土工織物聯合真空預壓對加固疏浚淤泥地基固結性能的影響

曾芳金， 許士偉*， 符洪濤， 李校兵， 蔡瑛

( 1. 江西理工大學建筑與測繪工程學院， 江西省巖土與工程災害控制重點實驗室， 贛州 341000; 2. 溫州大學建筑工程學院， 浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術重點實驗室， 浙江省海涂圍墾及其生態(tài)保護協(xié)同創(chuàng)新中心， 溫州 325035)

中國沿海地區(qū)進行了大規(guī)模的海涂圍墾工程，緩解了中國沿海城市土地資源緊張的形勢。海涂圍墾以疏浚淤泥為基礎物源，疏浚淤泥含水率高，顆粒極細，基本不具備強度，在真空預壓中采用預制豎向排水板(prefabricated vertical drain ，PVD)處理疏浚淤泥加固效果明顯，經濟環(huán)保，且技術可行，已經廣泛應用于處理疏浚淤泥地基的工程實踐中[1-2]。然而，在應用真空預壓技術處理疏浚淤泥地基時出現了淤堵現象，也被稱作“土柱”，影響土體加固效果[3-4]。產生PVD淤堵現象的主要原因有：①細顆粒土在真空負壓的作用下于向PVD移動和聚集，在PVD周圍形成致密的不透水層從而造成PVD淤堵[4-5]；②真空固結過程產生的尾水中膠體顆粒的平均直徑隨著施加真空時間的增加而減小，孔隙水中膠體顆粒會不斷地填充土柱空隙，在PVD 周圍形成滲透性極低的致密區(qū)域，影響真空度的傳遞[6]；③“涂抹”效應引起的PVD周圍不均勻固結[7]?？傊陨隙喾N現象會在PVD周圍產生滲透系數較小的區(qū)域，真空壓力的傳遞受阻，因此造成外圍土的孔壓消散較慢，降低了真空壓力在土中傳遞的效率，造成地基的不均勻固結。

土工織物具有良好的反濾、排水、隔離、防滲、防護、加固等功能，所以被廣泛應用于河道治理、堤防圍堰防滲、地基加固等工程中[8-11]。土工織物埋在土中不僅可以起到平面和垂直其平面的方向排水作用，將更多的細小顆粒過濾在土工織物表面，減少土顆粒向PVD方向移動，還可以加速孔隙水壓力的消散，提高PVD排水能力[12-13]。土工織物雖然廣泛應用軟土處理方面，但是極少數學者結合了真空預壓。

首先，為了研究土工織物聯合真空預壓緩解PVD淤堵的效用，進行了真空固結室內模型試驗。然后，以PVD晶胞單元為模型，對試驗模型用Plaxis 2D軟件進行數值模擬分析。最后，根據室內模型試驗數據用Plaxis模擬出聯合土工織物作用下PVD的dwi(排水板等效直徑dw的等效模擬值)，根據等效直徑與土工織物間距和直徑之間的關系，確定最佳的試驗方案并且具有一定的實踐意義，從而給土工織物聯合真空預壓在工程實踐中的應用提供參考。

1 室內模型試驗

1.1 試驗裝置

為了驗證本文提出的土工織物聯合真空預壓固結試驗對緩解PVD淤堵效應的有效性，進行室內模型實驗并利用Plaxis 2D進行數值模擬。模型試驗裝置如圖1所示，模型試驗裝置由圓形有機玻璃桶、排水體系、真空泵、真空表、孔壓計和測量體系組成。

1.2 試驗材料

試驗采用的土樣取自溫州“甌飛”圍海造陸工程現場的吹填淤泥。土樣運送到實驗室后由攪拌器徹底攪拌混合，土樣基本的物理參數見表1。

1.3 試驗原理

土工織物聯合PVD的裝置圖如圖2(a)所示，實驗室模型裝置圖如圖2(b)所示。土工織物采用的是長絲機織土工布，土工織物參數見表2。

圖1 實驗室模型裝置圖Fig.1 Model test device

L為試驗模型中疏浚淤泥的高度，r為土工織物的半徑， S為土工織物的間距 圖2 土工織物聯合PVD示意圖Fig.2 Device diagram of geotextile and PVD

