動力排水固結(jié)法加固軟土路基孔隙水壓力長消規(guī)律數(shù)值分析

薛 茹，李廣慧

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，鄭州 450015)

動力排水固結(jié)法加固軟土路基孔隙水壓力長消規(guī)律數(shù)值分析

薛 茹，李廣慧

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，鄭州 450015)

采用FLAC3D軟件對動力排水固結(jié)過程進行數(shù)值模擬，對動力排水固結(jié)法加固軟土路基時土中孔隙水壓力的變化做了分析，以探求孔隙水壓力的長消規(guī)律，為動力排水固結(jié)法加固機理及施工方法提供理論根據(jù)。

動力排水固結(jié)法 軟土地基處理 孔隙水壓力 數(shù)值模擬

隨著工程建設(shè)規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷加大，巖土工程所面臨的荷載、巖土性質(zhì)、邊界條件等也愈加復(fù)雜，許多工程問題離開大型數(shù)值模擬軟件和電子計算機便無法進行理論分析［1］。動力排水固結(jié)法處理淤泥、淤泥質(zhì)軟土?xí)r能否取得預(yù)期的加固效果，關(guān)鍵取決于土中孔隙水壓力能否迅速消散，孔隙水能否盡快排出［2］。亦即，動荷載作用下孔隙水壓力的發(fā)展變化是土體變形和強度變化的根本因素［3］。

FLAC3D特別適合于模擬巖土材料達到屈服極限后產(chǎn)生塑性流動狀態(tài)的力學(xué)行為［4］。本文以珠江三角洲某高速公路試驗路段為例，采用 FLAC3D軟件，綜合考慮地基及施工條件后進行了動力排水固結(jié)法的數(shù)值模擬。研究動力排水固結(jié)法施工時軟土中孔隙水壓力的變化規(guī)律，為動力排水固結(jié)法加固機理的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 工程概況及計算方案

1.1 工程概況

為了研究動力排水固結(jié)法加固軟土路基的數(shù)值方法，我們選取珠江三角洲某高速公路為研究對象。該場地地處珠江入?？?，地貌主要屬低丘陵地帶。沿線主要為海河沖積平原，地勢開闊低平。上覆土層軟弱，軟土發(fā)育，厚度大。在路基填土及持續(xù)的交通載荷作用下，很可能會因為軟土強度不足造成地基破壞，或者由于軟土固結(jié)沉降緩慢引起較大的工后沉降而造成路面結(jié)構(gòu)的破壞［5］，不能滿足道路對地基的要求，因此采用動力排水固結(jié)法對軟土進行處理。

1.2 計算方案

計算中夯錘質(zhì)量取16 t，夯錘直徑取2 m，夯錘接觸地面瞬間的速度為11.2 m/s。計算時考慮夯一擊，垂直落距為6.37 m，模擬總時間0.16 s。為了研究袋裝砂井的排水固結(jié)作用，按不加砂井及加砂井兩種情況來計算，但不考慮砂井強度對地基強度的影響。

2 計算模型及參數(shù)選取

2.1 基本假定

影響動力排水加固效果的因素很多，用數(shù)值模擬方法分析所有的確定或不確定因素既不可能也無必要，我們所研究問題的重點是了解夯擊過程中孔隙水壓力的變化規(guī)律，因此在數(shù)值模擬分析中作如下假設(shè)：

1)地面以下土體為水平層狀，每層土視為均值、各向同性。

2)夯錘施加的荷載在接觸面上均勻分布。

3)夯錘為短圓柱狀，故可視為軸對稱動力問題。

2.2 計算范圍及網(wǎng)格劃分

為消除邊界效應(yīng)的影響，參考實際工程的現(xiàn)場監(jiān)測資料，確定以夯錘中軸線為中心，向兩邊各取15 m，深度取18 m為數(shù)值模擬的計算范圍。砂井長12 m，直徑10 cm，按間距2 m布置。

劃分計算區(qū)域網(wǎng)格時，依照模型的空間網(wǎng)格尺寸應(yīng)該小于輸入波長的1/8到1/10，同時考慮縮短計算運行時間的原則，取夯錘中軸線左右各3 m范圍內(nèi)的基本網(wǎng)格為0.5 m×1.0 m×1.0 m，其余部分網(wǎng)格調(diào)整為1.0 m×1.0 m×1.25 m。采用右手螺旋坐標(biāo)系，規(guī)定原點在夯錘底面圓心處，x軸向右為正，z軸向上為正。在砂墊層及淤泥之間設(shè)置界面單元連接。

