基于FLAC3D的吹填土真空預(yù)壓數(shù)值分析

林高杰，張寧，李文彬，劉浩斌

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.大連港北岸投資開發(fā)有限公司，大連116000；3.大連港集團有限公司，大連116000；4.河海大學(xué)，南京210098）

基于FLAC3D的吹填土真空預(yù)壓數(shù)值分析

林高杰1，張寧2，李文彬3，劉浩斌4

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.大連港北岸投資開發(fā)有限公司，大連116000；3.大連港集團有限公司，大連116000；4.河海大學(xué)，南京210098）

吹填土的固結(jié)變形屬于流-固耦合大變形問題，通常的有限元軟件對此類問題的模擬分析較為困難，而利用FLAC3D對吹填土固結(jié)變形進行研究則十分便利，這主要表現(xiàn)為FLAC3D本身的算法更適合解決高度的非線性問題和流-固耦合問題。為了便于研究在真空預(yù)壓過程中大窯灣吹填土的固結(jié)與變形特性，利用FLAC3D將修正劍橋模型和比奧固結(jié)理論相結(jié)合，分別用“面層負壓法”和“節(jié)點負壓法”模擬兩種實際的真空壓力施加方法，并通過數(shù)值計算對比了這兩種方法在加固過程中沉降變化、位移變化及孔隙水壓力變化的特點，計算結(jié)果表明“節(jié)點負壓法”更有利于真空度在土體中的傳遞，相應(yīng)的加固效果更好。

吹填土；有限元；流-固耦合；劍橋模型；比奧固結(jié)理論

隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市建設(shè)的開展，利用吹填土來填海造陸已成為沿海沿江城市緩解土地資源緊張及新港口建設(shè)的有效途徑。然而，由于吹填土具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、密度小、強度低、滲透性小等特點，大大增加了其處理難度［1］。為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者從吹填土的特性［2］、固結(jié)沉降特性［3-4］、數(shù)值方法［5-7］及處理方法等方面進行了研究。其中，數(shù)值計算具有便捷快速的特點，目前已成為國內(nèi)外學(xué)者研究吹填土的重要手段。宋晶［5］利用三維顆粒流對吹填土的固結(jié)和沉降特性進行研究，楊愛武［6］利用ABAQUS對吹填土的流變特性進行了研究，孫立強［7］利用ABAQUS對吹填土真空預(yù)壓條件下的土體變形和孔壓變化進行了研究。但由于吹填土固結(jié)屬于流-固耦合大變形問題，上述有限元軟件對此類問題模擬有待完善。而FLAC3D在算法上采用“混合離散法”來模擬巖、土體的塑性流動和塑性破壞，相對于其他數(shù)值計算軟件結(jié)算結(jié)果的更為準確和合理，可以模擬巖土材料的高度非線性特征和流-固耦合作用。

1 大窯灣吹填場地基本特征

大連大窯灣港區(qū)位于遼東半島南端黃海水域的大窯灣內(nèi)，是大連港現(xiàn)有八大港區(qū)之一，也是我國規(guī)劃建設(shè)中的四大深水中轉(zhuǎn)港之一。它與大連港隔海相望，與大連經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和大連保稅區(qū)相連，距沈大高速公路15 km，距大連市中心約40 km，擁有27 km的海岸線。

1.1 大窯灣地質(zhì)概況

根據(jù)大窯灣地形地貌、地層、構(gòu)造、第四紀堆積物的分布規(guī)律和巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，可將大窯灣分為三大類場地：基巖山區(qū)場地、山前斜坡場地及海濱河口場地。其中，濱海軟土地基屬于濱海河口場地，其主要分布在大窯灣灣頂及大地村等低洼的瀉湖沼澤、濕地地帶。其巖性組成為灰色、灰黃色淤泥質(zhì)粉砂、淤泥質(zhì)亞粘土、亞砂土，厚度3～5 m，具有高含水量、高壓縮性、低滲透性、流變性和不均勻性等特點。

1.2 大窯灣吹填土的組成［8］

土體的顆粒組成，礦物成分、物理力學(xué)指標對土體的固結(jié)特性及物理力學(xué)性質(zhì)等工程特性有較大影響。通過對大窯灣吹填土顆粒分析和礦物組成分析，并對照相關(guān)的勘察資料后得到，待加固區(qū)吹填土主要以粉粒和粘粒為主，其中粉粒含量在60%～70%，粘粒含量為20%～30%。