表1 土體的物理力學指標Table 1 Physical and mechanical properties of the soil

表2 土工織物參數Table 2 Parameters of geotextile

土工織物分層鋪設在土體之間，可以起到集水、排水和阻擋細小黏土顆粒在真空吸力的作用下向PVD移動，減少PVD的淤堵現象。在真空固結過程中，細小的顆粒將逐漸沉積在織物表面形成弱透水層“濾餅“，但是土工織物的性質不影響濾餅的水力傳導度[12]。固結機理如圖3所示。

除此之外，在真空固結的過程中土顆粒沿土工織物表面產生相對移動進而使土工織物界面處摩擦力逐漸發(fā)揮作用，約束了土體的水平位移，會對土體產生側向約束作用,減少土體的側向位移[14]。

1.4 試驗程序

(1)組裝試驗模型。將剪裁好的土工膜放置有機玻璃桶中，PVD放置桶的中心位置，放置一定深度的疏浚淤泥后，將一定直徑的土工織物自上而下穿過PVD放置土樣表面，重復以上步驟直至泥漿高度達到設計標高，最后封膜。

圖3 真空固結機理Fig.3 Vacuum consolidation with a geotextile

(2)設置加載系統(tǒng)。將PVD與抽水瓶通過定制的接頭相連，抽水瓶另一個接頭真空泵連接，向模型裝置中施加90 kPa真空吸力進行真空預壓。

(3)試驗過程監(jiān)測。試驗過程中記錄數值。加固一段時間后，孔隙水壓力變化較小，沉降不再明顯變化且排水小于100 g/d時，停止抽真空[15]。

1.5 試驗方案

設計4個室內模型試驗，方案T1使用的是普通的mini-PVD，其他3個方案使用的是mini-PVD聯合不同直徑的土工織物，等效直徑的模擬值dwi見表3，有限元模擬結果見表4，每個試驗持續(xù)1～3個月。

表3 不同試驗方案及dwi的模擬值Table 3 Cases tested and dwi values for model tests

2 試驗結果分析

2.1 表面沉降

實驗室模型試驗及plaxis2D模擬結果在到PVD徑向距離150 mm處的表面沉降曲線，如圖4所示，可知數值模擬的結果與實驗室的結果吻合良好。

T1、T2和T3在試驗進行90 d后的沉降值分別為T4的3.6、3、3.12倍。試驗結果表明土工織物間距越近和直徑越大，固結效率越高，沉降值越大。以T1、T2和T3為例，分別取到PVD徑向距離d為50 mm和250 mm處沉降值進行對比分析，結果如圖5所示。

到PVD的徑向距離50 mm和250 mm處的表面沉降差值T1為8 mm，T2為30 mm和T3為16 mm。這表明土工織物的間距越小，直徑越大，緩解PVD淤堵的效果越好。原理是因為在真空吸力的作用下，隨著遷移的土體黏粒含量增多，單位時間內通過織物的土顆粒越多，土顆粒越容易淤積在織物的內部孔隙中，使織物內部產生淤堵，織物的滲透性減弱，但水還可以自由的流動[16-17]。隨著時間的推移，土粒通過織物的效率較低，粒徑較大的顆粒堵塞織物表面孔口，阻礙粒徑較小的顆粒通過織物，細小的顆粒將逐漸沉積在織物表面形成弱透水層“濾餅”，此時淤堵發(fā)生在織物的表面，形成新的排水系統(tǒng)[18-19]。最后，土工織物的排水路徑的淤堵導致過濾系統(tǒng)的排水能力下降[20-21]。同時，當土工織物的間距較小時，隨著固結的進行，織物在限制土體側向變形、增加周圍約束[22]、抑制土體剪脹等方面的作用更加明顯。所以土工織物間距越近，直徑越長時，會將更多的土顆粒過濾在土工織物的表面，減小其向PVD方向的移動，因此很大程度上緩解了PVD的淤堵和不均勻沉降的現象。

圖4 表面沉降的實測與模擬值對比Fig.4 Comparison measured and simulated of surface settlement

圖5 d為50 mm 和250 mm的實測沉降量Fig.5 Comparison of surface settlement with d = 50 mm, d = 250 mm

