真空-堆載預(yù)壓聯(lián)合加固道路軟基沉降規(guī)律研究

黃艷軍，張艷林，劉夕奇，王 聰，王東星

（1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610213；2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢 430072)

引言

我國(guó)海岸線(xiàn)大部分屬淤泥質(zhì)海岸，土體為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)亞粘土，具有初始含水率高、抗剪強(qiáng)度低、孔隙率高、壓縮性強(qiáng)、透水性欠佳等復(fù)雜特征[1]。若將建筑物修建于此類(lèi)軟弱土地基，固結(jié)過(guò)程及剪切效應(yīng)將誘使地基產(chǎn)生延續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的顯著沉降甚至不均勻沉降，地基土體自身低強(qiáng)度誘發(fā)地基承載與穩(wěn)定性難以滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。為能夠確保施工運(yùn)營(yíng)期軟弱地基穩(wěn)定性與承載力、有效控制過(guò)大差異沉降，通常不得不預(yù)先對(duì)軟弱土地基開(kāi)展加固增強(qiáng)處治[2-3]。

通過(guò)抽真空與堆載聯(lián)合作用加固地基，真空預(yù)壓旨在降低孔隙水壓、增大有效應(yīng)力，堆載預(yù)壓旨在增大總應(yīng)力以提高孔隙水壓、轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，二者共同作用確保地基不會(huì)因填土速率過(guò)快而失穩(wěn)。真空-堆載預(yù)壓法，已普遍推廣應(yīng)用于多類(lèi)型、不同領(lǐng)域?qū)嶋H工程，加固效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著。許多學(xué)者已對(duì)該技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入探索，取得了豐碩成果。陳環(huán)和鮑秀清[4]用一維負(fù)壓固結(jié)儀開(kāi)展正負(fù)壓對(duì)比試驗(yàn)，分析所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)正壓、負(fù)壓下固結(jié)過(guò)程基本相同；Leong 等[5]探究相同正負(fù)壓力值下試樣剪切強(qiáng)度演變過(guò)程，分析發(fā)現(xiàn)堆載預(yù)壓加固地基效果要優(yōu)于真空預(yù)壓；張誠(chéng)厚等[6]選用模型槽試驗(yàn)探究排水板間距、真空面位置影響地基加固效果，揭示真空作用面移向低部后地基加固效果更好且排水板間距對(duì)其影響不容忽略；沈珠江和陸舜 英[7]選取Biot 固結(jié)有限元計(jì)算某真空預(yù)壓法加固地基工程，發(fā)現(xiàn)本構(gòu)模型選取對(duì)模擬數(shù)據(jù)影響很大且認(rèn)為南水模型計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際；劉漢龍等[8]、王旭升和陳崇希[9]等學(xué)者開(kāi)展有限元和邊界元在真空預(yù)壓計(jì)算方面應(yīng)用，拓展了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法理論深度及工程示范；吳躍東等[10]依托京珠高速?gòu)V東段某軟基真空-堆載加固工程，綜合殷宗澤雙屈服面等本構(gòu)模型，數(shù)據(jù)表明考慮土體流變計(jì)算結(jié)果優(yōu)于僅考慮彈塑性變形計(jì)算結(jié)果。

以真空-堆載預(yù)壓加固廣州某地基工程為依托，綜合考慮荷載形式、初始條件和邊界條件建立有限元數(shù)值計(jì)算模型，明確真空-堆載預(yù)壓下軟土地基沉降演變過(guò)程和孔壓傳遞規(guī)律并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，最后基于所得結(jié)果預(yù)測(cè)堆載中心點(diǎn)處工后沉降。研究成果可為廣州市洪灣港等工程建設(shè)安全及工期優(yōu)化提供理論支撐。

1 工程概況

1.1 工程背景

工程位于廣州市南沙區(qū)某填筑項(xiàng)目道路軟基加固工程，沉積軟土區(qū)域占施工占地總面積50 %～60 %，片區(qū)擬建市政道路約80 %軟基需利用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固。典型軟土區(qū)域某試驗(yàn)段，分段加固區(qū)長(zhǎng)214.8 m，兩端寬40 m。

1.2 地質(zhì)條件

片區(qū)處于廣州某典型深厚軟土地帶，地層自上而下依次：人工填土層、第四系海陸交互相沉積層、殘積層、下伏基巖為燕山三期侵入花崗巖。該路段地基土層和土體計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 加固區(qū)土體地質(zhì)參數(shù)

1.3 排水板選擇與布置方式

塑料排水板因性能好、質(zhì)量可靠、施工方便、工效高等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。塑料排水板采用SPB100·C 型原生料板（厚度4.5 mm、寬度 100 mm），排水板按正三角模式打設(shè)、打設(shè)間距 1 m，平均深度21 m，濾管（Φ50 mm）及主管 （Φ75 mm、壁厚≥2.3 mm）選取PVC 材質(zhì)，采用高強(qiáng)度柔性塑料波紋濾管。

