性。

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