1.3 大窯灣北岸吹填區(qū)地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)勘察資料及我方驗證性鉆孔，場區(qū)地層自上而下分為6層：淤泥（吹填）、角礫（吹填）、粉質(zhì)粘土（吹填）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土。其中，吹填淤泥層平均4.2 m，呈黃褐色、灰褐色、飽和、流塑狀，是加固的主要土層，該土層主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。

表1 吹填土物理力學(xué)性質(zhì)指標Tab.1Physical and mechanical property indexes of soils

2 吹填土本構(gòu)模型

對于吹填土來說，在上部荷載作用下，其變形量往往達到土層厚度10%～20%，甚至超過30%。這種應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有高度的塑性非線性特點，而一般的彈性或彈性非線性本構(gòu)關(guān)系均難以較好地反映吹填土這種特點。

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特性

一般來說，土的形成是經(jīng)過漫長的地質(zhì)過程的，由于在形成過程中受風(fēng)化、搬運、沉積和固結(jié)的影響，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)雜。土的應(yīng)力應(yīng)變特性主要有非線性、彈塑性、脹縮性、結(jié)構(gòu)性及流變性等構(gòu)成，主要的影響因素有應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷史等。吹填土是在整治和疏通江河行道時，用挖泥船和泥漿泵把江河和港口底部的泥砂通過水力吹填而形成的沉積土。其礦物來源、組成與當(dāng)?shù)爻练e土基本一致，但由于水力吹填作用，改變了它的沉積環(huán)境和結(jié)構(gòu)性，進而影響到了它的固結(jié)和變形特性。

2.2 本構(gòu)模型的選擇

現(xiàn)有的土的本構(gòu)模型主要有兩大類：彈性模型和彈塑性模型。由于吹填土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系高度的非線性和塑性變形較大，顯然彈性模型不適用于建立吹填土本構(gòu)模型。結(jié)合北岸吹填土特點及室內(nèi)試驗難易程度，劍橋模型是最為合適的選擇。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：劍橋模型的待定參數(shù)最少，便于計算和分析，且比較適用于剪縮性的軟粘土。在三軸試驗難以進行時，可以采用一維壓縮試驗，根據(jù)求得壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)計算λ、κ，其換算關(guān)系為λ=cc/2.303，k=cs/2.303；可根據(jù)一組剪切試驗獲得土的內(nèi)摩擦角φ后計算M，其換算關(guān)系為M=6sinφ/（3-sinφ）。其他模型的參數(shù)較多，且均需要通過三軸試驗進行確定，而對于含水量大于80%的吹填土三軸試驗極為困難。修正劍橋模型屈服面為橢圓形，該模型較劍橋模型能更好地反映土體的實際情況，應(yīng)用范圍更廣。為此本文吹填土本構(gòu)模型將采用修正劍橋模型。

在進行吹填土地基固結(jié)度計算時，還需要土的滲透系數(shù)κ、孔隙流體（水）容重γw，以及土體中的現(xiàn)場原位應(yīng)力。土體中的原位應(yīng)力可以根據(jù)土的容重和K0獲得。此外，為了計算土體的彈性變形還要用到彈性體積模量K，彈性剪切模量G，它們是隨應(yīng)力變化的。

由于實際問題為軸對稱問題，當(dāng)土體處于彈性狀態(tài)時，可將6×6模量矩陣D可以簡化為

當(dāng)土體達到屈服時，應(yīng)力狀態(tài)滿足下式

p′c是硬化參數(shù)，可由下式來計算

式中：p′0、q′0分別為土的原位平均應(yīng)力、廣義剪應(yīng)力。屈服后，模量矩陣D定義如下

3 吹填土固結(jié)理論

到目前為止，比奧固結(jié)理論是比較完備的土的三維固結(jié)理論，該理論將彈性理論與水流的連續(xù)條件相結(jié)合，可以獲得土體的應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力等多個參數(shù)。唯一的不足就是無法得到解析解，只能通過數(shù)值計算的方法進行求解。為此將有限元與比奧固結(jié)理論相結(jié)合比常規(guī)計算方法優(yōu)勢明顯。它可以考慮土體的非線形、粘塑性等特征，可以考慮比較復(fù)雜的邊界條件以及模擬整個施工過程土體固結(jié)變形的發(fā)展過程，并能給出任何時刻的應(yīng)力、變形、孔隙水壓力等多個參數(shù)變化情況。

