含砂層軟土地基真空預(yù)壓二維有限元分析

摘要：采用真空預(yù)壓處理含砂層軟土地基時(shí)，受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境的限制，無法定量分析含砂層會(huì)對(duì)地基形變產(chǎn)生的影響。以溫州某圍海工程為例，針對(duì)粉砂含淤泥、淤泥等物理力學(xué)性質(zhì)差異明顯的土樣，通過有限元模型對(duì)真空預(yù)壓加固過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。將模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，明確了含砂層對(duì)軟土地基排水的促進(jìn)作用，揭示了在砂層厚度不變的條件下，含砂層埋設(shè)深度越深，軟土地基的分層沉降及側(cè)向位移越大的規(guī)律。研究驗(yàn)證了有限元模型的合理性，可為真空預(yù)壓技術(shù)處理類似地質(zhì)條件提供有效參考。

關(guān)鍵詞：含砂層；真空預(yù)壓；有限元分析；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU470+.3" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" "文章編號(hào)：２０９６-2118（2024）04-0069-08

Two-Dimensional Finite Element Analysis of Vacuum Preloading of Soft Soil Foundation with Sand Layer

XIE Bin1，XIE Zhongwu2，WANG Xiaofeng3*，WANG Long3，4，5，6，7，XU Mintao3，4，5，6，7

（1：Wenzhou Water Conservancy Investment Development Co.，Ltd.，Wenzhou Zhejiang 325000，China；2：Wenzhou Education Infrastructure Center，Wenzhou Zhejiang 325000，China；3：Wenzhou University， Wenzhou Zhejiang 325000，China；4：Zhejiang Province Key Laboratory of Soft Soil Foundation and Reclamation Engineering Technology of Seawall，Wenzhou Zhejiang 325000，China；5：Zhejiang Province Haitu Reclamation and Its Ecological Protection Collaborative Innovation Center， Wenzhou Zhejiang 325000，China；6：Coastal Soft Soil Foundation Disaster Prevention and Mitigation Technology Zhejiang Engineering Research Center，Wenzhou Zhejiang 325000，China；7：Ultra-Soft Soil Engineering Technology and Intelligent Monitoring Zhejiang International Science and TechnologyCooperation Base，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

Abstract：When vacuum preloading is applied to treat soft soil foundations with sandy layers，quantitative analysis of the influence of the sandy layers on foundation deformation is constrained by the limitations of on-site experimental conditions.Taking a coastal engineering project in Wenzhou as an example，finite element modeling was utilized to numerically simulate the vacuum preloading reinforcement process for soil samples exhibiting significant differences in physical and mechanical properties，such as fine sand with silt and silt.The simulation analysis results were compared with on-site measured data，elucidating the facilitating role of sandy layers in promoting drainage in soft soil foundations，it revealed that under the condition of constant sand layer thickness，the deeper the burial depth of the sandy layer，the greater the stratified settlement and lateral displacement of the soft soil foundation.The study validated the rationality of the finite element model，providing valuable insights for the application of vacuum preloading technology similar geological conditions.

Keywords：sand layer；vacuum preloading；finite element analysis；field tests

0 引言

真空預(yù)壓是在土體當(dāng)中施加真空壓力，促進(jìn)土體排水固結(jié)的一種軟基處理方法[1]。然而，為了提升吹填施工的效率，在圍墾施工過程中，存在先吹填砂，后吹填淤泥的情況。在此施工條件下，形成了“雜填土-粉砂夾淤泥-淤泥”的復(fù)雜地質(zhì)條件。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范GB 50021—2001》[2]，其對(duì)夾層的定義為：層厚＜0.5 m，且薄、厚層厚度比為1/10～1/3的土層。

在實(shí)際工程中，真空預(yù)壓對(duì)含砂層軟土地基的處理效果尚未得到實(shí)際驗(yàn)證。在外部荷載的作用下，軟弱土層表現(xiàn)出較大的壓縮量，相比之下，含砂層的壓縮量則較小，造成土層之間顯著的沉降差異[3]。有限元分析逐漸成為解決復(fù)雜工程計(jì)算問題的有效途徑。BIOT[4]固結(jié)理論在真空預(yù)壓領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，可以準(zhǔn)確反映出孔隙水壓力消散與土體變形之間的耦合關(guān)系?；贖ansbo理論，INDRARATNA等[5]提出了考慮井阻和涂抹效應(yīng)的簡(jiǎn)化砂墻的方法。CHAI等[6]借助二維有限元軟件模擬了軟土地基在真空預(yù)壓處理前后的變形特點(diǎn)，并獲得良好的擬合效果。

