狹長(zhǎng)型真空預(yù)壓區(qū)邊界影響及處理效果模擬分析

陳曉鵬，郭穎釗，張 浩，魏鵬飛

(1.中鐵九局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，遼寧 沈陽 110032；2.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，江蘇 南京 210029)

0 引 言

在我國沿海地區(qū)分布有廣泛的深厚軟土，極不利于工程建設(shè)，需對(duì)其進(jìn)行加固處理后方能使用。真空預(yù)壓法是目前處理這類軟土地基的一種常用方法，具有工期短、工后沉降小、加固效果好等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到廣泛的應(yīng)用。該工法在處理新建軟土路基方面有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)[1-3]，但對(duì)于道路拓寬工程，考慮周邊環(huán)境的復(fù)雜性，該方法鮮為使用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)值模擬方法的不斷成熟，以土體本構(gòu)模型[4，5]為基礎(chǔ)，采用數(shù)值計(jì)算軟件[6-8]已能夠較為全面真實(shí)可靠的反映土體變形發(fā)展性狀。為研究真空預(yù)壓法在深厚軟土地區(qū)道路拓寬工程中應(yīng)用的情況[9，10]，本文依托某拓寬道路工程真空預(yù)壓試驗(yàn)段，借助有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)狹長(zhǎng)型真空預(yù)壓區(qū)邊界影響范圍、真空預(yù)壓區(qū)內(nèi)差異沉降等方面進(jìn)行研究，分析真空預(yù)壓法處理拓寬路基的邊界效應(yīng)影響，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為該工法在深厚軟土地區(qū)處理拓寬路基的研究與應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

某道路拓寬工程位于深厚軟土地區(qū)，舊路雙向四車道，路基寬度約20 m，拓寬后為雙向六車道，考慮左右非機(jī)動(dòng)車道和人行道，路基寬度約40 m。路基下伏土層主要有素填土、淤泥、淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土以及砂質(zhì)粘土等，其中淤泥層厚度在10～20 m之間，該層土各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)見表1。為消除新舊路基差異沉降，設(shè)計(jì)采用真空預(yù)壓法對(duì)路基下伏軟土層進(jìn)行加固處理。為滿足施工期間通行要求，施工時(shí)按左右幅分幅施工，新舊路基同時(shí)處理。

表1 典型新路基淤泥層的主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 數(shù)值計(jì)算方法

土體本構(gòu)模型是一種在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上、能夠合理描述土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特性的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，是現(xiàn)代土力學(xué)研究中的一個(gè)重要而又熱門課題。國內(nèi)外著名的土體本構(gòu)模型如Duncan-Chang模型、Cam-clay模型、南水模型等，形式簡(jiǎn)單，參數(shù)易于確定，應(yīng)用較為廣泛。沈珠江提出的中國大陸第一個(gè)雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型[4](簡(jiǎn)稱南水模型)，結(jié)合了Duncan-Chang模型和Cam-clay模型的優(yōu)點(diǎn)，分別采用體積屈服面和剪切屈服面來描述土的屈服特性。

2.1 南水模型

南水模型雙屈服面方程可用下式表達(dá)

(1)

相應(yīng)的體積應(yīng)變和剪切應(yīng)變?cè)隽繛?/p>

Δv=Δp/Be+(A1/r2+η2A2)ΔP+η(A1-sA2)Δτ

(2)

Δr=Δτ/Ge+2[η(A1-sA2)Δp+(r2η2A1-sA2)]/3

(3)

式中:p=(σ1+σ2+σ3)/3，q=[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ1-σ3)2]1/2/3，η=q/p；Ge和Be分別為彈性剪切模量和體積模量，B3=Eur/3(1-2v)，Ge=Eur/2(1+v)；ν為彈性泊松比，可取1/3。

在三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)條件下，A1、A2為兩個(gè)塑性系數(shù)，按下式計(jì)算

(4)

(5)

(6)

式中：pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力值。

求得塑性系數(shù)A1、A2后，即可建立平面應(yīng)變問題的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。計(jì)算模型中共涉及K、n、φc、Rf、af、m6個(gè)計(jì)算參數(shù)(K為彈性模量余數(shù)；n為切線彈性模量隨σ3增加而增加的冪次；Rf為破壞比；φc為摩擦角；af為破壞孔隙壓力系數(shù)；m為壓縮模量隨軸向壓力增加而增加的冪次。

2.2 計(jì)算原理

采用真空預(yù)壓法處理軟土地基時(shí)，土體發(fā)生固結(jié)變形是其水頭邊界條件改變的結(jié)果。對(duì)于真空預(yù)壓法，邊界荷載不變，水流邊界條件發(fā)生改變，隨著真空作用點(diǎn)的水頭下降，形成由內(nèi)向外的水力坡降。由上述雙屈服面彈塑性模型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系結(jié)合幾何方程、平衡微分方程及水流連續(xù)方程，可得到比奧固結(jié)理論的求解方程式，然后采用有限單元離散，并結(jié)合時(shí)間域上差分法分段后得出求解方程式來求解工程中的邊值問題。

2.3 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)上述南水計(jì)算模型，需要確定待求解方程的計(jì)算參數(shù)。模型計(jì)算參數(shù)由室內(nèi)三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)(CD)獲得，主要涉及K、Kur、n、c、φ、Rf、G、D和F共9個(gè)計(jì)算參數(shù)，土體分層及各層土體計(jì)算參數(shù)見表2。

