海堤地基真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓有限元計(jì)算研究

王柏歡,尹志標(biāo),陸玉琳

(1.中交上航局航道建設(shè)有限公司,浙江寧波315200;2.河海大學(xué),江蘇南京210098)

真空預(yù)壓法及真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法在各類工程的軟基處理中的實(shí)際應(yīng)用越來(lái)越多[1-3],對(duì)其計(jì)算方法的研究已取得了一定成果。目前常用的計(jì)算方法主要有解析法、有限單元法[4]。

由于真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓處理地基都要打設(shè)砂井或塑料排水板(以下簡(jiǎn)稱PVD),從而形成了砂井地基,進(jìn)行平面應(yīng)變簡(jiǎn)化時(shí)通常是調(diào)整土體的滲透系數(shù),將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題,計(jì)算模型和實(shí)際場(chǎng)地的力學(xué)、滲流有較大區(qū)別。進(jìn)行三維分析在理論上是相對(duì)較完善的,但是PVD的存在使計(jì)算規(guī)模比較龐大,因此真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓處理地基的三維計(jì)算未得到推廣。本文結(jié)合某海堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),根據(jù)海堤地基的變形特點(diǎn),對(duì)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓處理的海堤軟基的三維簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了計(jì)算,該模型簡(jiǎn)化條件較少,可以考慮排水板的空間分布特征等因素。結(jié)合某海堤地基處理實(shí)際工程,進(jìn)行了計(jì)算并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較、分析,得到了一些有益的結(jié)論。

1 真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓海堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

某海堤位于廣東省中山市,其中有一長(zhǎng)度為420 m的試驗(yàn)段,段內(nèi)軟土較厚,海堤填土高度為10 m,考慮到高填土巨大的側(cè)壓力對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的影響不容忽視,以及與路線斜交的橋臺(tái)樁基,若處理不當(dāng),必將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全,因此經(jīng)過(guò)考慮后采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理。

該段內(nèi)的土層分布情況如下:①砂墊層:灰白色、褐黃色,主要成分為細(xì) ～中砂,中密,為新近填砂。該層呈層狀分布,層厚1.60 m;②耕植土層:土黃色、灰黑色,主要成分為粘土,濕,軟～可塑,厚度3.90 m;③淤泥質(zhì)粘土:灰黑色,黑色,濕～飽和,流～軟塑,含腐殖質(zhì),有泥臭味;含少量粉細(xì)砂及貝殼碎屑,層厚 9.28 m;④淤泥層:灰黑色,黑色,飽和,流～軟塑,含腐殖質(zhì),有泥臭味;含少量粉細(xì)砂,有砂感,層厚4.50 m;⑤粘土層:土黃色,灰黃色,主要成分為粉、粘粒,粘性強(qiáng),局部含淤泥質(zhì),濕,可塑～硬塑,以可塑為主。層厚6.60 m;⑥淤泥質(zhì)粘土:灰黑色,黑色,可塑,主要成分為粘性土,含腐木、枯葉,有泥臭味;含少量粉細(xì)砂,有砂感,層厚4.20 m。

其中第3層、4層的淤泥土質(zhì)指標(biāo)較差,呈流塑狀,含水率高,強(qiáng)度低,孔隙比大,并富含有機(jī)質(zhì),因此主要針對(duì)該層進(jìn)行處理。

在預(yù)壓施工前,按照正方形排列、間距1.3 m打入21 m長(zhǎng)的PVD,工程斷面如圖1所示。真空預(yù)壓以及堆載施工的加載情況如圖2、圖3所示。

圖1 工程斷面

圖2 真空荷載曲線

圖3 堆載荷載曲線

2 三維有限元計(jì)算方法

2.1 真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓中海堤地基的變形特點(diǎn)

海堤軟基都打設(shè)了PVD之后,要考慮PVD的作用以及PVD之間土體的變形、孔壓變化,可以沿軟基長(zhǎng)度方向取一段作為分析對(duì)象,由于可假定軟基沿長(zhǎng)度方向的位移為0,因此可將這一小段取出來(lái)類似于平面應(yīng)變問(wèn)題中的單位厚度,但是在該小段內(nèi)考慮PVD的布置,如圖4所示。這樣的簡(jiǎn)化模型未考慮軟基沿長(zhǎng)度方向的變形,但是考慮了PVD的作用位置而無(wú)需將其簡(jiǎn)化為砂墻地基,除了在軟基的兩端,這個(gè)簡(jiǎn)化條件是合適的。

