真空預(yù)壓排水固結(jié)法有限元模擬及分析

■吳炎輝

（東山縣海通建設(shè)工程有限公司，漳州 363400）

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿海地區(qū)的圍海造地工程不斷增加。但由于沿海地區(qū)分布著大量的軟土，其含水量高、抗剪強(qiáng)度低以及滲透系數(shù)小等特點(diǎn)使其成為在該區(qū)域建設(shè)工程時(shí)的一大難題。為使工程項(xiàng)目達(dá)到預(yù)期的安全標(biāo)準(zhǔn)和進(jìn)度要求，就需要對(duì)軟土進(jìn)行人工處理，真空預(yù)壓排水固結(jié)法是軟土加固處理中重要的方法之一。

真空預(yù)壓法自1952 年首次提出至今已有相當(dāng)大的發(fā)展，在沿海地區(qū)的應(yīng)用迅速增多，為了保證建設(shè)質(zhì)量和建筑物的正常使用，對(duì)真空預(yù)壓法進(jìn)行更深入的研究十分重要。

2 有限元模型的建立

有限元數(shù)值計(jì)算方法是目前運(yùn)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法之一，其中大型有限元分析軟件ABAQUS 具有很好的處理非線性和復(fù)雜邊界條件的能力，因此本文擬用ABAQUS 對(duì)真空預(yù)壓過程進(jìn)行有限元建模和分析，并對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行敏感度分析。

2.1 真空預(yù)壓法簡介

如圖1 所示，真空預(yù)壓法是通過在軟土地基內(nèi)部打入豎向排水系統(tǒng)，同時(shí)在軟土表面鋪設(shè)砂墊層作為水平排水系統(tǒng)，用不透氣的密封膜將表面密封使其與大氣隔絕，然后利用抽真空裝置對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，使排水系統(tǒng)內(nèi)形成一定的真空度并逐漸擴(kuò)展至加固區(qū)土體內(nèi)部并產(chǎn)生孔隙水壓力差，從而讓孔隙水向排水系統(tǒng)流動(dòng)并最終排出，最終達(dá)到加固土體的目的。

圖1 真空預(yù)壓排水系統(tǒng)

2.2 砂井與砂墻的等效

砂井地基嚴(yán)格意義上是屬于三維固結(jié)問題，應(yīng)該采用三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算，但由于三維有限元分析計(jì)算量太大不利于應(yīng)用，因此將三維問題轉(zhuǎn)換為二維問題進(jìn)行計(jì)算分析的方法被廣泛采用。

如圖2 所示，將三維和二維問題進(jìn)行等效的原則是保持等效前后不同時(shí)刻具有相同的固結(jié)度，其主要方法是通過修改滲透系數(shù)達(dá)到的，等效后與等效前的滲透系數(shù)之比為：

其中：khp為二維模型中土體的等效滲透系數(shù)；n 為涂抹區(qū)直徑與砂井直徑之比；s 為砂井有效排水直徑與砂井直徑之比。

圖2 三維與二維問題等效示意圖

2.3 模型參數(shù)的選取

該模型在大型通用有限元軟件ABAQUS 里建立，采用平面應(yīng)變有限元模型，其尺寸如圖3 所示，由于的二維模型是左右對(duì)稱的，為了便于分析，該模型取整個(gè)二維邊界的右半邊進(jìn)行建模，土體高10m，寬15m，加固區(qū)寬度5m，豎向排水板深度5m，模型左右兩側(cè)采用限制水平位移的邊界條件以模擬對(duì)稱及土體無限延伸的情況，底部采用限制水平和豎直位移的邊界條件用以模擬半空間無限體的條件，固結(jié)時(shí)間設(shè)置為約694h。土體及排水板參數(shù)如表1 所示：

圖3 有限元模型尺寸及邊界條件示意圖

表1 有限元模型計(jì)算參數(shù)