2 軟基固結(jié)沉降數(shù)值模擬

2.1 有限元計(jì)算參數(shù)

有限元平面計(jì)算模型中，將排水板等效為砂井，使等效后圓柱狀砂井與塑料排水板具有相同排水能力，此時(shí)砂井直徑設(shè)定為排水板等效直徑。有必要將軸對(duì)稱(chēng)砂井地基問(wèn)題轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變問(wèn)題處理，轉(zhuǎn)化原則是保證轉(zhuǎn)化前后地基平均固結(jié)度固定。把沿路基縱向間隔排布砂井視為沿縱向連續(xù)排布砂墻，即把砂井地基（三維固結(jié)問(wèn)題）轉(zhuǎn)變?yōu)槌膳派皦Φ鼗ㄆ矫鎽?yīng)變問(wèn)題）。依據(jù)現(xiàn)有計(jì)算原則與等效方法，塑排板不同計(jì)算參數(shù)及其取值，見(jiàn)表2。

表2 塑排板參數(shù)及其取值

2.2 有限元計(jì)算模型

利用軸對(duì)稱(chēng)性，取整個(gè)軟土地基的一半建立模型。計(jì)算模型幾何參數(shù)，基本與原型施工時(shí)相同。路基頂面寬度40 m，由于計(jì)算斷面對(duì)稱(chēng)，計(jì)算時(shí)取路基寬度20 m?？紤]真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓豎向影響深度和水平影響范圍，取基本不受影響的粉砂層厚度50 m，相當(dāng)于被影響深度范圍2 倍。塑料排水板總長(zhǎng)23 m，厚度4.5 mm，間距1.1 m。

采用孔隙流體/應(yīng)力耦合單元CPE4P 進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。將加固區(qū)土體網(wǎng)格進(jìn)行加密，使加固區(qū)計(jì)算結(jié)果更精確，遠(yuǎn)離加固區(qū)土體所受影響越小，網(wǎng)格逐漸稀疏。計(jì)算模型設(shè)定邊界條件：左右邊界設(shè)置為不透水邊界（僅豎向變形），底面邊界設(shè)置為不透水界面（豎向/水平變形為零），頂面邊界設(shè)置為自由位移邊界，且地表邊界設(shè)置為零孔隙水壓。

圖1 有限元網(wǎng)格劃分

3 模型加載

3.1 計(jì)算荷載步確定與初始地應(yīng)力平衡

為準(zhǔn)確計(jì)算，分四個(gè)載荷步施加真空-堆載加載時(shí)程曲線(xiàn)，如圖2 所示。第一載荷步是施加初始地應(yīng)力；第二荷載步是施加瞬時(shí)真空負(fù)壓，該荷載步只有一個(gè)子步；第三荷載步是繼續(xù)施加真空負(fù)壓；第四荷載步是同時(shí)施加路基堆載和真空壓力（加載持時(shí)230 d）。第三、第四荷載步，設(shè)置為自動(dòng)時(shí)步。

圖2 真空-堆載時(shí)程曲線(xiàn)

計(jì)算過(guò)程中須簡(jiǎn)化荷載，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓時(shí)荷載形式主要為土體自重、加固區(qū)土體表面堆載壓力和排水體中真空負(fù)壓。跟據(jù)工程實(shí)際情況，堆載分三次實(shí)施進(jìn)行，加固區(qū)真空預(yù)壓：表面點(diǎn)孔壓從0 線(xiàn)性漸近衰減至-80 kPa 后恒定；加固區(qū)堆載預(yù)壓：按填土堆載過(guò)程實(shí)施、不必等效轉(zhuǎn)換。地表真空壓力達(dá)到-80 kPa，加固深度底部壓力-15 kPa，通過(guò)在Abaqus 設(shè)置場(chǎng)函數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

3.2 模擬與實(shí)測(cè)沉降結(jié)果對(duì)比

數(shù)值模型的堆載中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)軟基地表沉降計(jì)算值隨時(shí)間變化過(guò)程，見(jiàn)圖3（包含現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降量數(shù)據(jù)）。分析可知，簡(jiǎn)化計(jì)算模擬值同實(shí)測(cè)值吻合程度較高，但與實(shí)測(cè)值存在一定差異。真空預(yù)壓區(qū)域軟基沉降整體比較均勻，中心點(diǎn)地表沉降實(shí)測(cè)值210 cm，此時(shí)對(duì)應(yīng)模擬值217 cm，二者誤差約3.4 %。

