PC樁聯(lián)合塑料排水板堆載預(yù)壓法處理軟基數(shù)值模擬探析*

李雪鋒,趙 倩,王翀霄,程鈺博,李耀東,徐振揚(yáng)

（1.昆山市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇 蘇州 215300，2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

軟土的工程特性差，天然含水量高，強(qiáng)度低，透水性差，壓縮性高，易受擾動影響，故工程中常常需要對軟土地基進(jìn)行處治[1]。對于軟土層深厚而不均勻沉降要求較高的場地，如橋頭段，往往會采用塑料排水板堆載預(yù)壓法加速排水固結(jié)，使地基土在短時間內(nèi)獲得較高的強(qiáng)度[2]。或是通過施打樁基提高地基承載力，使地基滿足上部結(jié)構(gòu)所需的強(qiáng)度。兩種方法的出發(fā)點(diǎn)均是使地基獲得一定的強(qiáng)度，并保證工程建筑物在使用過程中的不均勻沉降或沉降減小。

軟土路基固結(jié)沉降數(shù)值計(jì)算的軟件較多，其中ABAQUS常用于復(fù)雜的3D建模分析，而道路橫斷面固結(jié)沉降計(jì)算采用PLAXIS 2D即可滿足要求，且數(shù)值分析效率較高。文章采用PLAXIS 2D有限元軟件，對昆山市312國道青龍港橋頭段進(jìn)行數(shù)值模擬，通過工后沉降分析，找到最優(yōu)樁間距、塑料排水板長度及預(yù)壓時長方案，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 工程概況

312國道蘇州東段改擴(kuò)建工程KS3標(biāo)全長3.071km，其中K64+714.5～K64+744.5為橋頭段，橋頭段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為32.612m，雙向六車道。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料結(jié)合勘察成果，擬建工程橋頭段上部為少量素填土，大量分布淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（②2層），呈流塑態(tài)，工程特性差，厚度可達(dá)12～15m。下部分布粉質(zhì)黏土（⑤1層）和粉土夾粉質(zhì)黏土（⑤2層），壓縮性中等，工程特性一般。地基土的主要性能指標(biāo)如表1所示。

2 數(shù)值建模

原方案擬對工程場地等載預(yù)壓6個月，不設(shè)塑料排水板，施打PC-400預(yù)應(yīng)力管樁，長度21m，間距2.8m，布置形式為正方形，鋪設(shè)鋼塑格柵。

由于擬建工程橋頭段軟土層較深厚，為了加速排水固結(jié)，擬采用塑料排水板預(yù)壓法處理地基，通過PLAXIS 2D建模確定合理的排水管長度及間距。塑料排水板選用A型，排水板截面尺寸為100mm×3.5mm（寬×厚），按等邊三角形排列，間距l(xiāng)=1.1m。該類型排水板適用于打設(shè)深度小于15m。堆載預(yù)壓為等載預(yù)壓，高度為0.9m。同時，PC-400預(yù)應(yīng)力管樁的布置間距也需通過建模分析優(yōu)化。

表1 地基土層參數(shù)

為了找到減小地基沉降的最優(yōu)方案，設(shè)置樁間距不同的一組模型計(jì)算，同時改變塑料排水板長度以及預(yù)壓時長，確定塑料排水板預(yù)壓方案。

2.1 幾何模型建立

本項(xiàng)目選用平面應(yīng)力模型，15節(jié)點(diǎn)三角形單元，選擇橋頭段淤泥質(zhì)土層最厚的斷面進(jìn)行分析。所有的材料和其他土層的本構(gòu)模型均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。路基寬度為32m，邊坡坡度為1∶1.5，高為2.4m。路基土采用分層碾壓填筑，每層高度為0.8m。由于道路的對稱性，建立模型時取道路單側(cè)進(jìn)行模擬即可，為了盡可能消除邊界對計(jì)算結(jié)果的影響，地基土寬度取40m，深度取30m。

將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為二維平面問題，需要對模型設(shè)置基本假定條件。路面、土層均假設(shè)為水平面；模型兩側(cè)均關(guān)閉水流邊界、固結(jié)邊界，即無水平方向流向，底部為透水邊界；對水平、豎直方向的位移同時約束。幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型

2.2 模型參數(shù)計(jì)算

Chai[4]指出，從宏觀意義上看，在土層中打入塑料排水板的處理效果在于提高土層的豎向滲透系數(shù)。因此，模擬塑料排水板加固土層時，可以采用一個等效的豎向滲透系數(shù)來代替原土層的豎向滲透系數(shù)[5]。該簡化方法可以完成塑料排水板三維問題向二維問題的簡化，其簡化過程中參數(shù)少，物理意義明確，能有效地滿足工程計(jì)算的需要[6-7]。