圖4 計(jì)算模型示意圖

計(jì)算中采用的土體模型為修正劍橋模型。修正劍橋模型的參數(shù)如下:λ為e-lnp′平面上等向壓縮曲線的坡度;κ為e-lnp′平面上回彈曲線的坡度;ecs為臨界狀態(tài)線當(dāng)p′=1時(shí)的孔隙比;M為q-p′平面臨界狀態(tài)線的坡度;G,γ為彈性剪切模量和泊松比,可任取一個(gè)。修正劍橋模型的具體參數(shù)意義在此不再贅述,見參考文獻(xiàn)[5]。

結(jié)合上述海堤地基的變性特點(diǎn),用abaqus進(jìn)行了計(jì)算。

2.2 PVD參數(shù)的選取

PVD在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用,但是同PVD有關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)采用的參數(shù)仍然存在一定的爭(zhēng)議,對(duì)計(jì)算結(jié)果能產(chǎn)生較大的影響,因此,國(guó)內(nèi)外廣泛開展了室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析,對(duì)PVD參數(shù)確定進(jìn)行了深入的研究,但仍未能形成較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),本節(jié)在前人文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合自己在有限元計(jì)算過(guò)程中的一些體會(huì),對(duì)PVD參數(shù)進(jìn)行總結(jié)與探討。

由Hansbo解可知[6],在設(shè)計(jì)計(jì)算中所需要的參數(shù)主要有兩方面,一方面是同PVD本身的排水性能以及在打設(shè)PVD過(guò)程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)影響,即涂抹效應(yīng);另一方面是土體本身的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

在涉及PVD自身特性的參數(shù)中,最為重要的是PVD的長(zhǎng)期通水能力,其對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的影響較大。在PVD使用過(guò)程中,PVD的長(zhǎng)期通水能力會(huì)較使用之前有較大的下降。因此,在設(shè)計(jì)時(shí),必須采用具備較大通水能力的排水板,并且計(jì)算時(shí)應(yīng)采用長(zhǎng)期通水能力,在測(cè)試PVD通水能力時(shí),必須盡可能的模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,Hansbo詳細(xì)總結(jié)分析了用于測(cè)試PVD長(zhǎng)期通水能力的試驗(yàn)方法和儀器。造成PVD長(zhǎng)期通水能力下降,通常稱為井阻的主要有以下原因:PVD側(cè)向受到固結(jié)土壓力;PVD堵塞及彎曲。一般可采用qw=100 m3/a或50 m3/a作為設(shè)計(jì)取值。

在排水板打設(shè)過(guò)程中,由于打設(shè)機(jī)械的影響,會(huì)對(duì)排水板周圍土體產(chǎn)生一定的擾動(dòng),并在排水板周圍形成涂抹區(qū),涂抹區(qū)產(chǎn)生的原因主要有二:一是靠近排水板周圍土體,由于機(jī)械的影響,土體結(jié)構(gòu)完全破壞,導(dǎo)致水平向滲透系數(shù)的大幅下降;二是由于排水板打設(shè)是一個(gè)相對(duì)較快的過(guò)程,在打設(shè)過(guò)程中,必然使周圍土體中產(chǎn)生較高的超靜孔隙水壓力,土體中的超靜孔隙水壓力消散導(dǎo)致土體固結(jié),孔隙比減小,使得涂抹區(qū)土體的滲透系數(shù)下降。涂抹區(qū)的范圍主要取決于鉆機(jī)鉆頭的尺寸與截面形狀。

對(duì)于涂抹區(qū)的大小以及涂抹區(qū)土體滲透系數(shù)下降的幅度,國(guó)內(nèi)外開展了廣泛深入的研究。由文獻(xiàn)[4]可知,土體滲透系數(shù)kh與涂抹區(qū)滲透系數(shù)ks之間的比值變化范圍較大,可以在1～15之間,因此在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,如何更好的考慮涂抹區(qū)滲透系數(shù)變化情況還需要進(jìn)一步研究,通常情況下可以選取kh/ks=2～8,根據(jù)筆者計(jì)算的一些體會(huì),建議采用kh/ks=4～6,本研究取值為5。

