真空預(yù)壓法加固軟基的流固耦合數(shù)值分析

林智勇

(福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118)

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真空預(yù)壓法加固軟基的流固耦合數(shù)值分析

林智勇

(福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118)

摘要：利用數(shù)值分析方法建立了軟土地基模型，采用比奧固結(jié)理論，計算分析了真空預(yù)壓下的軟土地基流固耦合作用；并進一步分析了真空度損耗率、密封墻、塑料排水板打設(shè)深度等因素對軟基加固效果的影響。分析結(jié)果表明：在抽真空早期，地表沉降增長很快，達到一定天數(shù)后，沉降值逐漸趨于穩(wěn)定；真空負壓沿深度、水平方向上損耗，在加固軟土外圍形成一個零孔隙水壓力面；真空度損耗率、塑料排水板打設(shè)深度對真空預(yù)壓加固軟土的效果影響很大；側(cè)向密封墻對加固區(qū)內(nèi)土體影響不大，但其限制了真空負壓的側(cè)向傳遞，使影響區(qū)的地基沉降大幅減小。

關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓法； 軟基加固； 流固耦合； 數(shù)值分析

在我國沿海地區(qū)，軟土地基分布廣泛，它包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭和泥炭質(zhì)土等，其主要性質(zhì)有含水量大、壓縮性高、強度低、滲透性差、靈敏度高、易發(fā)生塑性流變等。目前，對軟土地基的使用越來越廣泛，需要在使用前對軟土地基進行有效的加固處理。在常規(guī)的軟基加固方法中，以排水固結(jié)法中的真空預(yù)壓法應(yīng)用最為廣泛[1]。真空預(yù)壓法是指在軟基表面鋪設(shè)砂墊層等水平排水通道，在軟土地基內(nèi)打設(shè)豎向排水體(如塑料排水板、袋裝砂井)，并用密封膜密封，然后利用真空泵抽真空，使膜內(nèi)外形成壓力差，地基中的孔隙水通過排水通道發(fā)生滲流，孔隙水壓力降低，有效應(yīng)力提高，從而達到排水固結(jié)軟土地基的目的[2]。

目前，真空預(yù)壓法的計算理論主要有太沙基固結(jié)理論、比奧固結(jié)理論等[3-4]，以比奧理論最為嚴密，能夠反映孔隙水壓力消散與土骨架變形之間的耦合關(guān)系，但多數(shù)情況均難以獲得其解析解。而數(shù)值計算方法是解決比奧固結(jié)問題的一種較為有效的方法。因此，數(shù)值計算方法被大量用于比奧固結(jié)理論的求解[1-2,5-9]。在常用的數(shù)值分析軟件中，F(xiàn)LAC3D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，對于模擬軟土地基的流-固耦合大變形問題，較其它數(shù)值計算程序，具有很大的優(yōu)勢。本文將利用FLAC3D軟件，對真空預(yù)壓加固下的軟土地基的流-固耦合進行數(shù)值分析。

1　比奧固結(jié)理論

比奧固結(jié)理論[4]是完善的理想土的3向固結(jié)理論精確解，它由一組應(yīng)力-應(yīng)變平衡方程和水流連續(xù)性方程組成，見式(1)、式(2)。

比奧理論將彈性理論及水流連續(xù)性條件結(jié)合起來，可以得到土的應(yīng)力、應(yīng)變和孔隙水壓力等參量。但按比奧方程求解固結(jié)問題的精確解非常復(fù)雜，只有在少數(shù)情況下才能得解；而通過與數(shù)值計算的結(jié)合，卻能方便快速地求解出該方程，較常規(guī)求解方法優(yōu)勢明顯。目前，常用的一些數(shù)值分析軟件均嵌入了比奧固結(jié)理論，能快速有效地分析地基的滲流固結(jié)問題。為此，下文在有限差分程序FLAC3D的平臺上，采用比奧固結(jié)理論，對一地基模型固結(jié)問題進行流固耦合分析。

2　數(shù)值計算模型的建立

某高速公路修筑在軟土地基上，設(shè)計斷面如圖1所示，采用真空預(yù)壓法處理軟基，加固寬度60 m，塑料排水板按1.5 m×1.5 m正方形布置，打設(shè)深度12 m。場地主要地層分布為：①回填砂，厚1.5 m；②淤泥，流塑～軟塑狀態(tài)，厚10.5 m，壓縮性高、強度低，是地基處理的主要土層；③粉質(zhì)黏土，硬塑，厚6 m；④中～密實粉細砂，厚9 m，強度較高，滿足使用要求，不作處理。