3 有限元模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移計(jì)算結(jié)果分析

井阻為真空度在排水板內(nèi)傳遞的衰減率，該模型采用的井阻參數(shù)為16kPa/m，其排水板內(nèi)真空度分布圖如圖4 所示。

圖4 排水板真空度分布圖

圖5 和圖6 分別是預(yù)壓結(jié)束時(shí)得到的水平位移和豎向位移云圖，從圖中可以看出，土體沉降主要集中在加固區(qū)中心，并隨著與中心距離的增大而逐漸減少，其中心點(diǎn)沉降約為40mm，加固區(qū)邊緣處的沉降約為35mm，而距離中心10m 和15m 處的沉降分別為10mm 和8mm，不足中心點(diǎn)沉降的1/3。

水平位移方面，加固區(qū)中心點(diǎn)處的水平位移幾乎為0，加固區(qū)邊緣的水平位移約為18mm，而最大水平位移發(fā)生在距離加固中心約6.5m 處，其水平位移約為22cm，方向指向加固區(qū)。

圖5 預(yù)壓結(jié)束時(shí)豎向位移云圖

圖6 預(yù)壓結(jié)束時(shí)水平向位移云圖

不同深度處橫向水平位移分布情況如圖7 所示，雖然位移量有所差異，但不同深度處的最大水平位移都在離中心約6.5m 的位置。

圖7 不同深度處水平向位移的橫向分布

3.2 超孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果分析

超孔隙水壓力在模型中的分布情況如圖8 所示。從圖中可以看出，真空荷載使土體內(nèi)產(chǎn)生負(fù)超孔隙水壓力，并形成一種以加固區(qū)為中心向外逐漸擴(kuò)散的形式。

圖8 預(yù)壓結(jié)束時(shí)超孔隙水壓力云圖

圖9 所示的為距離加固區(qū)不同距離的超孔隙水壓力隨深度的分布。從圖中可以看出，越遠(yuǎn)離加固區(qū)，其超孔隙水壓力的下降得越快，如圖10 所示，土體表面、2m 深和4m 深處超孔隙水壓力隨水平距離的變化率分別為14.5kPa/m、8.9kPa/m 和1.8kPa/m。

圖9 超孔隙水壓力隨深度的分布

圖10 超孔隙水壓力沿水平方向的分布

3.3 土體固結(jié)效率對(duì)井阻的敏感度分析

井阻大小受排水板材料、抽真空器材及加固區(qū)土體情況等諸多因素的影響。圖11、圖12 和圖13 為不同井阻情況下加固區(qū)中心處土體不同深度的沉降情況。

圖11 加固區(qū)中心土體表面沉降值

圖12 加固區(qū)中心3m 深處沉降值

圖13 加固區(qū)中心5m 深處沉降值

在加固區(qū)中心點(diǎn)處，不同深度的沉降差隨井阻大小的變化而改變。隨著深度的增加，沉降差逐漸增大，如圖14所示。井阻16kPa/m 與5kPa/m 的沉降差在表面可達(dá)到0.041m，其斜率為0.0037，在3m 和5m 深度處沉降差分別為0.033m 和0.019m，其斜率分別為0.003 和0.0017，可以看出，加固區(qū)較深位置的沉降量受井阻影響較小。

圖14 中心點(diǎn)不同深度處沉降差

4 結(jié)論

（1）土體最大豎向位移處于加固區(qū)中心，在加固區(qū)以外的地方，其豎向位移大幅減小。而最大水平位移發(fā)生在靠近加固區(qū)邊緣的地方。

（2）加固區(qū)土體內(nèi)的真空度可以維持在與排水板內(nèi)真空度相當(dāng)?shù)乃剑谶h(yuǎn)離加固區(qū)的地方，由于沒有采用密封措施，其真空度則難以保持在一個(gè)較高的水平。

（3）井阻對(duì)土體固結(jié)效率有顯著影響，如果能使井阻維持在一個(gè)較小的數(shù)值，對(duì)土體效果能起到非常積極的作用。

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