高真空擊密法處理吹填粉細(xì)砂地基施工參數(shù)優(yōu)化研究

陳雷，張堯禹，馬坤，沈宇鵬

（1.唐山建標(biāo)工程項目管理咨詢有限公司，河北 曹妃甸 063200；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088）

0 引言

高真空擊密法是一種新型的加固軟土地基的專利技術(shù)，適用于加固處理粉土、黏性土、砂土等類型土的地基。通過新型節(jié)能高真空動態(tài)抽吸水裝置使土體形成高真空后施加不同能量級別強(qiáng)夯的工藝，通過高真空排水-強(qiáng)夯擊密的多遍循環(huán)，再利用人工抽真空形成的壓力差，加速軟土地基土中水排出，逐步降低土體的含水率，使得地基土的密實度和地基承載力逐步提高，兩道工序的有機(jī)結(jié)合和相互作用是高真空擊密法的獨特機(jī)理；多遍的真空排水和強(qiáng)夯擊密會使得施工地基表層形成一道硬實土層，可以有效地提高地基的承載力，還能達(dá)到減少差異沉降和工后沉降的目的[1-4]。

目前不少學(xué)者的研究表明高真空擊密法具有較好的軟土地基加固處理效果，能有效地減輕對周圍環(huán)境的破環(huán)，值得推廣和應(yīng)用。但該技術(shù)在現(xiàn)階段仍然存在一些需要進(jìn)一步研究的地方，例如，缺乏完整的理論體系，缺少相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置依據(jù)，缺少詳細(xì)的規(guī)范約束，缺少施工參數(shù)優(yōu)化的研究等。因此，在以后的實際工程中還應(yīng)不斷的總結(jié)規(guī)律，并加強(qiáng)對處理方法的研究創(chuàng)新[5-9]。

本文針對曹妃甸工業(yè)區(qū)吹填土地基的工程地質(zhì)條件，運(yùn)用二維有限元軟件PLAXIS模擬了高真空擊密法的施工過程，并以施工期沉降量為評價指標(biāo)，優(yōu)化了該技術(shù)的施工參數(shù)。

1 工程概況

本文依托的吹填土地基處理工程位于唐山市曹妃甸工業(yè)園區(qū)遷曹高速公路連接線，臨近渤海；場地原為海域，現(xiàn)已吹填成為陸地，吹填厚度約為5～7 m，高程3.90～5.75 m，屬于濱海平原地貌，地勢較為平坦，地下水豐富且埋深較淺，約0.0～4.1 m，屬于淺層滯水。處理區(qū)域地層分布如下：

①層為吹填土，灰色，主要由粉細(xì)砂組成，混少量黏性土，含貝殼，松散，濕—飽和，人工吹填而成，土質(zhì)極不均勻。

②層為亞黏土，灰色，人工吹填而成，主要成分為亞黏土以及亞砂土，其中混有少量細(xì)砂，含貝殼，松散且土質(zhì)極不均勻。

③層為粉細(xì)砂，灰色，無搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度及韌性中等，軟塑—流塑，含砂粒及貝殼碎屑。

④層為亞黏土，灰色，含貝殼及粉細(xì)砂，搖振反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性低，濕，密實狀態(tài)中密—密實。

各土層物理力學(xué)性指標(biāo)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)性指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of each soil layer

2 計算模型

2.1 幾何模型

本文運(yùn)用二維有限元軟件PLAXIS仿真模擬了高真空擊密法的施工過程，研究地基是以夯錘中心為中軸線的圓柱體，設(shè)任意徑向的變形和應(yīng)力狀態(tài)相同，將三維問題轉(zhuǎn)化為二維平面應(yīng)變問題。幾何模型采用的是15節(jié)點的平面應(yīng)變二維模型[10-12]，考慮到邊界對計算結(jié)果的影響，計算模型的徑向取34 m，深度方向取20.5 m，重力加速度為9.8 m/s2。

