真空預(yù)壓吹填淤泥地基均勻性的離散元模擬

習(xí)志雄， 楊貝貝

(1.中交第一公路工程局有限公司， 北京 100024； 2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司， 北京 100037)

為了緩解沿海地區(qū)土地資源緊張的問題，部分交通、巖土等工程進行了填海造陸。在眾多填海造陸方法中，采用中粗砂進行吹填造陸的方法具有成本低、工期短、效果良好等特點。然而，由于砂土產(chǎn)量有限，可考慮采用疏浚淤泥作為吹填料[1]。吹填淤泥具有含水率高、孔隙比大、抗剪強度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小等特點。因此，在吹填淤泥質(zhì)軟土地基上興建工程，需要解決的關(guān)鍵問題就是將地基承載力提高到設(shè)計要求[2-3]。提高吹填軟土強度的方法較多[4-5]，對于大范圍的軟基處理問題而言，真空預(yù)壓法具有較好的經(jīng)濟性[6]。

1952年，Kjellman[7]首先提出了真空預(yù)壓法。其后，研究者們對吹填土加固效果的影響因素[8-9]、吹填土加固過程數(shù)值計算[10-11]、吹填土固結(jié)模型[12-13]等進行了相關(guān)研究。這些研究內(nèi)容揭示了吹填土在真空預(yù)壓法加固過程中固結(jié)機理、固結(jié)特性等。對于真空預(yù)壓吹填淤泥地基而言，在排水板周圍會形成“土柱”。“土柱”具有高強度、高密實度、弱透水性等特點。然而，隨著土體與排水板間距的增加，“土柱”外的土體性質(zhì)變化較小。從而造成地基整體強度偏低，達不到設(shè)計要求。然而，關(guān)于這方面的研究相對較少。

本文基于真空排水預(yù)壓處理軟土地基理論，應(yīng)用離散元數(shù)值方法模擬真空預(yù)壓過程中土體的固結(jié)效果，并研究排水真空度等因素對固結(jié)后土體孔隙率不均勻變化的影響。其次，為了提高真空預(yù)壓固結(jié)的效率，依據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果提出一種新的真空固結(jié)吹填淤泥地基的施工工藝。

1 數(shù)值模型

為了研究真空預(yù)壓過程中土體的固結(jié)效果，采用離散元數(shù)值計算軟件對其進行模擬。關(guān)于離散元方法和模擬過程的介紹可參見文獻[14-16]。真空預(yù)壓法處理吹填淤泥質(zhì)軟土地基的斷面及計算單元如圖1所示。取某深度下兩個塑料排水板間單位厚度的土體，即圖1中陰影部分，作為計算對象?？紤]到研究對象的對稱性，可取相鄰兩個排水板間土體的一半作為計算單元即可。此處忽略了豎向滲流，僅考慮水平向滲流。計算中用圓形顆粒模擬土顆粒，用點墻達標(biāo)排水板。計算單元的上下表面設(shè)置為不透水邊界，并且在右側(cè)邊界施加負壓，以此形成壓力差來模擬真空抽水負壓。計算中材料參數(shù)取值見表1。

圖1 斷面及單元示意圖

2 不同工況下土體均勻性分析

在滲流的過程中會產(chǎn)生滲透力，此時土顆粒會發(fā)生移動，伴隨著土顆粒的重排列、沉積，并且土體的孔隙率、滲透性發(fā)生變化。為了反映這一復(fù)雜的水土相互作用的過程，圖2給出了不同計算步的土顆粒流遷移模擬結(jié)果。其中，計算步的增加代表時間的增長。在滲流的作用下，土顆粒逐漸向右端移動，即水流上游處土體孔隙率增加，水流下游處土體孔隙率減小，并最終導(dǎo)致土體的不均勻性。本節(jié)討論抽水真空度P、排水板間距L、土體孔隙率n0對真空預(yù)壓固結(jié)地基的土體均勻性的影響。

2.1 抽水真空度P

此處對比給定排水板間距(0.45 m、0.55 m)和初始孔隙率(0.4、0.6)下，真空度從20 kPa到100 kPa變化時，真空排水模擬計算40 000步后，土體內(nèi)各區(qū)域孔隙率隨真空度的變化情況。為了反映孔隙率離散程度，計算五個區(qū)域孔隙率的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差的計算結(jié)果如圖3所示。其中，圖3圖例的兩個數(shù)值分別代表排水板間距(單位m)及初始孔隙率。圖3表明在不同真空度下，各區(qū)域的孔隙率偏離平均孔隙率的離散程度并不相同。不同區(qū)域內(nèi)土體孔隙的均勻性隨著抽水真空度的增加而降低。