圖3 加固區(qū)中心點(diǎn)地表沉降模擬值與實(shí)測(cè)值

選取計(jì)算模型堆載中心點(diǎn)下不同深度處地基沉降模擬值隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4（包含現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)）。分析發(fā)現(xiàn)，真空預(yù)壓作用之初，軟基沉降數(shù)值計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間存在差異，最大誤差不高于20 %。究其原因，工程實(shí)際中負(fù)孔隙水壓力傳遞是隨時(shí)間和深度變化漸進(jìn)過(guò)程，受傳遞過(guò)程阻力效應(yīng)、施工場(chǎng)所復(fù)雜程度、地基土不均勻性等因素制約，且未全面考慮井阻、涂抹等作用，模擬所得沉降曲線(xiàn)收斂較快。上述因素可能是導(dǎo)致模擬計(jì)算值和實(shí)測(cè)值二者存在誤差的原因，但模擬計(jì)算值和實(shí)測(cè)值總體發(fā)展趨勢(shì)一致。

圖4 分層沉降模擬值與監(jiān)測(cè)值曲線(xiàn)

分析發(fā)現(xiàn)，由于所構(gòu)建數(shù)值模型、參數(shù)取值等方面不可避免與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況仍有差異，并不能夠理想再現(xiàn)地基土實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變特性，但數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)整體還是較為合理，無(wú)論是位移變化趨勢(shì)還是位移量基本上均與實(shí)測(cè)值契合。隨著時(shí)間延續(xù)，地基土側(cè)向水平和豎向沉降量均加大，真空-堆載協(xié)同作用加固效果明顯、路基變形顯著。堆載固結(jié)過(guò)程中，軟基沉降模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值變化規(guī)律一致。等值線(xiàn)圖表明地基加固區(qū)發(fā)生漏斗狀沉降變形，且中心處沉降量最大、向外側(cè)邊緣沉降量緩慢減小。值得注意的是，真空預(yù)壓地基25 m 深度范圍內(nèi)沉降量偏大，意味著加固效果主要集中在25 m 深度范圍，即約為排水板打設(shè)深度。

真空-堆載預(yù)壓作用增強(qiáng)路基影響范圍較廣，邊緣外側(cè)6 m 之內(nèi)路基土仍然會(huì)發(fā)生豎向沉降。究其原因，加固區(qū)地基土受真空與堆載聯(lián)合作用的影響程度遠(yuǎn)小于中心點(diǎn)處賦存土體，地基土出現(xiàn)朝向加固區(qū)方向的水平位移；堆載作用促使加固區(qū)地基土朝外側(cè)壓擠，導(dǎo)致加固區(qū)臨近土體沉降值比中心點(diǎn)處小，這跟現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為契合。

3.3 模擬與實(shí)測(cè)孔壓結(jié)果對(duì)比

圖5 為地基膜下真空度與模型加載時(shí)程曲線(xiàn)。圖6 為堆載中心點(diǎn)不同深度處孔隙水壓力監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果。

圖5 膜下真空度隨時(shí)間變化

圖6 中心不同深度處孔壓與模擬結(jié)果對(duì)比

分析可知，盡管孔隙水壓力數(shù)值計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值不可避免存在差異，不過(guò)整體演變趨勢(shì)較為相符，即孔隙水壓力值隨抽真空啟動(dòng)而快速降低，隨抽真空時(shí)間增加，孔隙水壓降幅漸趨縮小。堆載預(yù)壓固結(jié)過(guò)程中，堆載作用下地基土內(nèi)部孔壓迅速增大，而孔壓及時(shí)有效消散后土體固結(jié)沉降過(guò)程方可逐漸完成。分析超靜孔壓計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)二者時(shí)程曲線(xiàn)，可發(fā)現(xiàn)：1）堆載加固地基土內(nèi)部孔壓增幅和孔壓消散速率隨深度增加而減弱；2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)二者演變規(guī)律相符，堆載導(dǎo)致孔壓明顯增加，經(jīng)由塑排板排水固結(jié)、孔壓漸趨消散；3）預(yù)壓作用區(qū)域之外密封帷幕的存在導(dǎo)致真空負(fù)壓向外傳遞受阻，表現(xiàn)為真空負(fù)壓傳遞范圍集中在預(yù)壓區(qū)域內(nèi)；4）孔壓現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與計(jì)算數(shù)據(jù)之間存在些許差異，計(jì)算值對(duì)應(yīng)峰值相較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為顯著，并且實(shí)際孔壓消散速率明顯弱于計(jì)算速率，這源于所構(gòu)建數(shù)值模型的計(jì)算簡(jiǎn)化和并未引入井阻效應(yīng)，進(jìn)而引起一定程度波動(dòng)。