邊界條件：在遠(yuǎn)離夯錘的豎向邊界，固定水平向位移；在土層底部，考慮基巖的實際情況，固定豎向和水平向的位移。強(qiáng)夯的夯擊過程是一個動力作用過程，在邊界處理上采用的是動力邊界處理（人工透射邊界），即在當(dāng)計算模型的尺寸較大的時候，邊界的反射能量可以忽略，能夠保證計算結(jié)果的正確性，因而采用了簡便易行的標(biāo)準(zhǔn)固定邊界[13-14]。

PLAXIS的幾何計算模型由上到下分為4層，第1層土為吹填土，平均厚度為4.5 m；第2層土為亞黏土，平均厚度為2.3 m；第3層土為粉細(xì)砂，平均厚度為10.3 m；第4層土為亞黏土，平均厚度為3.4 m。地下水位取-1.3 m。

高真空擊密的點間距為3.5 m×3.5 m；高真空排水管的間距為3.5 m×3.5 m，深管的深度為6 m，淺管的深度為3 m。

模擬方案采用多點多次夯擊，建成的PLAXIS模型見圖1。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

2.2 施加荷載

根據(jù)強(qiáng)夯時接觸應(yīng)力的實測結(jié)果分析，夯錘對地面沖擊過程時的應(yīng)力波為一個尖峰。計算時可以將強(qiáng)夯荷載簡化為半周期簡諧波荷載，詳見圖2。

圖2 半周期簡諧波荷載Fig.2 Half-cycle harmonic load

假設(shè)錘底接觸面的最大應(yīng)力為σmax，接觸時間為Δt。郭見揚(yáng)[15]從動量定理推出了接觸面應(yīng)力的峰值和平均值公式[9]：

式中：W為夯錘的重量，kN，夯錘的質(zhì)量取15.6 t，W=mg=152.88 kN；S為夯錘的底面積，夯錘的直徑為2.3 m，故S=1/4πd2=4.15 m2；h為夯錘落距，取14.5 m。如果忽略夯擊時的夯能損失，則有從夯錘與地面接觸到夯錘入土靜止所需要的時間：

式中：L為夯錘單擊時的夯沉量，取55 cm。根據(jù)該公式可以求得Δt=0.16 s。將以上參數(shù)代入式（1）得 σmax=869 kPa。

2.3 模型驗證

為驗證數(shù)值計算模型合理性，故對模型進(jìn)行施工階段的模擬計算，計算工況完全依照實際施工工況建立，單擊夯擊能2 216 kN·m，夯擊次數(shù)為6次，夯錘直徑為2.3 m，深管的深度為6 m，淺管的深度為3 m。圖3為模型計算得到的沉降值與現(xiàn)場實測沉降值的數(shù)據(jù)對比。

圖3 實測沉降與模型計算沉降對比Fig.3 The comparison of measured settlement and model calculation settlement

經(jīng)比較，模型模擬計算所得的沉降值與現(xiàn)場實測的沉降值變化趨勢基本一致，模擬沉降值在各次夯擊下均略小于實測沉降值，但最大誤差僅有0.095 m，誤差僅為實測值的4.7%，故認(rèn)為PLAXIS計算模型是可靠合理的。

3 參數(shù)優(yōu)化

3.1 夯擊次數(shù)優(yōu)化

高真空擊密法地基處理模型采用4個夯點，每點6次夯擊，單擊夯擊能2 216 kN·m，錘高1.2 m。取相同的夯錘底部中心與地面的接觸點為研究對象，高真空擊密法地基處理模型沉降曲線見圖4。

圖4 不同夯擊次數(shù)下的沉降曲線Fig.4 The settlement curves under different tampered times

在曹妃甸遷曹高速連接線地基處理工程中，要求一遍強(qiáng)夯擊密的控制深度為1.5 m，從圖4可以看出，第4擊結(jié)束時的累積夯沉量已經(jīng)達(dá)到了1.58 m，因此可以將一遍的強(qiáng)夯擊密次數(shù)優(yōu)化為4次，一方面滿足了工程要求，又可以減少不必要的擊密次數(shù)，降低了造價，也節(jié)省了工期；另一方面，實際施工過程中不應(yīng)該一遍擊密過深，造成起錘困難，圖4中6次擊密累積夯沉量已經(jīng)達(dá)到了1.90 m，而錘的高度只有1.2 m，勢必會造成起錘困難，不可取。