圖2斷面及單元示意圖土體顆粒流遷移模擬圖

圖3真空度與孔隙率標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系曲線

2.2 排水板間距L

此處對比給定初始孔隙率(0.4、0.6)和抽水真空度(50 kPa、100 kPa)下，排水板間距從0.8 m到1.2 m變化時，孔隙率均勻性隨排水板間距的變化規(guī)律。計算結(jié)果如圖4所示。其中，圖4圖例的兩個數(shù)值分別代表初始孔隙率及抽水真空度(單位kPa)。圖4表明當(dāng)初始孔隙率較大時(n0=0.6)，各區(qū)域內(nèi)土體孔隙分布的均勻性隨著排水板間距的增加而提高。當(dāng)初始孔隙率較小時(n0=0.4)，存在一最優(yōu)排水板間距。當(dāng)排水板間距取最優(yōu)值時，預(yù)壓固結(jié)后土體的均勻性最好。

圖4排水板間距與孔隙率標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系曲線

2.3 初始孔隙率n0

此處對比給定抽水真空度(50 kPa、100 kPa)和排水板間距(0.45 m、0.55 m)下，初始孔隙率n0從0.3到0.7變化時，真空排水模擬計算40 000步后，土體內(nèi)各區(qū)域孔隙率隨真空度的變化情況。計算結(jié)果如圖5所示。其中，圖5圖例的兩個數(shù)值分別代表抽水真空度(單位kPa)及排水板間距(單位m)。圖5表明當(dāng)初始孔隙率較小時，真空預(yù)壓排水后土體比較均勻。隨著初始孔隙率的增加，排水預(yù)壓后土體各區(qū)域孔隙率的均勻性降低。由于欠固結(jié)的吹填淤泥質(zhì)土的初始孔隙率較大，因此不宜采用原有的真空預(yù)壓法對其進行處理。

圖5初始孔隙率與孔隙率標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系曲線

3 排水板打設(shè)施工新工藝

前文討論了抽水真空度等因素對真空預(yù)壓固結(jié)后土體孔隙率均勻性的影響程度。上述結(jié)果表明排水板間土體孔隙率的均勻性會隨著排水板間距的增加而提高。然而，隨著排水板間距的增加，固結(jié)效果顯著降低，并且固結(jié)時間顯著提高。針對這種情況，此處提出一種新的布設(shè)排水板的施工工藝。首先，以兩倍的原排水板間距布設(shè)排水板，并進行第一次的真空預(yù)壓過程。當(dāng)排水固結(jié)穩(wěn)定后，在排水板中間布設(shè)新的排水板，并進行第二次真空預(yù)壓過程。第一次及第兩次打設(shè)排水板真空預(yù)壓法后孔隙率分布示意圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 一次打設(shè)排水板孔隙率分布示意圖(mm)

圖7兩次打設(shè)排水板孔隙率分布示意圖(mm)

考慮到計算問題的對稱性，取其一半作為計算單元，單元的寬、高分別為1 000 mm、100 mm。模型中流體單元個數(shù)為1 000個，各單元尺寸為10 mm×10 mm。假設(shè)單元上、下表面是光滑的，因此上、下表面處平行于墻的水流流動速度不等于0。單元左右兩側(cè)分別施加0 kPa和-50 kPa的水壓力。在這組水頭差的作用下，土體內(nèi)自左向右發(fā)生滲流。當(dāng)?shù)谝淮握婵疹A(yù)壓結(jié)束，即計算40 000步后，在相鄰的排水板中間進行第二次布設(shè)。在第一次布設(shè)的排水板一側(cè)施加0 kPa的水壓力，在第二次布設(shè)的排水板一側(cè)施加-50 kPa的水壓力。此時，形成的壓力水頭差方向與之前的相反。

圖8為五個區(qū)域孔隙率隨計算步數(shù)的變化情況。在第一次打設(shè)排水板真空預(yù)壓的過程中，土顆粒隨著水流向排水板逐漸移動。然而，土顆粒的遷移卻引起排水板間土體不均勻分布，表現(xiàn)為土體的密實程度隨著與排水板距離的增加而降低。在第二次打設(shè)排水板真空預(yù)壓的過程中，顆粒產(chǎn)生反向運動，提高了土體的均勻性。圖9展示了第一次和第二次抽真空后多個區(qū)域土體的孔隙率分布規(guī)律。圖中表明第二次預(yù)壓后土體的均勻性和密實程度均得到了顯著的提高。

圖8 5個區(qū)域孔隙率隨時間的變化

圖9兩次抽真空結(jié)束后5個區(qū)域的孔隙率曲線圖

4 結(jié) 論

(1) 真空預(yù)壓后土體的均勻性隨著抽水真空度的增加而降低。因此，施工時應(yīng)根據(jù)土體均勻性的要求設(shè)置真空度的上限。

(2) 對于具有高初始孔隙率的土體而言，真空預(yù)壓后土體的均勻性隨著垂直排水板間距的增加而提高；對于低孔隙率的土體而言，存在一最優(yōu)排水間距。

(3) 真空預(yù)壓后土體的均勻性隨著初始孔隙率的增加而降低。當(dāng)初始孔隙率超過界限值后，不建議采用真空預(yù)壓施工工法。

(4) 提出的布設(shè)排水板的施工工藝通過增加布設(shè)排水板的次數(shù)，有效地提高了吹填淤泥地基均勻性。