圖1　設(shè)計斷面圖(單位：m)Fig.1　Tratum distribution and design section of soft soil reinforced by vacuum preloading method(unit:mm)

基于上述工程概況，利用有限差分軟件FLAC3D進行數(shù)值模擬分析。以加固區(qū)中心為對稱軸，取地基土的一半斷面建立數(shù)值計算模型，如圖2所示，模型尺寸為60 m×1.5 m×27 m，其中，計算寬度為60 m(加固區(qū)30 m，影響區(qū)30 m)；公路縱向上取單位1.5 m(即一倍排水板間距)；計算深度為27 m。邊界條件為：模型左右兩邊約束x方向的位移，模型前后兩邊約束y方向的位移，模型底邊約束x、y、z方向位移，模型頂面為自由邊界。由于堆有1 m左右的上層覆水，計算時等效為10 kPa的超載，直接作用在加固區(qū)表面。各土層均采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型，其物理力學(xué)參數(shù)指標如表1所示。

圖2　數(shù)值計算模型網(wǎng)格圖Fig.2　Numerical analysis model grid

表1　模型計算材料參數(shù)Tab.1　Material properities used in the analysis

注：比奧模量取(0～20)倍土體模量；比奧系數(shù)均取1.0。

真空預(yù)壓固結(jié)是典型的流-固耦合過程，工程上抽真空的時間一般是2～4個月。文中模擬基于比奧固結(jié)理論進行滲流計算分析，模型采用各向同性滲流模型(滲透系數(shù)kx=ky=kz=k)?？讐哼吔鐥l件：地表為透水邊界，地下水位在地表，采用氣管直排方式模擬實際抽真空，將負壓逐點施加在排水板上(節(jié)點負壓法)，在地表的真空負壓為-80 kPa，抽真空時間設(shè)置為2個月。為模擬涂抹、井損、排水管阻塞等的影響，根據(jù)文獻[3]的建議，作為簡化分析，近似假定真空負壓沿深度呈線性衰減，衰減率取為3.3 kPa/m，即至排水板底衰減了50%；另外，在加固區(qū)與影響區(qū)之間未設(shè)置側(cè)向密封墻。

3　數(shù)值計算結(jié)果分析

計算了真空預(yù)壓加固的軟土地基沉降、分層沉降、孔隙水壓力等結(jié)果，并進一步討論了真空度損耗(衰減)率、排水板打設(shè)深度、密封墻設(shè)置等因素對真空預(yù)壓加固效果的影響。

3.1地基沉降

圖3為加固區(qū)中心地表的沉降隨抽真空時間的變化，隨著抽真空的延續(xù)，地基沉降逐漸增大，在抽真空早期(10 d內(nèi))，沉降增大很快，這主要是因為模擬計算時將-80 kPa的真空負壓一次性施加在表層砂上，這與實際工程的做法有些差異，在工程上，抽真空早期逐漸增大真空度，達到一定值后，將真空度穩(wěn)定在該值上；抽真空 20 d后，地基沉降的增大變緩，地基固結(jié)沉降趨于穩(wěn)定。

圖3　加固區(qū)中心表面沉降　Fig.3　Ground surface settlement at the center of reinforced area

圖4～6分別為抽真空60 d后的地基模型沉降等值線云圖、地層沉降分布圖、加固區(qū)中心分層沉降圖?？梢钥闯?，由于真空負壓的作用，在整個模型地基產(chǎn)生明顯的沉降漏斗體，中心大，往外逐漸變小，超過一定距離后(45 m左右)趨于穩(wěn)定。其中在加固區(qū)沉降明顯大于影響區(qū)，且較為均勻，集中在160～180 mm之間，這是因為在整個加固區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了排水板的結(jié)果；但由于加固區(qū)與影響區(qū)之間未設(shè)密封墻體，由加固區(qū)抽真空產(chǎn)生的地基沉降一直延伸至整個影響區(qū)，在模型的邊界上仍有較為明顯的沉降，約70 mm(圖5)。對于不同地基土層均有類似的規(guī)律，但數(shù)值要遠小于地表沉降。沿深度向下，地基分層沉降逐漸變小，在塑料排水板深度范圍內(nèi)(淤泥層：1.5～12 m)，沉降隨深度減小幅度變大，達到12.7 mm/m，而在排水板以下的粉質(zhì)黏土層則較小(圖6)。

圖4　計算模型沉降等值線云圖(單位：m)Fig.4　Settlement contour nephogram of model (unit:m)

圖5　地基土層表面沉降分布Fig.5　Distribution of surface settlement of soil layers

圖6　加固區(qū)中心分層沉降Fig.6　Distribution of settlement at the centerline of reinforced subsoil along the depth

