基于ABAQUS的真空預(yù)壓插板深度的研究

張澤波，朱 平，左 軍

（1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計研究院有限公司，天津300452）

基于ABAQUS的真空預(yù)壓插板深度的研究

張澤波1，朱 平1，左 軍2

（1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津市北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計研究院有限公司，天津300452）

通過 ABAQUS大型有限元軟件模擬了實際工程中的部分加固過程，驗證了此類工程數(shù)值模擬的可行性。ABAQUS有限元軟件計算的地基沉降規(guī)律和沉降值與實測結(jié)果非常接近，其中不一致部分為簡化計算引起的誤差。通過模擬不同插板深度的加固，對比了對應(yīng)深度的加固效果，分析了底層的固結(jié)沉降效果。得出真空預(yù)壓插板深度的變化會對工程加固效果產(chǎn)生影響，其中對底層土體影響較為顯著；排水板打設(shè)穿過目標(biāo)軟基底部一定深度可有效提高底層土體固結(jié)度，進(jìn)而提高軟基整體加固效果。

真空預(yù)壓；插板深度；ABAQUS；固結(jié)度

引 言

天津濱海新區(qū)發(fā)展速度逐年加快，隨著其快速發(fā)展，也出現(xiàn)了很多的現(xiàn)實問題，其中很重要的一個問題就是土地缺乏。為了緩解這一問題，此地區(qū)進(jìn)行了大面積的圍海造陸工程。天津濱海新區(qū)的圍海造陸工程所用吹填土來自港池航道的疏浚淤泥或淺海底部的泥沙，這些泥沙經(jīng)過水力作用吹填到指定區(qū)域形成陸域場地。由于這些泥沙的含水率很高，其范圍一般為 80 %～200 %之間［1］，因此其承載力極地，強(qiáng)度指標(biāo)很不理想。為了能快速有效地加固此類軟土地基，一般的加固方法是無法完成的，而真空預(yù)壓法對于此類地基的處理效果能達(dá)到設(shè)計要求。

真空預(yù)壓法是利用抽真空設(shè)備產(chǎn)生的真空負(fù)壓作為預(yù)壓荷載使土中水在壓差下排出從而使軟土地基得到加固的一種處理方法。真空預(yù)壓系統(tǒng)由3部分組成，包括：真空壓力系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)在整個真空預(yù)壓軟基處理工程中的變化會對處理效果產(chǎn)生顯著影響，值得學(xué)者和技術(shù)人員進(jìn)行深入研究。

近年來很多學(xué)者對于真空預(yù)壓法進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定成果。施建勇、雷國輝等［2］研究了軟土的壓縮特性，提出了在真空預(yù)壓處理過程中軟基沉降的計算方法；陳平山、莫海鴻［3］應(yīng)用等效原理，將塑料排水板等效成砂井地基，對真空預(yù)壓軟基處理中的固結(jié)度進(jìn)行了研究，提出了更有效的簡化方法；閆澍旺等［4，5］提出了真空預(yù)壓軟基加固中固結(jié)度的估算方法，并對真空預(yù)壓有效加固深度進(jìn)行了研究；Chai J.C.等［6］通過實驗與數(shù)值模擬的研究，建立了軟基處理中真空預(yù)壓法最優(yōu)插板深度的解析方程，此方程決定了軟基的最大整體固結(jié)度和相應(yīng)的沉降量；Rujikiatkamjion C.和Indraratna B.［7］經(jīng)過實驗論證和數(shù)值計算提出了真空預(yù)壓中軟基固結(jié)度的解析解，對土體的豎向固結(jié)和水平向固結(jié)都進(jìn)行了研究。以往對真空預(yù)壓法的研究都是針對其整體的固結(jié)度或沉降量進(jìn)行的研究，對單獨各層或軟基底層的固結(jié)沉降研究很少。本文先通過ABAQUS大型有限元軟件模擬了實際工程中的部分加固過程，驗證了此類工程數(shù)值模擬的可行性，然后模擬了不同插板深度的加固，對比了對應(yīng)深度的加固效果，著重分析了底層的固結(jié)沉降效果，得出了提高處理效果、增加數(shù)據(jù)可靠度的工程插板方式，可為類似軟基加固工程提供借鑒。