本文基于真空預(yù)壓軟基處理項(xiàng)目，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)含砂軟土地基的特殊工況，利用有限元軟件Plaxis 2D對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行模擬，選取適合的本構(gòu)模型，建立有限元模型，對(duì)真空預(yù)壓加固過程進(jìn)行模擬計(jì)算。在對(duì)比分析模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了含砂層在不同埋深條件下，軟土地基的變形規(guī)律，研究彌補(bǔ)了類似案例的研究空白，可為實(shí)際工程提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

1 工程概況

以龍灣Ⅱ期智能制造基地工程為例，軟土地基沿深度范圍內(nèi)（0～40 m）存在②1粉砂夾淤泥層，如圖1所示，場(chǎng)區(qū)地貌為海積平原，場(chǎng)地高程2.4 m～6.5 m，地下水位于地表以下約1.5 m～2 m，各層土體均處于飽和狀態(tài)，其中②1粉砂夾淤泥，②2淤泥夾粉砂為夾層土。類似的地質(zhì)條件在溫州甌飛、臺(tái)州市溫嶺擔(dān)嶼涂等圍墾工程中廣泛存在。

各層土體的含水率高于相應(yīng)液限，抗剪強(qiáng)度較低。初步采用真空預(yù)壓法提高軟土地基承載力，土體物理和力學(xué)參數(shù)見圖2。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

討論真空預(yù)壓對(duì)于夾砂軟土地基的加固效果，采取現(xiàn)場(chǎng)真空預(yù)壓試驗(yàn)，在位于擬建道路的不同位置設(shè)置試驗(yàn)區(qū)A～E五片試驗(yàn)區(qū)（如圖3～圖4）。試驗(yàn)總面積約為480.34 m2，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從2022年3月開始至2022年5月結(jié)束。

2.2 監(jiān)測(cè)說明

加固區(qū)域四周設(shè)置深度＞2 m的密封溝，開挖后先鋪設(shè)無紡?fù)凉げ己兔芊饽?，埋設(shè)深度為1.5 m～2.0 m，將密封溝埋入淤泥層，溝內(nèi)回填不透氣淤泥、黏土及水以保證密封性（見圖5）。每片試驗(yàn)區(qū)均在波紋管、土工膜下及土中布設(shè)真空度探頭，以及孔隙水壓力計(jì)。將連續(xù)10 d地表沉降量＜2 mm作為停止真空預(yù)壓的條件。

試驗(yàn)期間關(guān)注膜下真空度變化及分布情況，對(duì)于部分區(qū)域表面密封膜發(fā)生損壞的情況進(jìn)行了及時(shí)修復(fù)。試驗(yàn)區(qū)A于第34 d停止抽真空，于第47 d重啟直至試驗(yàn)結(jié)束。

3 有限元模擬

基于Plaxis 2D生成的半對(duì)稱模型，變形條件為平面應(yīng)變假設(shè)，孔隙水壓力計(jì)算的類型采用穩(wěn)態(tài)地下水滲流，有限元網(wǎng)格采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，劃分為691個(gè)單元，共5 707個(gè)節(jié)點(diǎn)。用于生成80 kPa真空荷載的排水體長度為16 m，施加持續(xù)61 d真空預(yù)壓，試驗(yàn)過程按照滲流固結(jié)耦合計(jì)算分析，邊界條件及有限元模型見圖6。在有限元分析中，軟土的本-構(gòu)模型采用修正劍橋模型，②1粉砂夾淤泥層采用線彈性模型。土樣水平向滲透系數(shù)一般為豎直向滲透系數(shù)的1.5倍。土體有限元參數(shù)見表1。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 地表沉降

室內(nèi)壓縮試驗(yàn)得到各層土樣e-lgσ′關(guān)系曲線，如圖7所示。根據(jù)40 kPa～450 kPa荷載下的壓縮指數(shù)Cc可將吹填土樣按照壓縮性分為三類：高壓縮性土（淤泥），中壓縮性土（淤泥夾粉砂，淤泥質(zhì)黏土，黏土），低壓縮性土（粉砂夾淤泥，粉質(zhì)黏土）。吹填混合土在荷載作用下形成了砂骨架。骨架形成之前，表現(xiàn)出似黏土性狀，而在骨架形成之后，砂顆粒彼此接觸，抑制了孔隙比的減小。

地表沉降隨時(shí)間變化關(guān)系對(duì)比如圖8所示，軟土地基經(jīng)過64 d真空預(yù)壓加固過后，各試驗(yàn)區(qū)最終沉降位于160 mm～250 mm，由于試驗(yàn)期間A試驗(yàn)區(qū)停泵14 d，所以試驗(yàn)區(qū)A地表沉降量略小于其他四片試驗(yàn)區(qū)。有限元模擬得到試驗(yàn)地基經(jīng)過300 d真空預(yù)壓后的地表沉降量在310 mm附近。2000年，濟(jì)南“遙墻”機(jī)場(chǎng)路基加固案例中，TANG等[7]針對(duì)表層土體含有粉砂的工況，對(duì)打設(shè)密封墻后軟土地基采用真空預(yù)壓試驗(yàn)處理。該地基在進(jìn)行了90 d的真空固結(jié)后，地表最終沉降量為320 mm。