3 數(shù)值模擬結(jié)果和分析

隨著有限元理論的不斷成熟，數(shù)值模擬技術(shù)得到了迅速地發(fā)展，目前的數(shù)值計(jì)算軟件擁有能夠較為真實(shí)反映土體性狀的本構(gòu)模型，能夠合理模擬軟土地基在真空預(yù)壓處理方法下的固結(jié)特性[6，7]。本節(jié)借助現(xiàn)有數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)采用真空預(yù)壓法處理的軟土進(jìn)行模擬，研究分析真空預(yù)壓法處理拓寬路基的邊界效應(yīng)影響。

表2 土體分層及各層土體參數(shù)

3.1 模型建立

本工程為道路拓寬工程，拓寬后的路基寬度為40 m，為研究真空預(yù)壓法對(duì)周邊既有道路或建筑物的影響，在拓寬后的路基兩側(cè)分別設(shè)置寬度為30 m的區(qū)域，研究真空預(yù)壓法的邊界影響范圍以及差異沉降。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，可將土層分為三層，分別是雜填土、淤泥和粉質(zhì)黏土，厚度依次為2.85、10.80、1.70 m。塑料排水板的寬度為100 mm，厚度為4 mm，與周圍土體尺寸(指排水板間距)為1.2 m，等效后砂井半徑為0.026 mm。在加固區(qū)內(nèi)，為提高計(jì)算精度采用較密網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在加固區(qū)外，沿加固區(qū)邊界向外網(wǎng)格逐漸稀疏，網(wǎng)格劃分情況如圖1～圖2所示。計(jì)算模型頂部邊界設(shè)置為自由排水面，且位移自由；底部邊界設(shè)置為不透水面，并固定三個(gè)方向的位移。

圖1 真空預(yù)壓軟土處理的網(wǎng)格劃分情況

圖2 塑料排水板(即等效砂井)單元的網(wǎng)格劃分情況

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

(1)真空預(yù)壓法邊界影響范圍研究

真空預(yù)壓法對(duì)軟基處理的邊界影響，通常表現(xiàn)為加固區(qū)外特定范圍內(nèi)的深層水平位移情況以及地表裂縫等情況。本文依托工程全線距離長(zhǎng)，不同里程軟基處理深度也不一樣，選取該工程的11個(gè)典型斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，真空預(yù)壓處理深度在11.0～25.8 m之間，圖3反映了不同排水板打設(shè)深度對(duì)固結(jié)區(qū)邊界的影響情況。

圖3 真空預(yù)壓法邊界影響范圍監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)

從圖3中可以看出：當(dāng)真空預(yù)壓處理深度大于10 m時(shí)，隨著處理深度的增加，邊界影響范圍并沒有隨之增大，真空預(yù)壓法對(duì)加固區(qū)外的影響范圍在6～7 m之間，表明真空預(yù)壓法作為一種常規(guī)的軟基處理方法，不至于造成加固區(qū)外建筑物較大的影響，保證加固作業(yè)質(zhì)量的同時(shí)保障受擾建筑的安全；數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，整體模擬的邊界影響范圍要大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的影響范圍，但整體趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為隨加固深度增大影響范圍趨于穩(wěn)定，產(chǎn)生結(jié)果上差異的主要原因可能是數(shù)值模擬方法考慮因素不足或者作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)真空荷載傳遞損失等。

(2)拓寬路基差異沉降分析

通過有限元數(shù)值計(jì)算軟件的模擬分析，得到加固區(qū)新拓寬路基土體沉降隨時(shí)間的變化曲線，選取的位置和監(jiān)測(cè)位置一致，沉降曲線如圖4所示。

從沉降曲線圖4中的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出：在真空壓力持續(xù)作用180 d的情況下，左側(cè)路肩的模擬沉降量在50 cm左右，總的沉降量較小，主要是由于該路肩與舊路基搭接，舊路基軟基經(jīng)過處理，下伏軟土已經(jīng)發(fā)生很大程度的固結(jié)；拓寬路基路中及右路肩區(qū)域主要分布著原狀軟土，沉降較左路肩大，說明真空預(yù)壓法在軟基處理過程中達(dá)到了較好的固結(jié)效果；數(shù)值模擬得到的沉降量隨真空預(yù)壓作用時(shí)間逐漸增大，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線基本吻合，說明現(xiàn)有的有限元數(shù)值計(jì)算軟件能夠很好的模擬土體復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系，等效砂井也能夠很好的模擬排水板的效應(yīng)，為真空預(yù)壓的理論研究提供可靠的數(shù)值方法。

圖4 典型斷面數(shù)值模擬沉降曲線

4 結(jié) 論

本文主要研究真空預(yù)壓法在道路拓寬工程中的應(yīng)用，以某深厚軟土地區(qū)拓寬路基為例，采用數(shù)值模擬方法研究邊界影響范圍及拓寬路基的差異沉降，得到主要結(jié)論如下。

(1)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)均表明：當(dāng)軟土處理深度較大時(shí)，隨著加固深度的增大，影響范圍并未隨之增大，穩(wěn)定在加固區(qū)邊界6～7 m的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了真空預(yù)壓法處理軟土地基的可行性；

(2)拓寬路基橫斷面方向，新路基路中和右路肩沉降量相近，未出現(xiàn)明顯的差異沉降，表明采用真空預(yù)壓法處理狹長(zhǎng)型道路拓寬工程是可行的，處理邊界附近真空壓力衰減不明顯，邊界位置地基處理效果良好；

(3)采用有限元方法進(jìn)行真空預(yù)壓處理軟基的模擬，南水模型能夠準(zhǔn)確還原土體自身復(fù)雜的本構(gòu)模型，塑料排水板等效砂井亦具有較高的等效性，模擬得到的沉降結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，說明有限元數(shù)值方法在土體固結(jié)沉降方面有著較為成熟的應(yīng)用，對(duì)未來真空預(yù)壓法深入研究有著良好的前景。