1 工程實例有限元分析與驗證

1.1 工程概況

天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)南部區(qū)域緯五路一期工程地基處理工程位于臨港中港池以北，地基處理總面積57.3萬m2，其中道路加固區(qū)面積約為49萬m2，共分為22個處理區(qū)，其中1～4區(qū)和6～22區(qū)的地基處理方式為真空預(yù)壓法。根據(jù)設(shè)計圖紙要求，1～4區(qū)在原泥面鋪設(shè)一層編織布，兩層竹笆和一層短纖土工布，吹填砂性土。吹填后場地應(yīng)整平，打設(shè)塑料排水板前后均應(yīng)測量砂墊層表面高程，以便推算打板期間沉降量，排水板打設(shè)底高程為-12.5 m。6～22區(qū)淺層真空預(yù)壓在原泥面鋪設(shè)一層編織布，一層短纖土工布，作為工作墊層；深層真空預(yù)壓在已鋪設(shè)完畢砂墊層的淺層預(yù)處理面打設(shè)排水板、鋪膜、吹砂等。本文選取3區(qū)作為研究對象，對3區(qū)用ABAQUS有限元軟件來模擬分析。

3區(qū)面積為90 m×234.5 m，水平排水系統(tǒng)的砂墊層為1 400mm厚的粉細(xì)砂，排水濾管布置于其中，豎向排水系統(tǒng)為正方形布置的塑料排水板，其間距為850mm。工程應(yīng)滿足設(shè)計提出的以下卸載要求：1）按實測沉降曲線推算的固結(jié)度大于85 %；2）連續(xù)5天實測地表平均沉降速率不大于3.0mm/d。有限元分析對應(yīng)的場地模型示意如圖1所示。

圖1 場地模型示意

3區(qū)為人工吹填土，加固區(qū)土層分布情況為：①淤泥質(zhì)土層，呈灰色，高壓縮性；②粉質(zhì)粘土，呈灰色，中間混有粉土斑；③淤泥質(zhì)粘土，呈褐灰色，壓縮性較高；④淤泥質(zhì)粘土，呈灰色，飽和，高壓縮性；⑤淤泥質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土疊加，呈灰色，飽和度較高，高壓縮性。在此軟基中埋入7個磁環(huán)，用來測量各土層沉降量。各土層的對應(yīng)的土性參數(shù)如表1所示。

表1 各層土性參數(shù)

1.2 固結(jié)理論分析

真空預(yù)壓處理軟土地基的過程實際上就是軟基在真空負(fù)壓荷載下的排水固結(jié)過程。而土體的固結(jié)沉降及其孔隙壓力消散的計算需要一定的固結(jié)理論的支撐。太沙基一維固結(jié)理論忽略了變形綜合條件對固結(jié)總壓力的影響，此理論是在固結(jié)變形只發(fā)生在豎直方向的假定下成立的，因此這個理論不符合真空預(yù)壓的真實固結(jié)過程。巴隆的軸對稱固結(jié)理論由于計算太過復(fù)雜，計算所用到的各種參數(shù)很難獲取，不容易推廣到實際工程中去應(yīng)用。比奧固結(jié)理論較真實的反映了土體固結(jié)變形與孔隙壓力的相互關(guān)系，同時考慮了垂直沉降和水平位移，其所用到的各種計算參數(shù)條件也較容易獲取，因此此理論在實際工程中比較實用［8］。根據(jù)真空預(yù)壓原理和平面應(yīng)變比奧固結(jié)理論，比奧固結(jié)微分方程如下：

1.3 排水板等效原理

現(xiàn)今工程所使用的塑料排水板與傳統(tǒng)的砂井相比，雖然其材料不同，但是在理論計算中其加固原理和理論方法是相同的，因此塑料排水板在模擬計算時可以等效為砂井。又由于在實際的真空預(yù)壓工程中軟土中的排水板布置密集，可以把排水板在縱向的布置形式看成是一個平面，將三維固結(jié)問題轉(zhuǎn)化為較為簡單的平面固結(jié)問題，這樣就大大簡化了網(wǎng)格，減小了計算量。將三維的排水板轉(zhuǎn)化為平面形式即二維排水砂墻，其滲透系數(shù)調(diào)整公式如下所示［9］：

其中：kxa、kza分別為軟土地基實測的水平和豎直滲透系數(shù)；kxp、kzp分別為有限元計算時所用滲透系數(shù)；Dx、Dz分別為滲透系數(shù)調(diào)整系數(shù)；μ為土的泊松比；n為砂井有效排水半徑和砂井半徑之比。