3.1 比奧（Biot）固結(jié)理論

比奧固結(jié)理論的基本公式包含平衡微分方程和連續(xù)性微分方程兩部分，對于空間問題，土體中任一點的平衡微分方程為

式中：E′、v′、G′分別為排水條件下的彈性模量、泊松比和剪切模量。

假設(shè)土的滲透性各向相同，即kx=ky=kz=k，并將εν用位移表示出來，則上式可寫為以位移和孔隙水壓力表示的連續(xù)性方程

式（5）和式（6）聯(lián)立即為比奧固結(jié)方程。

3.2 邊界條件

利用Biot固結(jié)理論進行真空預(yù)壓法流-固耦合分析，邊界條件包括3種類型：應(yīng)力邊界條件；位移邊界條件；孔壓邊界條件（即真空壓力作用面的負壓條件）。分析中應(yīng)力和位移邊界條件的類型及處理方法，與一般彈性力學(xué)問題有限元單元法中的邊界條件完全一樣，此處不再贅述。這里僅介紹負壓邊界條件的處理方法。

根據(jù)實際情況，抽真空采用了兩種方式。一種是濾管直排方式，抽真空開始后，淤泥面層將很快達到設(shè)計的真空值，模擬時直接將負壓加在淤泥層表面（面層負壓法）。另一種是氣管直排方式，將負壓逐點施加在排水板上（節(jié)點負壓法）。該方法需要根據(jù)實際排水板的間距、長度以及每米真空度的損失情況進行施加。上述兩種抽真空方式總的真空壓力均相等為-80 kPa。

3.3參數(shù)的選取

參數(shù)選取的質(zhì)量，直接關(guān)系到有限元模擬的效果。由于劍橋模型參數(shù)較少，且前文已經(jīng)對該模型3參數(shù)的取得做了較為詳細的說明，在此不作詳述。比奧固結(jié)理論主要的控制參數(shù)有滲透系數(shù)k，彈性模量E、泊松比v、剪切模量G，土體的飽和容重γsat。其中k、γsat均可以通過常規(guī)土的物理力學(xué)試驗獲得。G可以根據(jù)E、v求得。只有E、v是較難以獲得。通常情況下，土體的壓縮系數(shù)Es是給定的，根據(jù)Es與E的關(guān)系可以確定E的取值，其關(guān)系式中唯一的參數(shù)便是泊松比v。由此可見，泊松比是制約G和E取值的關(guān)鍵因素。通常情況下，吹填土的泊松比難以直接測定，只能通過壓縮試驗或三軸試驗測得側(cè)壓力系數(shù)，然后換算得到泊松比v。

圖1 真空預(yù)壓試驗?zāi)Ｐ途W(wǎng)格劃分Fig.1Vacuum preloading test model grid

4 吹填土固結(jié)沉降模型分析

4.1 吹填土真空預(yù)壓流-固耦合模型的建立

真空預(yù)壓是典型的流-固耦合過程，一般情況下抽真空時間為3～4個月。由于吹填土含水量高，滲透性差，設(shè)置抽真空時間為4個月。通過對真空預(yù)壓模擬，探求真空預(yù)壓固結(jié)沉降特性。為模擬排水板群辦效應(yīng)，設(shè)定4根排水板，加固深度4.2 m與現(xiàn)場一致（圖1），排水板間距0.8 m，尺寸為4.0×100.0 mm，換算等效直徑為6.6 cm，吹填土完全飽和。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于所建三維模型無法看清排水板內(nèi)及土體內(nèi)孔隙水壓力消散情況，在實際計算時截取排水板中心所對應(yīng)的剖面，以便觀察孔壓和沉降變化規(guī)律。

4.2.1 孔隙水壓力分析

圖2、圖3分別為濾管和氣管方式抽真空結(jié)束時的孔隙水壓力云圖。從圖2和圖3中可以看出，濾管方式抽真空在頂部以下1.0 m范圍內(nèi)土體孔隙水壓力消散最為明顯，而采用氣管方式抽真空后在整個加固深度內(nèi)孔隙水壓力均得到了明顯的消散，這與室內(nèi)試驗實測情況不同。分析原因可能為土體的滲透性差，孔隙水壓力計被淤泥堵塞，造成負壓損失或滯后。此外，發(fā)現(xiàn)濾管方式抽真空孔壓的實測值與數(shù)模值差異巨大，這說明目前濾管方式抽真空尚需進行改進，以便對該工藝進行完善。