綜上分析，地基的沉降變形主要以淤泥層的排水固結(jié)為主，占了總沉降量的74%，但下臥粉質(zhì)黏土也產(chǎn)生近22.5%的變形量，可見，真空預(yù)壓不僅從水平上對加固區(qū)外的土體產(chǎn)生影響，也會沿深度向下對加固深度范圍以下的地層產(chǎn)生影響。

3.2孔隙水壓力分布

圖7為真空預(yù)壓60 d后的地基孔隙水壓力分布情況，可看出，在加固區(qū)內(nèi)(圖中虛線框)，孔隙水壓力沿深度向下逐漸減小，這與預(yù)施加的真空負壓分布一致，在加固區(qū)下層黏土層表面一定深度內(nèi)亦產(chǎn)生了部分的負壓，這也是使黏土層產(chǎn)生較大沉降的原因之一；往下則快速消散至零，并以靜水壓力作用為主。在加固區(qū)外側(cè)的影響區(qū)中，由于沒有設(shè)置密封墻，且表面土為砂層，使得在該層土中及其下部分淤泥也產(chǎn)生較大的真空負壓，這也解釋了在整個影響區(qū)均產(chǎn)生了較大的沉降量。

圖7　孔隙水壓力分布Fig.7　Pore water pressure distribution

可見，真空負壓沿深度、水平方向上損耗，在加固軟土外圍形成一個孔隙水壓力零值面。在零孔隙水壓力面以內(nèi)，包括加固區(qū)、其下部分黏土層、影響區(qū)表層土，在這些區(qū)域內(nèi)的土體出現(xiàn)了負值的孔隙水壓力，根據(jù)有效應(yīng)力原理，孔隙水壓力的下降，使得土體有效應(yīng)力增大，從而引起地基土的沉降。

3.3影響因素分析

3.3.1真空度損耗(衰減)率

真空度在地基中的傳遞對加固的效果影響很大。大量的工程實測表明，由于涂抹、井損、排水管阻塞等因素的存在，不管是無砂真空預(yù)壓，還是有砂真空預(yù)壓，真空負壓沿深度均存在損耗現(xiàn)象[3]，衰減至排水板底部的剩余真空負壓在20%～70%之間，折算衰減率在2.5～20 kPa/m，衰減梯度每米3%～15%；且真空度沿深度的傳遞多呈現(xiàn)出線性衰減的規(guī)律，文獻[3]的理論解答也證實了對自重固結(jié)超孔壓概化為沿深度線性分布是基本合理可行的。

對此，文中對真空負壓的傳遞假定為線性衰減，并計算了真空負壓損耗率(排水板頂、底真空負壓差值與頂部真空負壓的比值)為0、1/3、1/2、2/3、1時對地基沉降的影響，計算結(jié)果如圖8所示。可見，真空度沿深度的損耗程度對真空預(yù)壓加固的影響較為明顯，損耗率為0時，即真空度沒有發(fā)生損耗，此時的地表沉降最大，固結(jié)效果最好；隨著損耗率的增大，地表沉降逐漸變小，加固效果越來越差。而在不同的真空度損耗率下，地表的沉降分布規(guī)律相似，整體呈現(xiàn)出沉降漏斗狀，加固區(qū)中心最大，往外逐漸減小，到達影響區(qū)外一定距離后，沉降趨于穩(wěn)定。

圖8　真空度損耗對地基表面沉降的影響Fig.8　Influence of vacuum loss on the surface settlement of subsoil

3.3.2密封墻

從前述分析中發(fā)現(xiàn)，在影響區(qū)內(nèi)的地表也存在較大的沉降，一個重要的原因就是在加固區(qū)邊界沒有設(shè)置密封墻，使得在影響區(qū)中的表層砂也存在較大的真空負壓，從而產(chǎn)生較大的沉降量。在實際工程中，為了保證加固區(qū)內(nèi)的真空度及防止對周圍環(huán)境的影響，常在加固區(qū)邊界處打設(shè)一道側(cè)向密封墻[8]。文中也計算了在加固區(qū)與影響區(qū)分界面上設(shè)置有密封墻的情況，密封墻采用水泥土攪拌樁，為不透水模型，并貫穿淤泥層進入黏土層中，計算結(jié)果如圖9～10所示。

圖9　密封墻對地基表面沉降的影響Fig.9　Influence of sealing wall on the surface settlement of subsoil

圖10　孔隙水壓力分布(密封墻)Fig.10　Pore water pressure distribution(of the sealing wall)

