堆載速率對(duì)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基沉降變形影響分析

陳志浩，王小澤

（濱州市水利資源開發(fā)建設(shè)中心 256600）

引言

軟土在我國(guó)東南沿海地區(qū)分部廣泛，因其承載能力較差，需要對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理方能進(jìn)行建筑施工。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法以其施工簡(jiǎn)單、工期短、加固效果良好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法施工通過大型機(jī)械在軟土路基中打設(shè)豎向排水井，隨后通過在軟土路基上一定方式的加荷，逐步排出軟弱黏土層中的孔隙水，最終軟土路基得到了固結(jié)壓縮，路基強(qiáng)度得到了大幅度提高、減少了工后沉降及不均勻沉降。婁炎、尹敬澤[3]提出了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟基時(shí)候需要考慮分級(jí)加載及控制加荷速率問題；沙玲[4]和問建學(xué)[5]分別采用了ABAQUS和FLAC3D軟件建立了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓模型，將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到較理想的效果。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土路基能有效地解決工后沉降過大、路堤施工穩(wěn)定性及工期過長(zhǎng)的問題。然而，在實(shí)際工程施工過程中，部分施工企業(yè)并未真正掌握該方法的本質(zhì)，盲目加快堆載的速度，不控制加荷速率，導(dǎo)致出現(xiàn)一些路堤滑坡、塌方等事故。因此，本文采用了ABAQUS有限元軟件，對(duì)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過改變加荷的方式，研究真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基的沉降變形規(guī)律，為實(shí)際工程提供施工指導(dǎo)。

1 工程背景及模型建立

1.1 工程背景

本文以實(shí)際真空聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)段為工程背景，該試驗(yàn)段位于珠海市西部某開發(fā)片區(qū)，試驗(yàn)段線路里程起止樁號(hào)為K0+330—K0+550之間，線路長(zhǎng)度220m、平均寬度50m，地面標(biāo)高2.4m。試驗(yàn)段加固面積約11 000m2。

圖1 路基平面布置圖

1.2 模型建立

目前，真空預(yù)壓數(shù)值分析一般都是基于平面應(yīng)變，由于真空堆載聯(lián)合預(yù)壓處理的地基都要打設(shè)砂井或者塑料排水板而形成砂井地基，用平面應(yīng)變簡(jiǎn)化時(shí)，一般是調(diào)整土體或者砂井的滲透系數(shù)，從而將三維砂井地基轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變砂墻地基，使得計(jì)算模型和實(shí)際的受力、滲流情況有較大的區(qū)別。而用三維計(jì)算模型就能更真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況[6]。

本文模型仿真采用三維固結(jié)有限元來計(jì)算。典型的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土路基工程如圖2所示，由于軟土路基工程過程中情況復(fù)雜多變，在進(jìn)行三維固結(jié)有限元計(jì)算時(shí)要作一些假設(shè)和簡(jiǎn)化處理。

圖2 典型真空聯(lián)合堆載預(yù)壓軟土路基工程示意圖

本次真空聯(lián)合堆載預(yù)壓仿真將塑料排水板處理后的軟基進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，不需要將塑料排水板簡(jiǎn)化為砂墻，只需要將打設(shè)的塑料排水版的間距和滲透系數(shù)進(jìn)行等效調(diào)整計(jì)算。在數(shù)值模擬仿真中，經(jīng)過簡(jiǎn)化處理塑料排水板地基，可直接作為均質(zhì)地基，只是在滲透系數(shù)賦值是為等效系數(shù)即可。本文所采用的塑料排水板地基轉(zhuǎn)化為均質(zhì)地基方法參考于《基于ABAQUS的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓軟基固結(jié)分析》[7]一文中介紹的塑料排水板地基轉(zhuǎn)化為均質(zhì)地基的方法，模型邊界條件的設(shè)定參照了此文中模型的設(shè)定，本文不再對(duì)此方法進(jìn)行驗(yàn)證。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基本次模型仿真取長(zhǎng)150m寬40m高40m的長(zhǎng)方體路基，其中加固區(qū)寬50m，兩側(cè)各50m的加固影響區(qū)，堆載高度為3.3m、放坡1:1.5，加固深度為25m，其中考慮豎向加固影響范圍，所在模型在豎向深度方向的取值為40m，如圖3所示。模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖3 模型示意圖

表1 土體在數(shù)值仿真中的參數(shù)

