真空預(yù)壓軟土地基加固效果影響因素?cái)?shù)值模擬研究

摘要 為了研究真空預(yù)壓軟土地基加固效果的影響因素，文章以溫州市某軟土地基處理項(xiàng)目為依托工程，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究思路展開(kāi)研究。首先，根據(jù)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合ABAQUS對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行了模擬，以驗(yàn)證ABAQUS預(yù)測(cè)沉降、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)的可行性和準(zhǔn)確性；然后，分別模擬不同真空荷載、塑料排水板打設(shè)深度、排水板打設(shè)間距、排水板布置方式等不同工況，并對(duì)其模擬結(jié)果進(jìn)行分析；最后，確定了不同工況下的具體影響效果，以選定合理的優(yōu)化方式，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)施工提供客觀可靠的理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞 真空預(yù)壓；軟基處理；加固效果；影響因素；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào) TU744 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）02-0004-03

0 引言

我國(guó)沿海地區(qū)軟土分布廣泛，為滿足工程建設(shè)需求，需要對(duì)其進(jìn)行處理。軟土工程力學(xué)性能極差，若在建造施工前不進(jìn)行處理或處理不當(dāng)，會(huì)使其上的構(gòu)造物產(chǎn)生較大的沉降變形，嚴(yán)重影響其上工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性。因此，需要對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理[1-2]。

傳統(tǒng)的地基處理方法如樁體復(fù)合地基法和堆載預(yù)壓法，存在明顯的工期長(zhǎng)、造價(jià)高、施工難度大、便利性差等缺點(diǎn)。現(xiàn)有工程案例證明，真空預(yù)壓法[3-5]對(duì)軟土地基的加固效果良好，且具有很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。當(dāng)前，許多學(xué)者已對(duì)真空預(yù)壓法對(duì)軟體地基加固效果的影響因素進(jìn)行了許多研究，孫佳銳[6]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件在不同真空負(fù)壓強(qiáng)度條件下，對(duì)土體豎向位移和水平位移的影響進(jìn)行模擬，結(jié)果表明真空負(fù)壓的增大可使土體沉降和水平位移增大，改善土體加固效果；Harvey[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)打設(shè)的砂井周?chē)馏w最先固結(jié)，加固效果受打設(shè)深度的影響較大；吳春勇[8]分析了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，認(rèn)為真空預(yù)壓加固效果受排水板打設(shè)深度的影響較大，且成正比關(guān)系；張澤鵬等[9]對(duì)比了砂井和排水板的加固效果，得到了排水板加固效果優(yōu)于砂井的結(jié)論；婁炎[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真空預(yù)壓加固效果受豎向排水板的影響很大，且排水板通水量也能影響加固效果。

綜上，該文依托溫州市某軟土地基處理項(xiàng)目，采用真空預(yù)壓法對(duì)該區(qū)域內(nèi)的軟土進(jìn)行擊鼓處理，根據(jù)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別模擬不同真空荷載、塑料排水板打設(shè)深度、排水板打設(shè)距離、排水板布置方式的工況，并對(duì)其模擬得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定不同工況下的具體影響效果，以選定合理的優(yōu)化方式，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，為后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)施工提供客觀可靠的理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

依托工程區(qū)原地形地貌為灘涂淺海區(qū)，后經(jīng)圍海吹填造陸而成。地形基本平坦開(kāi)闊，開(kāi)工前場(chǎng)地現(xiàn)狀主要為荒地，標(biāo)高相對(duì)較低。近些年受周邊工程活動(dòng)影響，局部作為河泥、泥漿及建筑廢土的消納場(chǎng)地，部分地段有大面積積水，水深一般在1 m左右，大部分已長(zhǎng)滿荒草。根據(jù)勘察范圍內(nèi)揭露的地質(zhì)資料，工程區(qū)大范圍分布軟土層，土體的物理力學(xué)性質(zhì)極差，需要進(jìn)行地基處理。

2 真空預(yù)壓數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

2.1.1 擬定ABAQUS模型

該文選用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行真空預(yù)壓數(shù)值的模擬，根據(jù)加固區(qū)域的對(duì)稱性，選取加固區(qū)域長(zhǎng)度的一半進(jìn)行建模分析，模型內(nèi)加固區(qū)域長(zhǎng)度為86 m，影響區(qū)域長(zhǎng)度在加固區(qū)邊界向外延伸172 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告和設(shè)計(jì)方案可知，主要加固區(qū)底層深度約為19 m，因此將排水板長(zhǎng)度設(shè)置為20 m，豎向計(jì)算深度取40 m進(jìn)行分析。將其打設(shè)間距設(shè)置為1 m，其布置方式選擇正方形布置。由于排水板對(duì)土體擾動(dòng)較小，故不考慮涂抹作用。加固深度內(nèi)的土質(zhì)主要為吹填土、黏土和淤泥質(zhì)土，具有黏彈塑性，因此選用線彈性模型和塑性摩爾庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬。