2.3 邊界條件及模型計算參數(shù)

模型的左邊界、右邊界為位移約束邊界，約束水平方向的位移;模型的底面也為約束邊界，同時約束垂直與水平方向的位移。對于流體邊界，左右邊界為透水邊界，底面為不透水邊界。數(shù)值模擬的主要參數(shù)見表1。

表1 主要計算參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

3.1 砂井對土體固結(jié)的作用

圖1給出了夯擊后0.1 s時加設(shè)砂井與不加設(shè)砂井兩種情況下的孔隙水壓力等值線。由圖1可以看出，加設(shè)有砂井的土體中孔隙水壓力分布圖被砂井分割成幾個部分，而不加設(shè)砂井的分布圖中，孔隙水壓力的升高區(qū)域為一個整體，而且升高幅值大于加設(shè)砂井的情況。由此可見，砂井的存在既改變了土中孔隙水壓力的分布，又改善了孔隙水的排水路徑，這對加快軟土地基固結(jié)速率起到了十分重要的作用。

圖1 0.1 s時孔隙水壓力等值線

3.2 孔隙水壓力的變化情況

圖2給出了0.02 s及0.10 s時不同深度、不同水平距處土體的超孔隙水壓力變化曲線。可以看出，孔隙水壓力峰值首先在淺部(0.02 s時在深度2.5～3.0 m處)出現(xiàn)，然后向深處發(fā)展(0.1 s時在深度6.5～7.0 m處)。砂井中以及淺部土體由于排水路徑暢通，超孔隙水壓力增加較小，且孔隙水壓力消散也快。而在淤泥中超孔隙水壓力峰值則大得多。隨著時間的延長，超孔隙水壓力峰值向深處發(fā)展且峰值逐漸減小，反映了應(yīng)力波在土體中由淺部逐漸傳入深處，使得土體固結(jié)度逐漸增強。

圖2 0.02 s及0.10 s時孔隙水壓力隨深度變化曲線

4 結(jié)論

1)用FLAC3D模擬動力排水固結(jié)過程，計算過程中不需要加入其它人為已知量，計算簡單可靠，可用于動力排水固結(jié)法加固機理及施工技術(shù)研究。

2)軟土中由于土顆粒表面水結(jié)膜的黏滯作用，使得孔隙中水的排出受到阻礙。砂井的打設(shè)很好地改善了土體的排水性能，這對動力排水固結(jié)法的加固效果是非常有利的。

3)在動力荷載作用下，土體中各點孔隙水壓力隨沖擊力的作用，表現(xiàn)為一個脈沖響應(yīng)過程，在夯錘與土體初始接觸階段，孔隙水壓力急劇升高，且升高的峰值較大。隨著時間的延續(xù)，孔隙水壓力的峰值點也隨之向深處發(fā)展，且有逐漸減小的趨勢。在深度較深和水平距較大處，孔隙水壓力增幅較小，夯擊能逐步消散，土體基本不受夯擊作用影響。

［1］丁振州，鄭穎人.強夯法加固飽和軟黏土地基數(shù)值模擬［J］.地下空間，2002，22(2)：137-141.

［2］鄭穎人，陸新，李學(xué)志，等.強夯加固軟黏土地基的理論與工藝研究［J］.巖土工程學(xué)報，2000，22(1)：18-22.

［3］趙維柄，施健勇.軟土固結(jié)與流變［M］.南京：河海大學(xué)出版社，1996.

［4］劉波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應(yīng)用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［5］陳寶，馬傳明.珠江三角洲地區(qū)高速公路軟基路堤工后沉降分析［J］.西部探礦工程，2003，15(6)：154-156.

TU472

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1003-1995(2011)03-0085-03

2010-09-01;

2010-12-31

2010年河南省科技攻關(guān)項目(102102210372)

薛茹(1965— )，女，河南焦作人，教授，工學(xué)博士。

(責(zé)任審編 葛全紅)