2.3 計(jì)算斷面及參數(shù)

選取典型斷面進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算,計(jì)算的工程斷面如圖1所示。

2.3.1 土體模型參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料,可以得到數(shù)值計(jì)算所需要的修正劍橋模型參數(shù)。如表1所示。其中第①層砂墊層的滲透系數(shù)較大,不考慮其固結(jié)沉降,在計(jì)算中視為邊界條件。

2.3.2 PVD參數(shù)

考慮到PVD對(duì)海堤地基在受力方面的作用不大,主要考慮其通水能力,因此定義其計(jì)算參數(shù)為:彈性模量 E=10 kPa,滲透系數(shù)k=2.5×10-3cm/s。

表1 有限元計(jì)算所需的劍橋模型參數(shù)

2.4 有限元網(wǎng)格及邊界條件

2.4.1 有限元計(jì)算網(wǎng)格

選取一段加固區(qū)進(jìn)行計(jì)算,由該路段的排水板布置間距可得有限元網(wǎng)格的平面示意圖以及透視圖分別如圖5、圖6所示。劃分的有限元網(wǎng)格中八結(jié)點(diǎn)土體單元共計(jì)41520個(gè)。

圖5 模型的轉(zhuǎn)化

圖6 有限元網(wǎng)格

2.4.2 邊界約束條件及計(jì)算用加載過(guò)程

進(jìn)行有限元分析時(shí),其約束條件為:豎向邊界面均為水平位移約束以及不透水邊界,豎向位移無(wú)約束,基底為豎向、水平向位移約束,同時(shí)也是不透水邊界。地面處,加固區(qū)和非加固區(qū)位移自由,非加固區(qū)孔壓為0。加固區(qū)表面孔壓為0。真空和堆載的實(shí)際加載曲線以及計(jì)算用簡(jiǎn)化加載曲線如圖7、圖8所示。

孔壓邊界取為:地基表面孔隙水壓力為0,其它邊界的孔壓未知。真空荷載的施加模擬為地表孔隙水壓力減小為-80 kPa。

在堆載時(shí),將填土折算成等效結(jié)點(diǎn)荷載按實(shí)際加載曲線施加上去。

荷載施加曲線如圖7、圖8所示。

圖7 真空荷載加載及計(jì)算曲線

圖8 堆載荷載加載及計(jì)算曲線

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 表面沉降計(jì)算結(jié)果

計(jì)算的加固區(qū)中部及右路肩處的表面沉降曲線如圖9、圖10所示。從圖中可以看到,路堤中心處的沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較接近,路肩處的沉降計(jì)算值則稍大于實(shí)測(cè)值。其原因主要是計(jì)算荷載以路堤中心處為標(biāo)準(zhǔn),其包括了沉降補(bǔ)方的荷載,而路肩處的沉降補(bǔ)方量要少于路堤中心處,計(jì)算時(shí)為了方便,僅考慮路堤中心處補(bǔ)方量,因此計(jì)算結(jié)果偏大。

3.2 分層沉降計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算的分層沉降值以及實(shí)測(cè)值如圖11所示。其中實(shí)測(cè)儀器到施工后200 d左右破壞,因此實(shí)測(cè)僅有施工200 d以內(nèi)的數(shù)據(jù)。計(jì)算值在初期要大于實(shí)測(cè)值,但是隨著堆載的施加,兩者逐漸接近。從這個(gè)角度而言,目前的真空荷載作用下的地基計(jì)算方法還需要進(jìn)一步研究。前述的表面沉降亦有這個(gè)現(xiàn)象,即真空預(yù)壓階段的計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值。不過(guò)隨著堆載的作用,計(jì)算值和實(shí)測(cè)值逐漸趨于一致。

圖9 加固區(qū)中心表面沉降

圖10 右路肩表面沉降

圖11 分層沉降計(jì)算值

3.3 水平位移計(jì)算

圖12是1 m深度處的水平位移實(shí)測(cè)值以及計(jì)算值,由于測(cè)斜管離加固區(qū)有一定距離,因此水平位移幅度不是很大。計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的趨勢(shì)基本一致,即在真空荷載施加之前,由于有砂墊層的作用,加固區(qū)外土體是向外位移即擠出的(收縮為負(fù)值),真空荷載作用后,土體開始向內(nèi)收縮,而隨著堆載的進(jìn)一步施加,土體又開始向外擠出。計(jì)算值要大于實(shí)測(cè)值,分析其原因,主要是由于土體在擠出、收縮的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生裂縫,產(chǎn)生的部分裂縫位于測(cè)斜管和加固區(qū)之間,目前的計(jì)算理論無(wú)法模擬、反映裂縫的作用和影響,因此計(jì)算值要大于實(shí)測(cè)值。