可見，是否設(shè)置密封墻對加固區(qū)的沉降影響不大，但對影響區(qū)中的地表沉降的影響非常大。設(shè)置密封墻后，在加固區(qū)邊界處，地表沉降發(fā)生了驟減，再往外，沉降量繼續(xù)減小。這說明加固區(qū)的真空預(yù)壓幾乎不再影響外側(cè)的土體，這是因為密封墻的存在使得影響區(qū)內(nèi)的空氣和水不再流向加固區(qū)，也阻止了加固區(qū)中的真空負壓的向外傳遞，如圖10所示，影響區(qū)中的孔隙水壓力變化不大，以靜水壓力作用為主，未出現(xiàn)負值；而在加固區(qū)內(nèi)，有無密封墻對孔隙水壓力影響不大(與圖7比較)。

3.3.3塑料排水板打設(shè)深度

計算了塑料排水板打設(shè)深度為1.5、7.5、10.5、12、15、18 m對地表沉降的影響，計算結(jié)果如圖11所示。

圖11　塑料排水板打設(shè)深度對地基表面沉降的影響Fig.11　Influence of depth of PVDs on the surface settlement of subsoil

可見，隨著塑料排水板打設(shè)深度的增大，地表的沉降也逐漸增大，這是由于排水板打設(shè)深度的增加，增長了軟土層中的排水通道，使得軟土層中更多的地下水被排水，固結(jié)沉降更顯著。在加固區(qū)范圍內(nèi)，增大排水板打設(shè)深度，對增大地表沉降尤為明顯；但當排水板打設(shè)深度達到12 m后，即貫穿整個淤泥層，并進入下臥粉質(zhì)黏土層中，在加固區(qū)范圍內(nèi)，地表沉降幾乎不再隨排水板打設(shè)深度增加而增大，反而在影響區(qū)內(nèi)的地表沉降隨之增加。這說明需在整個軟土層內(nèi)打設(shè)排水板，才

能獲得最佳的加固效果，而繼續(xù)增長其深度，并不會產(chǎn)生顯著的進一步沉降，只會造成工程材料浪費。

4　結(jié)論

1)在抽真空早期，地表沉降很快，達到一定天數(shù)后，沉降值逐漸趨于穩(wěn)定；真空負壓沿深度、水平方向上損耗，在加固軟土外圍形成一個零孔隙水壓力面。

2)真空度損耗率、排水板打設(shè)深度對真空預(yù)壓加固軟土的效果影響很大。加固軟土層內(nèi)真空度沿深度損耗越小，軟土層的沉降越大，加固效果越好；塑料排水板打設(shè)深度越長，地表的沉降越大，但超過加固軟土層厚度后，再加長排水板深度，加固效果不明顯。

3)設(shè)置密封墻限制了真空負壓的側(cè)向傳遞，使得影響區(qū)內(nèi)的孔隙水壓力在抽真空前后變化不大，造成影響區(qū)內(nèi)的地表沉降發(fā)生了驟減；而在加固區(qū)內(nèi)，密封墻對孔隙水壓力和地表沉降的影響不大。

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(責任編輯： 陳雯)

Fluid-structure coupling numerical analysis of soft soil reinforced by vacuum preloading method

Lin Zhiyong

(College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

Abstract：A numerical model of soft soil reinforced by vacuum preloading method was established, and the fluid-structure coupling interaction of the soft soil was calculated based on Biot consolidation theory.Then the influence of vacuum loss, sealing wall and the depth of prefabricated vertical drains (PVDs) on the subsoil surface settlement was analysed.The settlement of the subsoil increased rapidly at the early days of vacuum preloading and became stable after certain days.Vacuum negative pressure lost along the vertical and horizontal directions with a zero pore water pressure surface forming in the periphery of the reinforced soft soil.The vacuum loss and the depth of the PVDs had a great effect on the settlement of the soft soil, while the lateral sealing wall exerted little influences.The sealing wall blocked the lateral transfer of the vacuum negative pressure, and reduced the subsoil settlement of the influential area.

Key words：vacuum preloading method; soft soil reinforcement; fluid-structure coupling; numerical analysis

doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2016.04.003

收稿日期:2016-06-17

基金項目：福建省自然科學(xué)基金項目( 2013J01170)；福建工程學(xué)院科研發(fā)展青年基金項目(GY-Z15088)；福建工程學(xué)院科研啟動基金項目(GY-Z160063)

作者簡介：林智勇(1982-)，男，福建南靖人，講師，博士，研究方向：巖土工程與數(shù)值分析。

中圖分類號：TU472

文獻標志碼：A

文章編號：1672-4348(2016)04-0318-06