4.2 真空度及孔隙水壓力

通過在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置真空度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)試驗(yàn)期間土體內(nèi)部真空度，膜下真空度以及波紋管中真空度。由于風(fēng)化、浸泡等因素導(dǎo)致土工膜表面發(fā)生不同程度的破損，是試驗(yàn)期間的真空度波動(dòng)主要原因，經(jīng)及時(shí)修復(fù)處理后，真空度達(dá)到穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，檢測(cè)到淺部（1 m～3 m）土體的真空度的與超孔隙水壓力變化趨勢(shì)一致。但由于在監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)過程中，自由水在壓強(qiáng)的作用下，通過真空探頭擠入真空軟管中，使得后續(xù)試驗(yàn)過程中，真空探頭附近的土體在真空荷載作用下發(fā)生淤堵，使得軟管內(nèi)的水無法及時(shí)排出，導(dǎo)致連接深層土體的真空表無法顯示讀數(shù)[8]。

試驗(yàn)區(qū)A在試驗(yàn)第34 d～47 d內(nèi)經(jīng)歷真空泵停泵?？紫端畨毫υ谡婵蘸奢d作用時(shí)始終保持張拉狀態(tài)，并在排水-固結(jié)的過程中逐漸消散。停泵后，真空荷載無法繼續(xù)作用在地基當(dāng)中，各深度處孔隙水壓力有所回升。在重新施加真空荷載后，孔隙水壓力繼續(xù)消散。以試驗(yàn)區(qū)C試驗(yàn)區(qū)為例，通過有限元模擬得到的孔隙水壓力變化曲線呈現(xiàn)為自然對(duì)數(shù)函數(shù)形式，雖然現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是離散的，但變化關(guān)系與模擬結(jié)果吻合。從圖9中可以觀察到，以②1粉砂夾淤泥為分界層，素填土（0～-5 m）內(nèi)孔隙水壓力整體變化趨勢(shì)較快，并在后續(xù)10 d～30 d內(nèi)逐漸消散。而吹填混合土層（-7 m～-15 m）內(nèi)孔隙水壓力變化趨勢(shì)較緩，孔隙水壓力的變化量先是在真空固結(jié)前5 d內(nèi)達(dá)到最大，隨后在試驗(yàn)過程中保持穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谝欢ǖ暮傲３叽缦?，增加?泥混合料中砂的含量，可以增加孔隙水的排出，從而加速孔隙水壓力的消散。

4.3 基于不同埋深砂層的影響

本節(jié)有限元模型，通過控制含砂層厚度不變（3 m），改變含砂層的埋設(shè)深度（5 m，8 m，11 m），探究真空預(yù)壓對(duì)含砂層軟土地基加固變形的影響。在本次有限元分析計(jì)算中，加固時(shí)間為300 d，參考現(xiàn)場(chǎng)工況，排水板（PVD）的打設(shè)深度為16 m，相關(guān)參數(shù)與真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)保持一致。具體方案見表2。

4.3.1 分層沉降

基于含砂層不同埋設(shè)深度，為研究真空預(yù)壓法對(duì)軟土地基分層沉降的影響，有限元模型在控制含砂層厚（3 m）不變的基礎(chǔ)上，改變粉砂夾淤泥層的埋設(shè)深度，如方案1，方案2，方案3，進(jìn)行300 d真空預(yù)壓有限元分析，基于有限元計(jì)算結(jié)果，在1 m，3 m，5 m，7 m，10 m，13 m，15 m處的觀測(cè)點(diǎn)，得到如圖10所示的分層沉降對(duì)比。