2.1.2 塑料排水板簡(jiǎn)化

地基沉降實(shí)際上是個(gè)三維問(wèn)題，但在ABAQUS模型中將它簡(jiǎn)化為二維的平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析，主要將排水板加固的軟土地基進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后轉(zhuǎn)變?yōu)樯熬鼗?。該文將等效后的砂井地基按等量排水原則，通過(guò)運(yùn)用趙維炳等推導(dǎo)的砂墻地基與砂井地基的等效轉(zhuǎn)化公式，將排水板處理的地基等效轉(zhuǎn)變?yōu)樯皦Φ鼗８鶕?jù)相關(guān)計(jì)算公式和塑料排水板的實(shí)際物理參數(shù)，可計(jì)算得到相關(guān)變量的數(shù)值。

2.2 模型可靠性驗(yàn)證

在建立真空預(yù)壓模型后，即可新建作業(yè)運(yùn)行模型。運(yùn)行完成后，可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出繪圖。該文模擬主要輸出土體的豎向沉降數(shù)據(jù)，并繪圖比較ABAQUS有限元軟件模擬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相似度，以判定真空預(yù)壓模型的可靠性。通過(guò)ABAQUS有限元軟件數(shù)值模擬真空預(yù)壓計(jì)算后，輸出的真空預(yù)壓期間土體的豎向位移變形云圖如圖1所示。

由圖1可知，該場(chǎng)區(qū)內(nèi)真空預(yù)壓主要加固的土層為厚度較大的淤泥土層，土體的沉降量越靠近加固區(qū)中心，其沉降數(shù)值越大，這與場(chǎng)區(qū)內(nèi)沉降標(biāo)測(cè)得的實(shí)際沉降結(jié)果相符合。不同深度的土體的豎向沉降量隨著土層深度的增加而減小，在施工時(shí)為了減少外界水源，對(duì)加固區(qū)內(nèi)進(jìn)行了水補(bǔ)充，并在加固區(qū)外圍打設(shè)了黏土密封墻，因此加固區(qū)外的影響區(qū)范圍內(nèi)的土體豎向位移相對(duì)較小。

通過(guò)提取數(shù)據(jù)，可得到加固區(qū)內(nèi)土體的豎向沉降量和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)吻合度較高，沉降速率也較吻合，且沉降速率較大。當(dāng)開(kāi)始進(jìn)行恒定真空加載并設(shè)置覆水荷載后，模擬得到的沉降值逐漸大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，兩者沉降趨勢(shì)基本吻合。隨加載時(shí)間增加，兩者沉降差值逐漸增大，截至卸載前模擬得到的沉降值為1 126 mm、實(shí)測(cè)沉降值為1 038.64 mm，兩者差值為88.64 mm，誤差率為8%，可見(jiàn)模擬得到的數(shù)據(jù)可靠性較高，模擬效果較好。后續(xù)的參數(shù)優(yōu)化，可以選擇使用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行工況模擬，具有較高的可靠性。

通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可確定數(shù)值模型的材料參數(shù)?；谕馏w沉降的擬合情況，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，最后綜合確定地層的等效力學(xué)參數(shù)。

經(jīng)過(guò)實(shí)際分析可知，由于采用的計(jì)算模型、計(jì)算參數(shù)與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況存在一定差距，所以模擬結(jié)果不能完全符合實(shí)測(cè)結(jié)果，但整體曲線變化規(guī)律、沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較為吻合。通過(guò)沉降量確定不同土層的物理力學(xué)參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)一步擬合在不同加固條件下土體的加固效果影響分析具有可行性。

3 真空預(yù)壓加固效果影響因素分析

通過(guò)對(duì)模擬得到的沉降數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在一定精度上驗(yàn)證了ABAQUS有限元軟件模擬真空預(yù)壓的可靠性。為了更具體地研究相關(guān)加固因素對(duì)真空預(yù)壓加固效果的影響，該文將真空預(yù)壓荷載大小、塑料排水板打設(shè)深度、塑料排水板布置方式和塑料排水板打設(shè)間距確定為對(duì)加固效果影響較大的相關(guān)因素。通過(guò)設(shè)置不同參數(shù)并控制單一變量，對(duì)加固效果的影響因素進(jìn)行分析。