1.4 ABAQUS有限元模型

由于3區(qū)場地兩邊的非加固區(qū)地形相似，又處于同一處理區(qū)，因此土質(zhì)參數(shù)相近。3區(qū)場地按中心軸在橫向呈對稱狀，其橫向?qū)挾葹?0 m，因此按中心線取 45 m作為有限元模型區(qū)域的加固區(qū)。又由于真空預(yù)壓加固過程中對加固區(qū)以外較遠(yuǎn)處的沉降和水平位移影響較小，因此有限元模型的影響區(qū)只去45 m進(jìn)行計算，也就是從加固區(qū)邊緣向外延伸45 m。有限元計算模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 有限元計算模型網(wǎng)格劃分示意

由于加固區(qū)在鋪設(shè)砂墊層以后的地面高程為5 m，塑料排水板打設(shè)深度底部高程為-12.5 m，考慮到真空預(yù)壓可以影響到排水板底部以下的土體，再結(jié)合土質(zhì)條件，有限元模型的計算深度取30 m。邊界條件的選擇為：模型底部為雙向約束；兩個側(cè)邊界為水平約束；表面無約束，為自由變形面；影響區(qū)表面孔壓邊界條件為 0；加固區(qū)排水板單元中的孔壓為線性施加，頂部真空度為85 kPa，沿程損失為3 kPa/m。土體采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型。荷載步為：真空壓力為瞬時一次施加，恒載時間為工程記錄的實際的恒載時間。網(wǎng)格劃分采用的單元類型為8節(jié)點的平面應(yīng)變孔壓單元，四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于加固區(qū)需要重點分析，網(wǎng)格劃分較密，影響區(qū)網(wǎng)格較為稀疏。

1.5 結(jié)果分析

有限元模型計算結(jié)果中的地基沉降位移如圖3所示。

圖3 地基沉降位移

由圖3可以看出，加固區(qū)沉降規(guī)律為：加固區(qū)中心以及向外的一定的范圍內(nèi)軟基沉降量較大；加固區(qū)表層土體的沉降量較大，隨著深度的增加沉降量越來越?。徽婵疹A(yù)壓可以影響到塑料排水板一下一定深度范圍內(nèi)的土體，但是其沉降量很微小。真空預(yù)壓可以影響到加固區(qū)以外的土體，其水平方向有向加固區(qū)收縮的趨勢，在一定的范圍內(nèi)也會發(fā)生沉降。這些規(guī)律都與真空預(yù)壓理論相一致。

圖4為加固區(qū)中心土體的有限元模型計算沉降曲線和工程實測沉降曲線對比圖，此處的沉降值為真空加載下的地基沉降值，不包括插板期間的沉降。我們可以看出有限元計算的地基沉降規(guī)律和沉降值與實測值非常接近，其中不一致部分為簡化計算引起的誤差。有限元可很有效的模擬實際的真空預(yù)壓處理工程。

圖4 計算沉降曲線和工程實測沉降曲線對比

圖5 磁環(huán)沉降數(shù)值

圖5為實測加固中心區(qū)各土層所安裝磁環(huán)的沉降量數(shù)值圖，從圖中可以看出表層軟土的沉降量最大，底層的沉降量很小，其固結(jié)度較低。從前面有限元模型計算沉降曲線和工程實測沉降曲線對比圖可知數(shù)值計算值與實測值非常接近，因此我們可以用數(shù)值計算值來分析和預(yù)測實際的處理工程。實際工程的各土層的分層沉降量也可用數(shù)值計算值來模擬。

2 不同插板深度土體分層固結(jié)度分析

在第二節(jié)有限元模型分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，本節(jié)進(jìn)行了不同插板深度的模型分析。第二節(jié)所述軟基加固工程的實際加固深度的土底高程為-13 m，而其所打設(shè)塑料排水板底部高程為-12.5 m，這是因為真空預(yù)壓的影響深度可以達(dá)到排水板以下一定范圍內(nèi)。但是各土層的分層沉降量相差很大，底部土層的沉降很小，因此其固結(jié)度與土體的整體固結(jié)度相差很大。

在第二節(jié)有限元模型的基礎(chǔ)上，變換排水板深度建立三個模型A、B、C。對應(yīng)排水板底部高程分別為-12.5 m、-13.0 m、-13.5 m。也即A的排水板打設(shè)深度在所加固軟土底部以上0.5 m，B的排水板正好打到所處理軟土底部，C的排水板打穿所加固軟土層到其底部以下0.5 m。整理模型計算結(jié)果，根據(jù)A、B、C三個模型所得的各土層分層沉降量，然后計算A、B、C各土層的卸載時的固結(jié)度。其卸載時的固結(jié)度數(shù)值如圖6所示。