隨后通過參數(shù)設(shè)置及ABAQUS交互功能，實(shí)現(xiàn)了不同堆載速率下的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基一般承受應(yīng)力范圍在每級(jí)40—50kPa為宜，既每級(jí)加載在1.5—1.8m左右最為適宜。本次模型計(jì)算通過ABAQUS中相互作用設(shè)置功能實(shí)現(xiàn)了3.3m高堆載土3種堆載速率，即一次性堆載3.3m高堆載土、分兩次堆載3.3m高堆載土和分3次堆載3.3m高堆載土，其中分兩次與分三次堆載中為均分3.3m。綜上，本次模型仿真共計(jì)算3個(gè)不同參數(shù)下的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基。

2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基沉降變形計(jì)算結(jié)果分析

2.1 路基中心沉降變形分析

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土路基沉降變形最大沉降量發(fā)生在路基中心處，路基中心點(diǎn)的沉降是土體加固程度、加固效果的主要反應(yīng)位置之一，路基地表中心點(diǎn)的沉降歷程是土體加固效果的重要依據(jù)，最終沉降云圖如圖4所示。

根據(jù)圖4所示，在模型計(jì)算完成后在ABAQUS的后處理器中查詢計(jì)算結(jié)果，得到表2路基地表中心點(diǎn)最終沉降量。

圖4 路基最終沉降示意圖

從表2中可以得看出，當(dāng)堆載速率不同時(shí)，將堆載土分3次堆載時(shí)沉降量最大，達(dá)到2.511m；沉降量最小為一次性堆載3.3m高度下的路基，沉降量為2.201m。沉降量差值為0.31m，最大沉降量為最小沉降量1.141倍。

表2 路基地表中心點(diǎn)最終沉降量

2.2 路基加固區(qū)外變形計(jì)算結(jié)果分析

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土路基沉降變形主要是發(fā)生在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固區(qū)內(nèi)，即豎向排水體插打范圍內(nèi)。由于施工環(huán)境的復(fù)雜性，真空堆載預(yù)壓沉降變形會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成一定的影響，產(chǎn)生一定的水平位移，不同的加荷方式及大小，帶來的影響不同。根據(jù)圖4所示的水平位移云圖，選取加固區(qū)外1m地表水平位移為研究點(diǎn)，繪制了水平位移-時(shí)間曲線。

從圖5可以看出，隨著堆載土的施加，由于堆載土自身重力的原因，產(chǎn)生了背離路基中心的位移，抵消了部分“包裹效應(yīng)”，尤其是1次性堆載3.3m的情況下，產(chǎn)生背向路基中心的位移較明顯；分2次堆載、3次堆載的情況下，每次堆載產(chǎn)生一定的負(fù)位移，接著進(jìn)行堆載穩(wěn)定階段時(shí)，位移有一定的恢復(fù)現(xiàn)象，隨著堆載的施加真空階段產(chǎn)生的位移基本被抵消，分3次堆載對(duì)于加固區(qū)外的影響是最小的，最后趨于初始狀態(tài)，說明分級(jí)加載對(duì)軟土路基加固最有利。

圖5 加固區(qū)外1m處水平位移-時(shí)間曲線

綜上，當(dāng)堆載速率不同時(shí)，對(duì)加固區(qū)外的變形趨勢(shì)造成了一定的影響，但最終結(jié)果相差不大。

3 結(jié)論

本文以實(shí)際工程為背景，研究了不同堆載速率對(duì)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基沉降變形的影響。根據(jù)實(shí)際工程條件，采用ABAQUS軟件建立了真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土路基模型，考慮了一次性堆載3.3m、分2次堆載3.3m、分3次堆載3.3m的3種堆載速率對(duì)路基沉降變形的影響?；谟?jì)算結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）真空聯(lián)合堆載預(yù)壓豎向沉降最大處發(fā)生在路基中心處，一次性堆載3.3m下的路基豎向沉降變形最小，分3次堆載3.3m下的路基豎向變形最大，處理效果最好。

（2）真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基堆載速率不同，路基加固區(qū)外1m處水平位位移不同，分3次加載時(shí)加固區(qū)外1m處水平位移最小。

因此，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土路基，分級(jí)加載的軟土路基豎向沉降變形最大，效果最好，安全性較高，對(duì)軟土路基處理最有利，為實(shí)際工程提供施工指導(dǎo)?！?/p>