3.4 水平位移計(jì)算結(jié)果

水平位移計(jì)算曲線(xiàn)，見(jiàn)圖7，其中位移以向加固區(qū)方向移動(dòng)為正。從圖9 可知，地基土水平位移的計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整體上相符合。真空預(yù)壓引起地基土發(fā)生朝向加固區(qū)變形；堆載作用（較真空荷載小）施加導(dǎo)致地基土水平位移規(guī)律演變，但其方向仍然朝向加固區(qū)，盡管土體位移相較真空預(yù)壓時(shí)已有所減小。從圖10 可知，地基土側(cè)向變形主要發(fā)生在加固區(qū)范圍邊緣地表，區(qū)內(nèi)外土體均朝向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，向內(nèi)位移量與距加固區(qū)邊緣距離成反比，該現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)規(guī)律較為吻合。同時(shí)，密封墻外側(cè)地基土變形量明顯比其內(nèi)側(cè)更小，即發(fā)現(xiàn)密封墻兼具密封和阻礙非加固區(qū)水平位移效能。上述分析表明，真空預(yù)壓作用能夠引起一定程度的朝向內(nèi)側(cè)位移，而且其影響作用范圍比較廣、即需考慮施工過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境干擾。

圖7 水平位移監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

4 工后沉降預(yù)測(cè)

選取Asaoka 法進(jìn)行真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固地基工后沉降預(yù)測(cè)，理論基礎(chǔ)是一維固結(jié)方程。采用Asaoka 法（淺崗法）分析固結(jié)度，Δt 過(guò)小，會(huì)造成擬合點(diǎn)跳躍性較大，擬合所得直線(xiàn)相關(guān)系數(shù)較??；Δt 過(guò)大，擬合參數(shù)偏小，會(huì)產(chǎn)生一定偏差。因此，建議Δt 取值區(qū)間為10～100 d，選取Asaoka 法通過(guò)線(xiàn)性擬合預(yù)測(cè)地基沉降。線(xiàn)性擬合結(jié)果的好壞，通過(guò)相關(guān)系數(shù)反映，相關(guān)系數(shù)越大，則擬合結(jié)果可信度越高，擬合參數(shù)誤差就越小。

如圖8 和圖9 所示，選取Δt=10 d，根據(jù)Asaoka法進(jìn)行固結(jié)系數(shù)反演計(jì)算，工程現(xiàn)場(chǎng)及數(shù)值模擬得到相關(guān)系數(shù)分別為0.981 和0.93，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性較高。聯(lián)港二路GK0+336.000～+550.797 段預(yù)測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表3。截至2021 年6 月11 日滿(mǎn)載驗(yàn)收后抽真空125 d，符合設(shè)計(jì)要求的預(yù)壓期≥120 d。分析表3 可知，Asaoka 法推算得到的實(shí)測(cè)值及模擬值最大工后沉降均≤50 cm，符合設(shè)計(jì)要求（次干路15年、支路10 年，一般路段≤50 cm）。經(jīng)綜合評(píng)定，該區(qū)域軟基處理加固達(dá)到設(shè)計(jì)卸載要求，建議真空卸載。

圖8 堆載中心點(diǎn)沉降預(yù)測(cè)

圖9 數(shù)值模擬沉降預(yù)測(cè)

表3 Asaoka 法固結(jié)度推算

5 結(jié)語(yǔ)

依固結(jié)度等效原則將砂井地基轉(zhuǎn)化為砂墻地基，提出一種真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓有限元計(jì)算簡(jiǎn)化方法，建立廣州南沙區(qū)某典型軟土區(qū)域真空-堆載聯(lián)合加固道路軟基有限元模型。結(jié)論如下：

1）通過(guò)數(shù)值計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析比對(duì)，基于Abaqus 軟件的有限元計(jì)算模擬真空-堆載預(yù)壓加固軟基計(jì)算過(guò)程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，即有限元簡(jiǎn)化計(jì)算方法能夠有效模擬真空-堆載預(yù)壓加固軟基過(guò)程。

2）真空預(yù)壓加固區(qū)地基土主要產(chǎn)生收縮變形，并引起加固區(qū)域之外土體朝向加固區(qū)域方向移動(dòng)；堆載預(yù)壓效應(yīng)導(dǎo)致加固區(qū)地基土向外側(cè)壓擠，而近地表地基土仍然主要發(fā)生收縮變形，這與真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓工作機(jī)理相一致。

3）根據(jù)實(shí)測(cè)沉降曲線(xiàn)，采用Asaoka 法推算預(yù)測(cè)最大工后沉降均≤50 cm，符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)綜合評(píng)定，該區(qū)域道路軟基處理加固達(dá)到設(shè)計(jì)卸載要求，建議真空卸載。