塑料排水板加固軟土地基中涂抹與井阻效應(yīng)的數(shù)值研究

于慶雯，童建國

(1.浙江天地環(huán)保工程有限公司，浙江 杭州 310009；2.浙江省電力設(shè)計院，浙江 杭州 310012)

1 概述

我國沿海地區(qū)廣泛分布著壓縮性高、強(qiáng)度低的深厚軟粘土?；痣姀S建設(shè)中的煤場工程、場地處理、海堤工程等，當(dāng)?shù)鼗嬖谏詈褴浫跸屡P層時，地基存在深層滑動穩(wěn)定和沉降量大等一系列問題，故要對深厚軟基進(jìn)行加固處理。由于塑料排水板具有強(qiáng)度高、排水效果好、施工便捷、較經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，目前常見的大面積軟土地基加固方法就是塑料排水板堆載預(yù)壓法。

塑料排水板堆載預(yù)壓加固方案的分級加載時間較長，在分級加載使用期內(nèi)，要求地基排水固結(jié)的排水通道必須是有效的，才能保證在設(shè)計預(yù)期時間內(nèi)達(dá)到設(shè)計荷載。在荷載作用下，土體變形較大，造成排水板變形；這就牽涉到塑料排水板排水性能的長期工作性能問題，將影響到分級加載的加載級數(shù)、加載時間長度、以及地基穩(wěn)定性問題。

本文考慮塑料排水板長期工作狀態(tài)下，由于施工引起的涂抹效應(yīng)和土體變形等引起的井阻效應(yīng)，通過數(shù)值模擬分析，研究涂抹效應(yīng)與井阻效應(yīng)對塑料排水板性能和加固軟土地基效果的影響。

2 涂抹效應(yīng)

涂抹效應(yīng)是指在塑料排水板的施工過程中，排水板套筒對于排水板周圍的土體會產(chǎn)生一定的擾動，對排水板周圍有一定的涂抹作用。涂抹效應(yīng)主要是通過涂抹區(qū)的范圍(即涂抹比s)和涂抹區(qū)的擾動程度(滲透比kh/ks)這兩個指標(biāo)來反應(yīng)的。

涂抹比s和滲透比kh/ks(kh是非擾動區(qū)土的滲透系數(shù)，ks是涂抹區(qū)土體的滲透系數(shù))是描述涂抹區(qū)性狀的兩個重要指標(biāo)，但這兩個參數(shù)難以直接測定，迄今為止尚未看到測定的結(jié)果。塑料排水板規(guī)程中確定涂抹因子中的涂抹比s和滲透比kh/ks，是借助于工程實踐經(jīng)驗和實測結(jié)果反算來求得。

Bergado (1990)和Onoue (1991)基于室內(nèi)試驗研究，認(rèn)為非擾動區(qū)的土的水平向透水性是涂抹區(qū)的相應(yīng)值的1.5～2倍，涂抹區(qū)內(nèi)的值幾乎是均一的。Bergado et al.(1993)，Hansbo(1986，1997)和 Madhav et al.(1993)，綜合原位試驗，室內(nèi)試驗以及模型試驗，認(rèn)為該值在3～10的范圍內(nèi)分布。

Miura(1993)指出，涂抹區(qū)的范圍與排水板施工機(jī)具動力的形式和導(dǎo)管大小形狀有關(guān)，涂抹比s的范圍約為1.5～4.0；如果施工過程中，導(dǎo)管較大，或者振動打入者，可取較大的值；導(dǎo)管較小，或者靜力壓入者，取較小的值。涂抹區(qū)擾動土的滲透性比值與地基土的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有關(guān)，對于高塑性(IP >30，IP為塑性指數(shù))均質(zhì)粘土，kh/ks=1.5～3.0；對于非均質(zhì)含粉質(zhì)粘土(IP <30)，kh/ks=3.0～5.0；對于非均質(zhì)并具有明顯的粉土或細(xì)砂微層理結(jié)構(gòu)的可塑性粘土，kh/ks=5.0～8.0。

Hansbo(1987)，Chai(1999)，Hird(2000)指出涂抹區(qū)對砂井的固結(jié)率有很重要的影響，涂抹區(qū)的直徑估計是2到3倍的套筒直徑。若沒有試驗段的數(shù)據(jù)，建議采用ds=3de。

3 井阻效應(yīng)

確定合理的井阻因子的關(guān)鍵取決于豎向排水體在地基原位條件下的實際通水能力。Koemer和Miura等人根據(jù)工程原位測試和反分析結(jié)果認(rèn)為：由室內(nèi)試驗測定的排水體產(chǎn)品通水能力，通過儲運(yùn)、施工中損傷和在地基原位條件下側(cè)壓力的作用使產(chǎn)品的芯帶及濾膜產(chǎn)生彈性及蠕變變形，物理、生物環(huán)境的變化，以及打入排水體壓縮彎折等的影響，會產(chǎn)生較明顯的衰減。因此，確定井阻因子時所用排水板通水能力不應(yīng)是試驗測定的產(chǎn)品通水能力值，而是原位條件下的實際通水能力，稱之為實際通水能力。

Miura等人(1993)通過四座堤壩的反分析，排水板在地基原位條件的通水能力為初始值的1/10～1/3。根據(jù)我國12個工程實例反算的結(jié)果，排水板實際通水量相對為初始值的折減系數(shù)Fs=2.7～12.9。因此建議采用概率分布比較集中的中值，即Fs=4～6，并按其打入的深度和質(zhì)量好壞分別取高值和低值。