等效豎向滲透系數(shù)kve可按下式計(jì)算：

式中：n=De/dw，De為有效排水直徑（根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012），等邊三角形排列De=1.05l）；dw為等效砂井直徑，dw=0.75（b+δ）；h為各層地基土的排水路徑（底部透水單向排水情況下，即為每層土中排水板長度）；ds為涂抹區(qū)直徑（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可按ds=3dm估算，dm為插板機(jī)芯軸直徑）；Ss=ds/dw；kh/ks為非涂抹區(qū)滲透系數(shù)和涂抹區(qū)滲透系數(shù)之比（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取5.0）。

經(jīng)計(jì)算，原土層的豎向等效滲透系數(shù)如表2所示。

表2 施打塑料排水板后土層等效豎向滲透系數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

原方案施工結(jié)束時的路堤沉降約為11.67cm，總沉降為17.94cm，與原設(shè)計(jì)方案書中測算相差不大。工后沉降約為6.27cm，符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）的沉降要求[7]。因此，建立的模型合理，符合工程實(shí)際。模型沉降云圖如圖2所示。

圖2 原方案施工結(jié)束時模型沉降云圖

3.1 改變布樁型式

改變樁間距建模計(jì)算得到工后沉降，選取不同樁間距對應(yīng)的工后沉降進(jìn)行Gauss曲線擬合如圖3所示?？梢钥闯龉ず蟪两惦S樁間距減小而減小，但減小的幅度（即曲線斜率）也逐漸減小，在樁間距小于2.6m時，工后沉降的降幅較小，在保證處理效果和經(jīng)濟(jì)合理的前提下，樁間距取2.6m為最優(yōu)方案。

圖3 不同樁間距對應(yīng)工后沉降曲線擬合

3.2 塑料排水板堆載預(yù)壓處理

實(shí)際工程中由于工期緊張的原因，需要采取能使地基快速排水固結(jié)的處理方法，其中塑料排水板能改善地基土滲透系數(shù)，建立孔隙水快速排水通道。塑料排水板長度為10m時，分別預(yù)壓1個月、2個月、3個月、4個月；塑料長度為12m、13m、14m、15m時，均預(yù)壓3個月。建模得到工后沉降分別如圖4～圖5所示。

圖4 改變塑料排水板堆載預(yù)壓天數(shù)處理工后沉降

由圖4可知，排水板聯(lián)合等載預(yù)壓對軟土地基排水固結(jié)具有較好的處理效果，在工期緊促的情況下，能夠較大壓縮固結(jié)時間。在深厚且滲透性較差的淤泥質(zhì)軟土中，排水板作為滲透性較好的通道，不僅能改善滲透性能，還能有效縮短孔隙水排出路徑，加速土顆粒間水排出進(jìn)而達(dá)到加速固結(jié)、減小工后沉降的效果。從工后沉降來看，排水板長10m，等載預(yù)壓4個月能達(dá)到原方案（等載預(yù)壓6個月）效果，即在工期緊促的情況下，采用排水板10m，等載預(yù)壓4個月是合理的。

圖5 改變塑料排水板長度堆載預(yù)壓處理工后沉降

由圖5可知，排水板長度為13m、14m時，與原方案的處理效果相近。這表明，排水板聯(lián)合堆載預(yù)壓處理法在淤泥層中的處理效果較好，能夠改善軟土較差的滲透性能，當(dāng)排水板完全打穿淤泥層時，輔助排水作用最好。而排水板長度為15m時，處理效果較14m時變化不大。隨著排水板打穿淤泥層后深入滲透性較好的粉質(zhì)黏土層，排水板對粉質(zhì)黏土層的影響不大，因而工后沉降變化較小。

4 結(jié)束語

文章通過有限元軟件PLAXIS進(jìn)行數(shù)值模擬得到沉降數(shù)據(jù)，對312國道橋頭段地基處理進(jìn)行了方案優(yōu)化。通過對比選擇，認(rèn)為312國道橋頭路段采用樁間距為2.6m、塑料排水板堆載預(yù)壓3個月、排水板長14m的方案時，能較好地減少沉降和不均勻沉降，并兼顧經(jīng)濟(jì)效益；考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，不建議采用長度大于14m的排水板。