圖2 濾管方式抽真空孔壓云圖Fig.2Vacuum preloading pore water pressure nephogram with filter tube

圖3 氣管方式抽真空孔壓云圖Fig.3Vacuum preloading pore water pressure nephogram with exhaust tube

圖4 濾管方式抽真空沉降云圖Fig.4Vacuum preloading settlement with filter tube

圖5 氣管方式抽真空沉降云圖Fig.5Vacuum preloading settlement with exhaust tube

4.2.2沉降分析

圖4是濾管方式抽真空結(jié)束時對應(yīng)的沉降云圖。從圖4中可以看出，累計沉降最大點發(fā)生在土層頂面中心處為288.8 mm，比實測沉降量大56.8 mm。圖5是氣管方式抽真空結(jié)束時對應(yīng)的沉降云圖。從圖5中可以看出，累計沉降量最大點發(fā)生在邊界處，為455.6 mm，接近實測最大值466.2 mm。并驗證了開啟氣管方式抽真空后沉降最大點發(fā)生了改變。分析認為氣管方式抽真空在排水板中真空度傳遞良好，在真空吸力作用下排水板周圍土體向排水板位移收縮較濾管方式更為明顯，并在排水板周圍形成致密的“土柱”，從而導(dǎo)致排水板間和邊界處沉降比排水板處沉降更為顯著。

4.2.3 位移分析

圖6、圖7分別為濾管和氣管方式抽真空結(jié)束時的水平位移云圖。從圖6和圖7中可以看出，濾管方式抽真空位移云圖呈沙漏型，存在2個極大值，一個出現(xiàn)在頂部，一個出現(xiàn)在深度0.8 m處。氣管方式抽真空位移云圖呈橄欖型，最大位移點出現(xiàn)在深度1.0 m處。這主要是抽真空工藝不同造成的。從圖中還可以看出，濾管方式抽真空最大位移為36.6 mm，氣管方式抽真空最大位移為40.3 mm，兩者相差微弱。對比沉降云圖，發(fā)現(xiàn)無論采用何種抽真空方式，水平位移量僅為沉降量的8.5%～12.6%，說明沉降是吹填土變形的主要方面。

5 結(jié)論

將修正劍橋模型和比奧固結(jié)理論相結(jié)合，利用數(shù)值計算方法對大窯灣吹填土進行了沉降固結(jié)特性的研究。其主要結(jié)論如下：

從大窯灣吹填土的特性出發(fā)，對比了目前軟土的各類本構(gòu)關(guān)系。結(jié)合吹填土特點及室內(nèi)試驗難易程度，認為修正劍橋模型是最為合適的選擇。

吹填土的沉降和固結(jié)是一個問題的兩個方面，從現(xiàn)有固結(jié)理論來看，選用比奧固結(jié)理論是最為合適的選擇。并結(jié)合實際情況對模型的邊界條件、參數(shù)選取進行了詳細的描述。

將修正劍橋模型和比奧固結(jié)理論相結(jié)合，建立吹填土的流-固耦合計算模型。并預(yù)測了濾管和氣管直排方式抽真空沉降、位移和孔壓變化規(guī)律，對比了它們之間的差異，并為設(shè)計和施工起到了指導(dǎo)。

圖6 濾管方式抽真空位移云圖Fig.6Vacuum preloading displacement with filter tube

圖7 氣管方式抽真空位移云圖Fig.7Vacuum preloading displacement with exhaust tube

［1］JGJ79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］王華敬，顧長存，蘇慧.錢塘江吹填土的沉淀特性研究［J］.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2002，15（2）：60-63. WANG H J，GU C C，SU H.Study of the sedimentation of the Qiantang River′s hydraulic fill［J］.Journal of Lianyungang of Tech?nical College，2002，15（2）：60-63.

［3］Been K，Sills G C.Self?weight consolidation of soft soil—an experimental and theoretical study［J］.Geotechnique，1981，31（4）：519-539.

［4］Znidarcic D，Schiffman R L，Pane v，et a1.The theory of one?dimensional consolidation of saturated clays（Part V）：constant rate of deformation testing and analysis［J］.Geotechnique，1986，36（2）：227-237.