3.1 真空荷載對(duì)真空預(yù)壓效果的影響

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)加固過(guò)程中，真空預(yù)壓荷載為85 kPa。為了研究不同真空荷載對(duì)加固效果的具體影響程度，該文擬將真空預(yù)壓模型中的荷載分別設(shè)定為80 kPa、85 kPa、90 kPa，加固模型中的其他參數(shù)保持不變，具體參數(shù)如表1所示：

不同荷載下的沉降—時(shí)程曲線如圖2所示：

由圖2可知，在不同真空荷載作用下，土體的沉降趨勢(shì)保持一致，且沉降速率都在減小，但由于真空荷載大小的不同，導(dǎo)致土體的沉降速率和卸載前的沉降量存在一定差距。在真空預(yù)壓初期30 d內(nèi)，不同荷載條件下的土體沉降速率相差不大，85 kPa和90 kPa產(chǎn)生的豎向沉降量比較接近，且均比同一時(shí)刻下80 kPa數(shù)值大。在真空預(yù)壓加固30 d后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，80 kPa與85 kPa、90 kPa在沉降量上逐漸產(chǎn)生較大的差值且沉降速率相對(duì)較慢。截至真空預(yù)壓卸載前，三者的沉降量分別為976 mm、1126 mm和1184 mm，雖然荷載差值均為5 kPa，但85 kPa的沉降影響效果優(yōu)于90 kPa?？紤]場(chǎng)區(qū)加固面積較大，需要的真空射流泵數(shù)量較多，且使用的真空預(yù)壓荷載越大，所需真空射流泵的功率越高，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)的電力成本增加，全過(guò)程加固該場(chǎng)地則會(huì)增加大量的電力消耗，經(jīng)計(jì)算得到的電力成本表如表2所示：

由表3可知，雖然85 kPa真空荷載達(dá)到規(guī)范卸載要求的時(shí)間要比90 kPa多10 d，但其可節(jié)約電力成本1.6萬(wàn)元；而90 kPa相對(duì)于85 kPa而言，荷載的穩(wěn)定施加較為困難，不僅增加了射流泵臺(tái)數(shù)或加大了功率，而且增加了工藝難度，提高了人力和物力成本。因此，從工程經(jīng)濟(jì)和可行性角度來(lái)講，使用90 kPa真空荷載對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行加固并不可取。

綜上，將真空荷載設(shè)置為85 kPa，在滿足土體平均固結(jié)度要求的同時(shí)還可以減少一定量的電力消耗，加固效果較好，現(xiàn)場(chǎng)加固方案所設(shè)定真空荷載合理。

4 結(jié)論

該文根據(jù)等量排水原則將排水板地基簡(jiǎn)化為砂墻地基，進(jìn)行了真空預(yù)壓模型的建立。通過(guò)對(duì)比模擬得到的沉降數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了有限元模擬真空預(yù)壓的可靠性。

對(duì)不同工況下的真空預(yù)壓法處理軟土地基的加固效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：真空荷載數(shù)值、排水板布置方式、打設(shè)間距和打設(shè)深度均為加固效果的重要影響因素。該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地條件下排水板的打設(shè)深度設(shè)置為20 m、真空荷載設(shè)置為85 kPa合理，布置方式考慮設(shè)置為正三角形，打設(shè)間距考慮設(shè)置為1.2 m，在工期不變的條件下具有更好的性價(jià)比。

真空荷載對(duì)沉降量影響顯著，在固結(jié)度為80%時(shí)，85 kPa真空荷載可節(jié)省更多電力成本，且易施加并維持荷載的穩(wěn)定。排水板布置方式有正三角形、正方形和正六邊形，正三角形布置使土體產(chǎn)生較大沉降，可在滿足固結(jié)度的同時(shí)，縮短工期20 d，工程造價(jià)低。排水板鋪設(shè)間距與沉降量存在線性關(guān)系，1.2 m間距能夠滿足固結(jié)度要求并節(jié)約排水板數(shù)量，降低工程造價(jià)。排水板打設(shè)深度對(duì)土體沉降影響較大，打設(shè)18 m不滿足固結(jié)度要求，而打設(shè)22 m浪費(fèi)材料，經(jīng)濟(jì)效益較差，所以打設(shè)20 m為最優(yōu)方案。

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