基于abaqus的軟土固結(jié)水平加載法與堆載法的對(duì)比

張嫵媚

(北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

0 引言

我國(guó)有大面積軟土，尤其是在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、人口密集、土地資源緊張的東部沿海地區(qū)軟土地基的分布更是廣泛。由于軟土地基含水量大、承載力低、沉降量大，在其上修筑建筑物前需要對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理。

排水固結(jié)，指土在各方向承受壓力，并隨著孔隙水的排出產(chǎn)生壓縮的現(xiàn)象［1］。堆載預(yù)壓法，是通過(guò)在天然地基中設(shè)置排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)，根據(jù)地基土體固結(jié)特性，使土體提前完成固結(jié)沉降、增加地基強(qiáng)度的方法。該方法使地基沉降在加載預(yù)壓期間基本完成或者大部分完成，減少地基沉降和竣工后的地基不均勻沉降。

目前，對(duì)土體施加豎向荷載的排水固結(jié)法是軟土地基處理的首選方案，主要有堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法以及兩者的結(jié)合。隨著深度的增加，上部荷載對(duì)底部土體作用的附加應(yīng)力減小，而受到軟土承載力的限制，土體只能逐級(jí)施加預(yù)壓荷載，由此，決定了這些方法都需要較長(zhǎng)的施工周期。

本文中將介紹一種對(duì)土體施加水平荷載的排水固結(jié)方法，并引用京珠高速公路作為工程實(shí)例［2-4］，應(yīng)用abaqus有限元分析，與豎向排水固結(jié)中常用的堆載法進(jìn)行對(duì)比分析。

1 水平加載排水固結(jié)方法介紹

水平加載排水固結(jié)方法，即通過(guò)對(duì)土體打孔，使用機(jī)械深入土中，逐步向周?chē)翑U(kuò)展，同時(shí)起到加壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的作用，以此來(lái)改善周?chē)馏w性質(zhì)，增強(qiáng)土體的承載能力。

對(duì)于飽和軟土，在不大于其承載能力的壓力作用下，土中孔隙水逐步排出，土體孔隙逐步減少，從而土的強(qiáng)度增加(即通過(guò)土的排水固結(jié)提高強(qiáng)度);進(jìn)而可以增加與土的強(qiáng)度增量相應(yīng)的壓力增量，使土在更大的壓力下逐步排水固結(jié)，進(jìn)一步提高強(qiáng)度;如此以一定速率緩慢加載，使土體不斷排水固結(jié)最終達(dá)到希望的土體強(qiáng)度。同樣對(duì)于非飽和軟土，以一定速率緩慢的施加壓力，使土中孔隙逐步減少，土體逐步密實(shí)，也可以提高土的強(qiáng)度。

通過(guò)建立簡(jiǎn)化模型，對(duì)水平加載排水固結(jié)方法進(jìn)行有限元分析，得到了以下幾個(gè)結(jié)論:由于受到使用工具的限制，因此，在對(duì)模型進(jìn)行分析時(shí)設(shè)定為對(duì)土體施加的是位移荷載，并且采用1/2平面模型，選取地質(zhì)工程手冊(cè)中軟土的設(shè)定參數(shù)，采用摩爾—庫(kù)侖模型，通過(guò)改變單一參數(shù)的方法，對(duì)水平加載排水固結(jié)方法的特點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié)。如圖1所示，間距為5 m時(shí)采用不同時(shí)間內(nèi)施加0．1 m位移荷載的情況下土減少的體積與原體積的比，和間距為10 m時(shí)采用不同時(shí)間施加0．2 m位移荷載的情況下，土減少的體積和原體積的比。

圖1 不同時(shí)間施加位移荷載下固結(jié)度

圖2 不同位移荷載作用下軟土固結(jié)程度

土固結(jié)度是指土層或土樣在某一級(jí)荷載下的固結(jié)過(guò)程中某一時(shí)刻孔隙水壓力平均消散值或壓縮量與初始孔隙水壓力增量或最終壓縮量的比值，以百分率表示。即某一時(shí)刻的壓縮量與最終壓縮量之比［1］。以480 h施加相同位移荷載所得到的減小面積為所能達(dá)到的最大減少體積，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到圖1。