［5］宋晶.分級真空預(yù)壓法加固高粘性吹填土的模擬試驗與三維顆粒流數(shù)值分析［D］.吉林：吉林大學(xué)，2011.

［6］楊愛武.結(jié)構(gòu)性吹填軟土流變特性及其本構(gòu)模型研究［D］.天津：天津大學(xué)，2011.

［7］孫立強.超軟吹填土地基真空預(yù)壓理論及模型試驗的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［8］天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司.大連港大窯灣港區(qū)二期續(xù)建工程17#、18#泊位真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法地基加固效果檢測報告［R］.天津：天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，2007.

思茅港至老撾國際航道將于2025年建成

本刊從2014年12月3日于昆明召開的“瀾滄江—湄公河國際航運發(fā)展規(guī)劃（2015年～2025年）磋商會”上獲悉，到2025年將建成從中國云南思茅港南得壩至老撾瑯勃拉邦長度890 km，通航500 t級船舶的國際航道，并在沿岸布設(shè)一批客運港口和貨運港口。瀾滄江—湄公河國際航運開創(chuàng)于20世紀90年代初，2001年6月實現(xiàn)正式通航。由于老撾會曬至瑯勃拉邦300 km河道未實施整治工程，枯期寬淺河段僅能通航60 t級船舶，上下游航道開發(fā)不一致，限制了國際航運整體運力的提升和綜合效益的發(fā)揮，需要通過科學(xué)的方法對瀾滄江—湄公河國際航運發(fā)展做出合理規(guī)劃。此次會議規(guī)劃目標的實施，將極大地改善國際航道條件，提高港口服務(wù)功能，加快中老緬泰4國互聯(lián)互通合作。（殷缶，梅深）

江漢運河正式通航

本刊從交通運輸部獲悉，經(jīng)過兩個月試運行，2014年11月26日，新中國第一條運河——湖北江漢運河正式通航。江漢運河航道建設(shè)期名為引江濟漢通航工程，全長67 km。船舶由長江中游沙市到漢江中游潛江，走江漢運河，67 km到達，比沿長江繞道武漢縮短水運里程681 km；船舶由沙市到漢口，走江漢運河，337 km到達，比沿長江縮短水運里程141 km。（殷缶，梅深）

天津港大港港區(qū)防波堤東段工程完成

本刊從天津港獲悉，天津港大港港區(qū)東、北防波堤東段工程已于2014年11月底前完全結(jié)束。該工程分為兩段，總長度4 076 m，兩段均為半圓體結(jié)構(gòu)段，各段均長2 038 m。建成后對大港港區(qū)及即將建成的10萬t級航道形成進一步掩護，改善口門處流場條件，降低船舶航運風(fēng)險，起到防砂、減淤的作用，從而減少港區(qū)航道的維護量。（殷缶，梅深）

Analysis on dredger fill by vacuum preloading with FLAC3D

LIN Gao?jie1,ZHANG Ning2,LI Wen?bin3,LIU Hao?bin4
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety, Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2.The North Shore of Dalian Port Investment and Development Co., Ltd.,Dalian 116000,China;3.PDA Corporation,Dalian 116000,China;4.Hohai University,Nanjing 210098, China）

The dredger fill consolidation is a kind of large?strain of fluid?solid coupling problems,so it is very difficult to simulate and analyze by using finite element software.The FLAC3D algorithm is more suitable for solv?ing the advanced nonlinear deformation problems and fluid?solid coupling problems than other FEM algorithms,and it is very convenient to solve large?strain of fluid?solid coupling problems by using FLAC3D.In order to analyze on?solidation deformation properties of the dredger fill in vacuum preloading,the modified Cambridge model and Biot′s consolidation theory were used.Surface?vacuum method and node?vacuum method were employed to simulate two kinds of vacuum loading.Through numerical calculation and comparison,characteristics of settlement,displace?ment and pore water pressure change were studied.The calculation results show that the node?vacuum method is more conducive to vacuum transfer in the soil,and the corresponding reinforcement effect is better.

dredger fill；finite element；fluid?solid coupling；the Cambridge model；Biot′s consolidation theory

TV 331

A

1005-8443（2014）06-0623-06

2014-06-03；

2014-06-12

林高杰（1980-），男，河南省人，工程師，主要從事水運工程試驗檢測研究。

Biography：LIN Gao?jie(1980-)，male，engineer.