圖12 1 m深度的水平位移計(jì)算值

3.4 孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果

孔隙水壓力觀測(cè)是了解地基土體固結(jié)狀態(tài)比較直接的手段,根據(jù)孔隙水壓力的變化規(guī)律,可分析地基土體的固結(jié)機(jī)理;通過(guò)不同深度孔壓隨時(shí)間變化曲線的實(shí)測(cè)資料,可進(jìn)一步研究土體強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律。

圖13為5 m深度處的孔壓實(shí)測(cè)值以及計(jì)算值。從圖中可看出,計(jì)算值的變化趨勢(shì)與加載過(guò)程是吻合的,符合孔壓升高-消散-加壓升高-再消散的規(guī)律。實(shí)測(cè)值也基本遵循了這個(gè)規(guī)律,兩者在數(shù)值上還是有一定的差異。

圖13 5 m深度處的孔壓對(duì)比曲線

3.5 有限元計(jì)算誤差分析

本文的三維計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值也有一定的差異,造成這種差別主要有下列一些原因:

本課題數(shù)值計(jì)算的理論基礎(chǔ)是Biot固結(jié)方程。Biot固結(jié)方程的基本假定之一是土體完全飽和。在本文的實(shí)際工程中,地下水位在地面下1 m～2 m,地下水位之上的土體為非飽和狀態(tài),因此會(huì)造成一定的誤差。

此外,在推導(dǎo)Biot固結(jié)有限元公式的時(shí)候,對(duì)孔隙水的流動(dòng)采用了達(dá)西定理描述,然而已有一些文獻(xiàn)對(duì)該假定提出不同意見,認(rèn)為孔隙水的流動(dòng)并不嚴(yán)格遵循達(dá)西定理。

由于土體本身的復(fù)雜性,有限元分析選取的土體本構(gòu)模型不能完全反映土體的變形特性。

有限元分析時(shí)所采用的加荷方式及加荷級(jí)數(shù)與真實(shí)的加荷情況有一定差異。數(shù)值計(jì)算的荷載施加是一根比較平滑的曲線,而實(shí)際的荷載施加曲線則曲折得多。

計(jì)算時(shí)未考慮土體滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化。此外對(duì)PVD的滲透系數(shù),本文計(jì)算時(shí)取值為上下一致。而考慮到深層土體中的PVD受到較大的水平向應(yīng)力,因此會(huì)導(dǎo)致其通水能力降低,滲透系數(shù)的取值也應(yīng)相應(yīng)降低。由于缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及理論研究,本文沒(méi)有考慮該影響。

計(jì)算模型同實(shí)際模型有一定差別,邊界條件的選取仍需進(jìn)一步的研究、改進(jìn)以模擬實(shí)際情況。

4 結(jié) 語(yǔ)

從上述工程實(shí)例分析可以看出,從已有的實(shí)測(cè)值、計(jì)算值比較來(lái)看,本文的計(jì)算結(jié)果同實(shí)測(cè)值吻合還是較好的。得到的結(jié)論如下:

(1)本研究采用了三維Biot固結(jié)有限元法,在計(jì)算中采用了修正劍橋模型,根據(jù)海底地基的變形特點(diǎn)而采用的三維計(jì)算模型,與以往的方法相比,可不必考慮轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題時(shí)帶來(lái)的與實(shí)際情況不符的矛盾,較全面地考慮了打設(shè)了PVD后的空間效應(yīng),計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近。

(2)本研究的孔壓計(jì)算結(jié)果在加固區(qū)內(nèi)與實(shí)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)基本吻合,而影響區(qū)的孔壓計(jì)算結(jié)果還需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)對(duì)有限元計(jì)算的誤差原因進(jìn)行了分析,對(duì)今后的相關(guān)研究提供了建議和參考。

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