4 算例分析

該算例場地陸域平地、海涂及潮下帶淺部地層主要由全新統(tǒng)海積軟土組成，中部地層主要為上更新統(tǒng)沖海積粘性土，下部地層為沖洪積、坡殘積粘性土混碎石，基巖為凝灰?guī)r。地基處理采用塑料排水板堆載預(yù)壓法處理，排水板正方形布置，間距1.25m。按三級荷載逐步施加，分別為3m、3m、2m；設(shè)計加載計劃曲線見圖1，堆載時間間隔見表1。

圖1 堆載計劃曲線

表1 前一級荷載施加完畢到后一級荷載開始的時間間隔

4.1 計算模型

數(shù)值模型建立過程中，考慮到場地的對稱性，取場地地基的一半建立模型；計算寬度取120m，計算深度根據(jù)地質(zhì)資料取45m，場地地基從上至下依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土10m、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土12m、粉質(zhì)粘土10m和粉質(zhì)粘土8m。地下水位按地表考慮。所建立的模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 計算模型和網(wǎng)格劃分示意圖

計算按平面應(yīng)變問題考慮，網(wǎng)格劃分采用十五結(jié)點三角形單元，地基左右兩邊在水平方向固定，底面在水平和豎直兩個方向均固定；地基在左邊和底面以及基礎(chǔ)部分不排水，其他邊界面可以自由排水。

4.2 計算參數(shù)

主要土層的物理力學(xué)性質(zhì)見表2。排水板參數(shù)取值具體為：排水板等效直徑dw=0.10m(排水板尺寸150mm × 4.5mm)，排水板的等效影響直徑de=1.41m(間距1.25m，正方形布置)，排水板縱向通水量Q=100cm3/s。

表2 主要土層的物理力學(xué)參數(shù)

4.3 計算結(jié)果

針對不同的涂抹比，考慮涂抹比s=1(不考慮涂抹效應(yīng))，2，5，10，分別計算了場地堆載中心地表點A的沉降隨著時間的變化曲線和堆載坡趾處的側(cè)向變形曲線，計算結(jié)果分別見圖3和圖4。可以看出，在不同的涂抹比情況下，在加載的720天時間內(nèi)某個時間點，滲透比s越小，相應(yīng)的沉降越大。在720天的加載時候后，沉降時間曲線區(qū)別并不明顯。圖4中可知，在不同的涂抹比情況下，固結(jié)1年時間的坡趾處最大側(cè)向變形均發(fā)生在7.4m深度，相應(yīng)的值分別為(cm)：38.6、45.9、48.8和52.3。以1.5年時的地表沉降來計算平均固結(jié)度，四種工況的計算結(jié)果分別為：91.5%、84.9%、82.6%和78.5%。

圖3 不同涂抹比的地表沉降隨時間變形曲線

圖4 固結(jié)1年時坡趾處不同深度的側(cè)向變形曲線

針對不同的涂抹區(qū)滲透比，考慮涂抹區(qū)滲透比分別取1(不考慮涂抹擾動)、2、5和10的情況，計算了場地堆載中心地表點A的沉降隨著時間的變化曲線和堆載坡趾處的側(cè)向變形曲線，結(jié)果分別見圖5、圖6。結(jié)果表明，滲透比越小，相對涂抹擾動的程度越小，則沉降發(fā)展越快。

圖5 不同滲透比的地表沉降隨時間變形曲線

在不同的滲透比情況下，固結(jié)1年時間的坡趾處最大側(cè)向變形均發(fā)生在7.4m深度，相應(yīng)的值分別為(cm)：38.6、40.5、48.8和55.5。以1.5年時的地表沉降來計算平均固結(jié)度，四種工況的計算結(jié)果分別為：91.5%、88.4%、82.6%和75.5%。

圖6 固結(jié)1年時坡趾處不同深度的側(cè)向變形曲線

針對不同的排水板縱向通水量，考慮縱向通水量為100cm3/s(不考慮涂抹擾動)，60cm3/s，10cm3/s分別計算了場地堆載中心地表點A的沉降隨著時間的變化曲線和堆載坡趾處的側(cè)向變形曲線，計算結(jié)果分別見圖7、圖8。由圖7可知，縱向通水量越小，相對縱向通水量折減的越多，則沉降發(fā)展越慢。

圖7 不同縱向通水量的地表沉降隨時間變形曲線

在不同的涂抹比情況下，固結(jié)1年時間的坡趾處最大側(cè)向變形均發(fā)生在7.4m深度，相應(yīng)的值分別為(cm)：48.8、49.8、50.3和54.7。以1.5年時的地表沉降來計算平均固結(jié)度，四種工況的計算結(jié)果分別為：82.6%、81.0%、80.5%和76.0%。

圖8 固結(jié)1年時坡趾處不同深度的側(cè)向變形曲線

5 結(jié)論

通過該算例的數(shù)值模擬分析，可以得出以下幾點規(guī)律性的結(jié)論：

(1) 涂抹和井阻作用對場地地基的固結(jié)和變形特性有相當(dāng)程度的影響，在實際工程中應(yīng)考慮涂抹和井阻的共同作用。

(2) 涂抹比s和滲透比kh/ks是描述涂抹區(qū)性狀的兩個重要指標(biāo)，但這兩個參數(shù)難以直接測定，迄今為止尚未看到測定的結(jié)果，目前只是依賴于工程實踐經(jīng)驗和實測結(jié)果反算求得。

(3) 豎向排水體在地基原位條件下的實際通水能力是討論井阻作用的關(guān)鍵參數(shù)。前面階段，通水量減少對地基變形和固結(jié)特性的影響不如涂抹作用明顯；但對于排水板的長期工作性能而言，通水量的變化是決定性因素，今后的研究可以針對縱向通水量隨著排水板工作時間內(nèi)的折減規(guī)律展開。

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