3.2 夯錘直徑優(yōu)化

分別建立夯錘直徑為2.3 m、2.1 m、1.9 m的3個高真空擊密法地基處理模型，分析在單擊夯擊能不變，夯錘質(zhì)量m不變的條件下，改變夯錘的直徑（夯錘高度也隨之改變），擊密效果的優(yōu)劣。夯錘的直徑在模型中表現(xiàn)為均布動荷載的寬度，得到的沉降曲線見圖5。

圖5 3個不同夯錘直徑模型的沉降曲線比較Fig.5 Comparison of settlement curves of three different rammer diameter models

從圖5中可以得到，夯錘直徑為2.3 m時，最終沉降為1.9 m；夯錘直徑為2.1 m時，最終沉降為2.3 m；夯錘直徑為1.9 m時，最終沉降為2.7 m。

因為夯點間距為3.5 m×3.5 m，在總面積3.5 m×3.5 m=12.25 m2區(qū)域范圍內(nèi)夯點面積和夯間土面積見表2。

表2 夯點面積和夯間土面積Table 2 Ram point area and the soil area between ram points

從表2可以看出，在夯點間距相同的條件下，夯錘直徑越小，夯間土的面積就越大，占總面積的比也越大。在實際工程中，進(jìn)行一遍擊密后，要將場地推平，以便進(jìn)行下一遍擊密，并且測定這一遍擊密后的平均沉降。在用軟件模擬時，將夯點處的沉降平均到整個3.5 m×3.5 m=12.25 m2的區(qū)域范圍內(nèi)，可以得到該范圍內(nèi)的平均沉降，見表3。

表3 換算成3.5 m×3.5 m區(qū)域范圍內(nèi)的平均沉降Table 3 The average settlement converted into within the range of 3.5 m×3.5 m region

由表3可知，換算成3.5 m×3.5 m=12.25 m2區(qū)域范圍內(nèi)的平均沉降后，夯錘直徑為2.1 m的平均沉降最大，夯錘直徑為2.3 m的次之，夯錘直徑為1.9 m的最小。綜上可得，夯錘直徑越小，夯間土的面積就越大，占總面積的比也越大；在其他條件相同時，夯錘直徑取2.1 m應(yīng)該為處理曹妃甸地區(qū)吹填土路基的最佳夯錘直徑。

3.3 排水管深度優(yōu)化

前述模擬中，高真空排水管采用淺管長度3 m，間距3.5 m×7 m；深管長度6 m，間距3.5 m×3.5 m。下面模擬淺管長度不變，深管長度分別取5.5 m、6.0 m、6.5 m時地基的沉降變化，分別建立3個不同深管長度的高真空擊密法地基處理模型，經(jīng)過相同的施工工序，得到的沉降曲線見圖6。

圖6 3種不同深水管長度模型的沉降曲線比較Fig.6 Comparison of settlement curves of three different length models of deep drainage pipes

由圖6可以看出，深管長度為6.0 m的模型沉降要比深管長度5.5 m的模型沉降大10 cm左右；深管長度為6.5 m的模型沉降要比深管長度6.0 m的模型沉降大10 cm左右。

因為地基模型中從上而下4.5～6.8 m處的土層為不排水的亞黏土層，由以上的結(jié)論可得，深管長度在4.5～6.8 m這一土層內(nèi)，深管長度越接近6.8 m，所得到的沉降越大，綜合考慮，可將深管長度優(yōu)化為6.5 m。

4 結(jié)語

1）高真空擊密法處理吹填土地基過程中，要求一遍強(qiáng)夯的控制深度為1.5 m，PLAXIS模擬時，第4擊結(jié)束時的累積夯沉量已經(jīng)達(dá)到了1.58 m，因此可以將一遍的夯擊次數(shù)優(yōu)化為4次。

2）在其他條件相同時，夯錘直徑取2.1 m為處理曹妃甸地區(qū)吹填土路基的最佳夯錘直徑。

3）地基模型中從上而下4.5～6.8 m處的土層為不排水的亞黏土層，深管長度在4.5～6.8 m這一土層內(nèi)，深管長度越接近6.8 m，所得到的沉降越大，綜合考慮，可將深管長度優(yōu)化為6.5 m。