由圖10可知，在真空預(yù)壓期間方案1，方案2，方案3的分層沉降，隨加固時(shí)間進(jìn)行而不斷增加，后期變化趨勢(shì)逐漸趨于平緩。相同層厚（3 m）的含砂層不同埋設(shè)深度的條件下，分層沉降變化各不相同，具體表現(xiàn)為：方案1在1 m，3 m，5 m處的沉降量分別為21.6 mm，11.1 mm，6.64 mm；方案2在1 m，3 m，5 m處的沉降量分別為25.29 mm，15.2" mm，9.31 mm；方案3在1 m，3 m，5 m，7 m處的沉降量分別為27.88 mm，18.03 mm，11.89 mm，7.79 mm，經(jīng)過300 d真空預(yù)壓加固，相同含砂層厚（3 m）在不同埋設(shè)深度下的軟土地基，在埋設(shè)深度相同的位置處，分層沉降隨含砂層埋設(shè)深度的增加而相應(yīng)增大。這主要是因?yàn)樗靥钔僚c粉砂夾淤泥層的壓縮模量差異加大：素填土層在真空荷載作用下，相較于粉砂夾淤泥產(chǎn)生了較大的形變量，粉砂夾淤泥層以下的深層淤泥沉降量變化較小，在真空壓力下產(chǎn)生的形變較小，限制了該處的分層沉降。分層沉降模擬結(jié)果表明，具有相同含砂層厚的軟土地基在不同埋設(shè)深度下（5 m，8 m，11 m），真空預(yù)壓產(chǎn)生的分層沉降隨含砂層埋設(shè)深度增加而增大。

4.3.2 側(cè)向位移變化

為研究含砂層對(duì)軟土地基側(cè)向位移的影響，有限元模型在控制原有含砂層厚不變（3 m）的基礎(chǔ)上，如方案1，方案2，方案3，改變粉砂夾淤泥層的埋設(shè)深度，分別為5 m，8 m，11 m，進(jìn)行300 d真空預(yù)壓有限元分析，基于有限元計(jì)算結(jié)果，在1 m，3 m，5 m，7 m，10 m，13 m，15 m處的觀測(cè)點(diǎn)，得到如圖11所示的側(cè)向?qū)Ρ取?/p>

在含砂層厚（3 m）不變的情況下，通過調(diào)整含砂層頂部及底部標(biāo)高，得到含砂層的不同埋設(shè)深度工況，經(jīng)過300 d真空預(yù)壓加固處理，軟土地基的側(cè)向位移隨含砂層埋設(shè)深度增加而逐漸變大，方案1在1 m，5 m，10 m處的側(cè)向位移分別為110 mm，45 mm，30 mm；方案2在1 m，5 m，10 m處的側(cè)向位移分別為195 mm，48 mm，15 mm；方案3在1 m，5 m，10 m處的側(cè)向位移量分別為210 mm，48 mm，15 mm。側(cè)向位移并不會(huì)隨含砂層的厚度發(fā)生改變，且地基發(fā)生側(cè)向位移的主要深度位于-5 m以上，受埋深及含砂層的限制影響，淤泥層的側(cè)向位移在真空預(yù)壓加固第25 d內(nèi)達(dá)到最大，后保持不變。含砂層軟土地基側(cè)向位移變形證明：在保證含砂層層厚不變的條件下，含砂層埋設(shè)深度對(duì)軟土地基的側(cè)向變形影響較大，同時(shí)含砂層對(duì)軟土地基側(cè)向變形起到約束作用。

5 結(jié)論

1） 采用有限元模擬真空預(yù)壓處理含砂軟土地基時(shí)，對(duì)粉砂夾淤泥采用線彈性本構(gòu)模型，素填土、淤泥夾粉砂、淤泥采用修正劍橋模型，計(jì)算過程采用流-固耦合，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值更為一致。

2） 孔隙水壓力對(duì)比結(jié)果證明，含砂層對(duì)軟土地基的排水效率具有促進(jìn)作用。

3） 隨著砂層埋深的增加，軟土地基的分層沉降及側(cè)向位移越大。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]WANG J，MA J，LIU F，et al.Experimental study on the improvement of marine clay slurry by electroosmosis-vacuum preloading[J].Geotextiles and Geomembranes，2016，44（4）：615-622.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.巖土工程勘察規(guī)范：GB 50021—2001[S]北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]董志凌，曲月華，戴約林.吹填軟弱土夾層的真空預(yù)壓加固方法探討[J].水道港口，2015，36（4）：350-354.

[4]BIOT M A.General theory of three dimensional consolidation[J].General Theory of Three Dimensional Consolidation，1941，12：155-164.

[5]INDRARATNA B，REDANA I W.Plane-strain Modeling of Smear Effects Associated with Vertical Drains[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123（5）：474-478

[6]CHAI J，CARTER J P，LIU M D.Vacuum Consolidation and Deformation Analyses-Case Studies in Japan，Proceedings of the International Conference on Ground Improvement amp; Ground Control，October 30-November 2，2012［C］.Singapore：Research Publishing，2013.

[7]TANG M，SHANG J Q.Vacuum preloading consolidation of Yaoqiang Airport runway[J].Géotechnique，2000，50（6）：613-623.

[8]張功新，莫海鴻，董志良，等.真空預(yù)壓中真空度與孔隙水壓力的關(guān)系分析[J].巖土力學(xué)，2005（12）：1949-1952.

編輯：楊 洋