2.2 孔隙水壓力

在距排水板徑向距離150 mm，距頂面350 mm處的孔隙水壓力實驗室實測值和模擬值如圖6所示。由圖6可知，孔隙水壓力的實測值與模擬值吻合良好。土工織物間距越近，直徑越長，孔隙水壓力消散的就越快。在距離頂部0.35處，到PVD徑向距離d分別為50、150、250 mm的孔隙水壓力如圖7所示。

圖6 孔隙水壓力的實測與模擬值對比Fig.6 Comparison of pore water pressure measured and simulated

圖7 孔隙水壓力Fig.7 Pressure of pore water

孔隙水壓力在d為50 mm處消散的最快，d為150 mm和250 mm處孔隙消散趨勢大致相同。在T2中，d為50、150、250 mm處的孔隙水壓力消散值分別大約是T1的92%、78%和69%。這說明相同間距下，土工織物的半徑越長，孔隙水壓力的消散效果越好。

2.3 土體側向位移

在真空預壓的過程中，土工織物可以阻擋土顆粒向PVD方向移動，限制土體的側向變形。4個案例的土體側向位移如圖8所示。表明T1的側向位移最小，緩解土體側向位移的作用最明顯。T4由于嚴重的淤堵現象，在固結度較低的情況下側向位移仍然比T1多出了11%。T2、T3的側向位移分別比T1多出了46%和26%，這說明土工織物直徑越大，間距越小，土體的側向位移越小。

圖8 土體側向位移值Fig.8 The lateral displacements of soil

3 有限元值分析

由于實驗室規(guī)模有限，土工織物直徑和間距的大小對土體固結效果的影響不能完全被試驗。因此，為了克服這個不足，根據實驗室模型試驗結果用Plaxis2D進行有限元分析。

3.1 計算模型

所采用的有限元分析模型及模型網格如圖9所示。

圖9中所示模型體有1 399個單元，11 007個節(jié)點。實驗室試驗模型采用的圓形桶體模型，徑向剖面的的形狀與尺寸以及荷載分布沿環(huán)向基本一致，所以建立軸對稱應變模型。對于軸對稱模型分析或者可能發(fā)生土體破壞的情況，采用15節(jié)點三角形單元的計算精度非常高，對復雜問題也可以給出高精度的應力結果。因此，本軸對稱模型分析中采用15節(jié)點三角形單元進行計算。由于后續(xù)計算中將進行固結分析，需要對模型水力邊界條件進行定義。由于模型采用的時軸對稱模型，除了模型左側邊界打開外，其余邊界皆為關閉，即土體中的水和超孔隙水壓力只能通過左邊界流動和消散。實驗室模型試驗持續(xù)了3個月，力學模型采用了修正劍橋黏土模型，模型參數見表4。

在數值模擬時，將實驗室模型試驗中長度與土工半徑相等的排水線代替，按照實驗室模型試驗的參數設置進行模擬，以T1為例模型如圖10所示。

該模型模擬了D=500 mm、S=200 mm的土工織物聯合PVD真空固結模型，總高度為800 mm，施加了90 kPa的真空吸力，經過模擬計算后dwi=280 mm，更多的模擬結果如表5所示。

數值模擬結果與實驗室模擬結果進行對比分析。利用軸對稱模型，將PVD模擬成排水板等效直徑為dw的圓柱體，dw的計算公式為

表4 數值模擬模型參數Table 4 Parameters of numerical model

圖9 普通PVD有限元值模型Fig.9 Finite element analysis model with a mesh for the model test

圖10 土工織物聯合PVD有限元值模型圖Fig.10 Model of the geotextile for finite element analysis

表5 數值模擬結果Table 5 Cases investigated

(1)

式(1)中：td排水板的寬度；wd為排水板的厚度；dw為排水板等效直徑。根據實驗室模擬試驗和模擬結果的對比分析，當模擬結果和實測結果吻合時，可以根據沉降值對加了土工織物的模型實驗的dwi進行模擬。