由圖1可以看出:1)在相同的位移荷載下，隨著加載時(shí)間的增加，土體減少面積增加，但是到一定時(shí)間后，即使增加加載的時(shí)間，土體減少面積也不會(huì)有明顯的增加。2)在位移荷載與荷載作用區(qū)域的百分比為定值的情況下，荷載作用區(qū)域越大，則減少面積越小。3)間距越大，需要越多的時(shí)間達(dá)到最好的固結(jié)效果，當(dāng)時(shí)間增大到某一值后，固結(jié)程度相差不大。

圖2為在相同的間距下，在相同的足夠長(zhǎng)的時(shí)間下，施加不同的位移荷載得到的固結(jié)百分比，可以看出在其他條件相同的情況下，施加的位移荷載與固結(jié)程度近似成比例。

因此，通過(guò)上述結(jié)論，可以根據(jù)具體的案例，選擇合適的水平加載方案。

2 堆載法與水平加載排水固結(jié)法優(yōu)缺點(diǎn)比較

京珠高速公路廣珠段工程概況:該工程采用堆載預(yù)壓法進(jìn)行加固，第1天～第9天填筑第一層路基，厚60 cm，后不均勻填筑，第400天～第410天填筑最后一層，累積填土高5．18 m。

在實(shí)例中，砂井和排水板的施工擾動(dòng)使地基產(chǎn)生了約15%的附加沉降，為符合實(shí)際情況，采用摩爾—庫(kù)侖模型得到的模擬值，需乘以相應(yīng)的值進(jìn)行擬合。

采用1/2模型，限定左右兩側(cè)的位移，設(shè)定左右兩側(cè)為不排水邊界［5］。根據(jù)工程中的加載方案，施加荷載得到表1。

表1 施加荷載后的表面沉降值

由表1可以看出，應(yīng)用彈塑性模型對(duì)堆載法進(jìn)行模擬，考慮到施工擾動(dòng)的15%附加沉降，那么模擬的結(jié)果較為準(zhǔn)確，可以應(yīng)用此模型對(duì)水平加載進(jìn)行模擬，對(duì)堆載法和水平加載方法的固結(jié)效果進(jìn)行比較。

在實(shí)際工程中，將采用打孔的方式，將擠擴(kuò)機(jī)械伸入，采取影響半徑為2 m，施加不同的位移荷載，根據(jù)水平加載排水固結(jié)的特點(diǎn)，選擇能夠達(dá)到最好效果的位移荷載加載時(shí)間，模型采用軸對(duì)稱模型。

水平加載與豎向加載的方式不同，從不能以地表的沉降位移作為固結(jié)的效果的比較標(biāo)準(zhǔn)，因此采用孔隙比變化量作為沉降量進(jìn)行比較。

圖3 土體等效三維應(yīng)力圖

由圖3，圖4可知，水平荷載對(duì)土排水固結(jié)的影響隨著距離半徑增大而減小，對(duì)土較為明顯的影響范圍為1 m。

圖4 土體孔隙比

表2 不同加載方案的固結(jié)效果

如表2所示，水平加載排水固結(jié)方法在較短的時(shí)間里達(dá)到與堆載法相近的孔隙比，得到相同的固結(jié)效果。

3 結(jié)論與展望

水平加載方法的特點(diǎn)如下:

1)在相同的位移荷載下，隨著加載時(shí)間的增加，固結(jié)的程度增加，但是到一定時(shí)間后，增加加載的時(shí)間，固結(jié)程度增加不明顯。

2)在位移荷載與荷載作用區(qū)域的百分比為定值時(shí)，荷載作用區(qū)域越大，固結(jié)程度越小，但相差不大。

3)在其他條件相同的情況下，施加的位移荷載與固結(jié)程度近似成比例。而由于土在施加的位移荷載過(guò)大時(shí)會(huì)被擠壞，因此，位移荷載要小于土的破壞應(yīng)力。

4)通過(guò)有限元模擬可以看出，在較短的時(shí)間里，水平加載方法可以達(dá)到堆載法所需要達(dá)到的沉降量，并且可以通過(guò)施加的位移荷載來(lái)控制土體的孔隙比，可以應(yīng)用于道路擴(kuò)建，即控制新路基，使新路基的孔隙比達(dá)到與老路基相近，以此減少新老路基差異沉降。

綜上所述，水平加載排水固結(jié)方法對(duì)比堆載法，可以有效的減少施工周期，減少預(yù)壓荷載的施加。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，水平加載排水固結(jié)方法定能應(yīng)用在實(shí)際當(dāng)中。

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