圖6 各土層固結(jié)度數(shù)值

由圖6可以看出隨著插板深度的增加上不和中部土層的固結(jié)度變化不明顯，而底部土層的固結(jié)度有明顯的增大。這是由于雖然真空預(yù)壓的影響深度可以達(dá)到排水板一下一定的范圍，但是由于所處理地基為淤泥質(zhì)粘土，其滲透系數(shù)很小，在排水板未到達(dá)的深度土中孔隙水無法有效的排出，致使其沉降很小，固結(jié)度較低。在實際工程中容易出現(xiàn)底層軟基未能達(dá)到整體處理要求，其強(qiáng)度指標(biāo)的提高不明顯。當(dāng)排水板打穿目標(biāo)軟基時，底層土中孔隙水能更有效的排出，固結(jié)度接近軟基整體的處理要求，處理效果更好。我們還可以推理得出，在達(dá)到同樣的處理效果的前提下，當(dāng)排水板打設(shè)深度穿透目標(biāo)軟基底部時，處理工期會縮短。

3 結(jié) 論

1）ABAQUS有限元軟件計算的地基沉降規(guī)律和沉降值與實測結(jié)果非常接近，其中不一致部分為簡化計算引起的誤差。有限元可很有效的模擬實際的真空預(yù)壓處理工程。也可對實際工程進(jìn)行預(yù)測。

2）真空預(yù)壓可以影響到加固區(qū)以外的土體，其水平方向有向加固區(qū)收縮的趨勢，在一定的范圍內(nèi)也會發(fā)生沉降。

3）真空預(yù)壓插板深度的變化會對工程加固效果產(chǎn)生影響，其中對底層土體影響較為顯著。排水板打設(shè)穿過目標(biāo)軟基底部一定深度可有效提高底層土體固結(jié)度，進(jìn)而提高軟基整體加固效果。

［1］董志良，張功新，周琦，等.天津濱海新區(qū)吹填造陸淺層超軟土加固技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（5）：1073-1080.

［2］施建勇，雷國輝，艾英缽，等.關(guān)于真空預(yù)壓沉降計算的研究［J］.巖石力學(xué)，2006，27（3）：365-368.

［3］陳平山，莫海鴻，等.真空預(yù)壓加固地基等效固結(jié)度簡化計算［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，36（1）：139-144.

［4］Chu J，Yan S W.Estimation of degree of consolidation for vacuum preloading projects［J］.Int Journal of Geomechanics，ASCE，2005，5（2）：158-165.

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［6］Chai J C，Carter J P，Hayashi S.Vacuum consolidation and its combination with embankment loading［J］.Canadian Geotechnical Journal，2006，43（5）：985-996.

［7］Rujikiatkamjorn C，Indraratna B.Analytical solutions and design curves for vacuum-assisted consolidation with both vertical and horizontal drainage［J］.Canadian Geotechnical Journal，2007，44：188-200.

［8］孫立強(qiáng).超軟吹填土地基真空預(yù)壓理論及模型試驗的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［9］趙維炳，陳永輝，龔友平.平面應(yīng)變有限元分析中砂井的處理方法［J］.水利學(xué)報，2004，（01）：16-20.

Research on Depth of Vacuum Preloading Plug-board Based on ABAQUS

Zhang Zebo1，Zhu Ping1，Zuo Jun2
（1.Institute of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2.Tianjin Beiyang Water Transport and Water Conservancy Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

Large-scale finite element software ABAQUS has been used to simulate partial reinforcing process of real projects，which proves the feasibility of numerical simulation.The settlement regularity and sedimentation value obtained by using ABAQUS finite element software basically accord with the measured results，and the inconformity of data comes from the deviation caused by simplified calculation.By simulating the reinforcement process based on different depths of plug-board，the reinforcement effects are compared each other，and the consolidation settlement effects of bottom layer are analyzed.The research results show that the depth variation of vacuum preloading plug-board affects the reinforcing result，especially the soil body at bottom.To drive drain board into soft base to a certain extent can effectively improve the consolidation degree of soil body at bottom，and enhance the integral reinforcing effect of soft base.

vacuum preloading； depth of plug-board； ABAQUS； degree of consolidation

TU472.3+3

1004-9592（2016）05-0097-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160524

2015-12-06

張澤波（1990-），男，碩士研究生，研究方向為軟土地基加固處理。