3.2 模擬結果分析

對兩種模型的dwi進行分析，以土體的表面沉降值為參考量，通過對比分析帶有土工織物和無土工織物的沉降值，不斷修改和模擬無土工織物的排水板等效直徑，模擬出與有土工織物模型試驗結果相同的沉降曲線，從而確定帶有土工織物模型的排水板等效直徑dwi，dwi和dw如圖11所示。在數值模擬中通過改變土工織的D、S、dw變量，根據沉降值或者dwi的大小發(fā)現，影響固結效果最大的因素是D，其次是dw，影響最小的因素是S。

圖11 dwi對比值Fig.11 Comparing dwi

3.2.1 土工布間距的影響

土工布間距不同，會導致土體的表面沉降不同。通過改變土工布之間的距離，土體表面沉降如圖12所示，S和dwi的關系如圖13所示。

當D=500 mm時，隨著土工織物之間距離的逐漸增大，dwi逐漸減少，表面沉降值逐漸減少。由圖13可知，R2=0.94，這說明S與dwi具有良好的線性關系，但是斜率K=-0.25，這說明S對土體固結效果的影響沒有D和dw顯著。

3.2.2 土工織物直徑的大小的影響

相同間距的土工織物因為直徑的增大，土體表面的沉降值也會隨之增大。通過改變土工布的不同直徑，沉降值的變化如圖14所示，D和dwi之間的關系如圖15所示。

圖12 不同間距的表面沉降值Fig.12 Settlement curves for different S

圖13 間距和dwi之間的關系Fig.13 Relationship between S and dwi

圖14 不同直徑D時表面沉降Fig.14 Settlement curves for different R

圖15 D 和dwi之間的關系Fig.15 Relationship between R and dwi

當S=200 mm時，隨著土工織物直徑的不斷增加，dwi值逐漸增大，表面沉降值逐漸增加。由圖15可知，R2=0.99，這說明D與dwi具有良好的線性關系，且斜率K=0.76，這說明D對土體固結效果的影響最大。

3.2.3dwi的評估

通過不斷改變無土工織物試驗模型的dw，模擬出與加土工織物模型相同的沉降值，從而得出加土工織物模型的dwi。根據Plaxis模擬出來的結果，對dwi/dw與其對應的D/S進行繪圖，并且通過回歸分析擬合出關系式，如圖16所示。Ddw/S和dwi之間的關系如圖17所示。

由圖16可知，當S和D不變時，隨著dw的增值，dwi逐漸增大。R2=0.91，這說明D與dwi具有良好的線性關系，且斜率K=0.38，這說明dw對土體固結效果介于D和S之間。綜上所示，dwi的大小與D和dw成正相關，與S成負相關。D、S和dw與dwi的關系(圖16)為。

(2)

圖16 dw and dwi之間的關系(D=400 mm,S=400 mm)Fig.16 Relationship between dw and dwi (D = 400 mm, S = 400 mm)

圖17 Ddw/S和dwi之間的關系Fig.17 Relationship between Ddw/S

(3)

d″wi=-0.006<0

(4)

d″wi<0說明dwi的增長趨勢在圖形上呈現凸的趨勢，當Ddw/S增長到一定的數值后，對dwi的影響越來越小。由式(2)可知，當Ddw/S為109.375時，dwi取得最大值為284。這說明在有限的模擬結果中，當D=500 mm,dw=35 mm，S=16 mm時，dwi=284取得最大值，dwi可以代入常規(guī)的固結理論進行計算，用于工程設計。

4 結論

(1)通過室內模型試驗和有限元數值模擬分析結果可知：當PHD長度與土工織物直徑相等時，兩者在真空預壓中具有同等的排水固結效果。但是，后者可以節(jié)約60%的成本，具有非常好的經濟效益。

(2)疏浚淤泥地基的加固效果與土工織物的長度呈正相關，與間距的大小呈負相關。但是經過數值模擬后發(fā)現，當土工織物的直徑R=500 mm，間距S=160 mm時，沉降值最大。當間距S<160 mm，沉降值不再發(fā)生變化。

(3)通過對比分析，PVD聯合土工織物比傳統(tǒng)PVD在90d內沉降量提升了71%，兩者加固效果具有明顯的差距。這說明土工織物聯合真空預壓可以緩解PVD淤堵現象，減少土體的不均勻沉降，提高土體的固結效果。

(4)通過數值模擬分析發(fā)現，加大土工織物的直徑是緩解PVD淤堵效應和減少土體側向位移最有效的辦法。