軟基真空預(yù)壓加固的注氣增效機(jī)制與數(shù)值分析

屠紅珍，徐衍徽，謝立全

（1.溫州市港航管理局，浙江 溫州 325088；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

1 引言

20 世紀(jì)80年代至今，真空預(yù)壓軟土加固技術(shù)在我國已有很大的發(fā)展，在中小型土質(zhì)堤壩和港口、高速公路軟土地基的加固處理上頗具優(yōu)勢；其中由于吹填軟土強(qiáng)度低，地基承載力基本為0，常規(guī)地基處理方法通常很難實(shí)施，真空預(yù)壓法往往被作為這類地基加固的首選方案[1]。但軟基的真空預(yù)壓處理仍然存在預(yù)壓時間長、真空度沿深度衰減嚴(yán)重等相關(guān)問題，如何改進(jìn)真空預(yù)壓法，提高加固效率成為現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。前人已在真空預(yù)壓加固軟土地基的施工工藝和設(shè)計方法等方面做了不少工作。如武亞軍等人[2]提出慢速加載方式比瞬時加載方式更有利于土體的加固，建議在實(shí)際工程中采用分級加載方式施加真空荷載。單一的真空預(yù)壓法也逐步發(fā)展到真空聯(lián)合堆載[3]、真空聯(lián)合電滲[4]、真空聯(lián)合碎石樁加固軟土地基[5]等一系列各種工法。

2 真空聯(lián)合注氣技術(shù)

真空聯(lián)合注氣技術(shù)即在真空預(yù)壓過程中向深層土體注入壓力氣體，增強(qiáng)驅(qū)水壓力梯度，提高降水速率，擴(kuò)展真空降水技術(shù)的適用范圍[6]。早在20 世紀(jì)80年代，環(huán)境工程中就已采用氣壓劈裂技術(shù)在巖土體中形成裂隙，增加流體的流動通道，提高低滲透性土體的滲透性能[7]。油田的注氣開發(fā)技術(shù)也已有一百年的發(fā)展歷史。注氣開發(fā)是國內(nèi)外低滲透油藏開發(fā)最為有效的開采方法之一。我國的江漢油田于1999年開始注N2先導(dǎo)試驗取得一定效果，平均單井日產(chǎn)油從4 t/d 上升到6 t/d，含水從84%下降到71%.

在地基處理領(lǐng)域，注氣技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用起步較晚，近些年才有一些相關(guān)研究。Hen 等[8]報道了深層攪拌樁施工時樁周土中會產(chǎn)生較大的超靜孔隙水壓力，在土體中形成裂隙，超過50%的超靜孔壓通過裂隙迅速消散。朱平等[9]進(jìn)行了可控通氣真空預(yù)壓室內(nèi)試驗，證明了可控通氣真空預(yù)壓可以加速排水并更利于孔壓消散，且加固后期的沉降明顯大于常規(guī)真空預(yù)壓。章定文等[10]、劉松玉等[11]開展了氣壓劈裂室內(nèi)模型試驗和理論分析及氣壓劈裂真空預(yù)壓法加固軟基的現(xiàn)場工程應(yīng)用，論證了氣壓劈裂產(chǎn)生的裂隙能提供排水導(dǎo)氣（水）通道，加大土體的固結(jié)速率，并初步建立了土體氣壓劈裂準(zhǔn)則；現(xiàn)場試驗表明氣壓劈裂真空預(yù)壓法可提高真空荷載向深層土體的傳遞效率，提高深部軟土的加固效果；同時還可以加速地基固結(jié)，縮短地基處理工期。黃峰等[12]進(jìn)行了真空-注氣降水一維模型試驗，提出注氣口距離降水井不能太近，防止注入氣體占據(jù)滲流路徑。謝立全等[6]通過對不同注氣壓力工況的滲流計算分析，證實(shí)了壓力氣體作用下注氣可顯著提高真空降水效果，降水區(qū)域的滲流水力梯度大幅增加，且真空抽氣附近的非飽和土范圍明顯縮減，利于周圍水體快速轉(zhuǎn)移。而對于注氣位置及壓力大小對軟基真空預(yù)壓加固效果的影響，目前仍未見到這方面的相關(guān)報道。為此，本文采用數(shù)值模擬手段對不同注氣位置及注氣壓力下吹填土預(yù)壓排水速率、孔隙水運(yùn)動機(jī)制等進(jìn)行了初步研究。

3 計算模型

本文計算模型為軟土地基的無砂墊層真空預(yù)壓加固，并聯(lián)合注氣進(jìn)行加固增效。數(shù)值分析采用商業(yè)軟件ABAQUS 進(jìn)行計算分析，計算工況如表1，工況1～工況6.6，分別對應(yīng)不同注氣位置和注氣壓力。為真實(shí)模擬吹填土特性及研究注氣位置的影響機(jī)制，加固區(qū)土體采用文獻(xiàn)[10]中工程土體參數(shù)，只設(shè)置單層土層，考慮土體彈塑性及大變形。根據(jù)平面應(yīng)變等效原則，先將排水板轉(zhuǎn)換為沙井，再將軸對稱沙井地基轉(zhuǎn)化為二維沙墻地基進(jìn)行計算，圖1為計算模型示意圖。由于本文模擬的排水板長度不大于20 m，因此，可忽略井阻作用。土體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，轉(zhuǎn)化后土體各參數(shù)見表2。塑料排水板本構(gòu)模型采用線彈性模型，間距d=1.0 m，插板深度5.0 m，彈性模量E=3 000 kPa，等效直徑dw=60 mm，泊松比μ=0.25，滲透系數(shù)k=6.49×10-6m/s。

表1 各工況注氣參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters of air injection for different cases

每種工況設(shè)5個監(jiān)測點(diǎn)，分別為測點(diǎn)1（0.25，6.00），測點(diǎn)2（0.25，5.50），測點(diǎn)3（0.25，5.00），測點(diǎn)4（0.25，4.50），測點(diǎn)5（0.25，4.00），見圖1。

圖1 計算簡化模型與測點(diǎn)位置（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of model and location of measuring points(unit:m)

表2 加固區(qū)土體參數(shù)Table 2 Parameters of soil in reinforced area

設(shè)定模型土體底部為固定邊界，表面為自由變形，側(cè)邊界僅允許豎向位移。網(wǎng)格采用平面應(yīng)變孔壓單元類型（CPE8RP），8 結(jié)點(diǎn)二次縮減積分四邊形網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化漸變網(wǎng)格劃分，共19 620個單元。為保證排水板底部始終位于水面下，設(shè)初始水面與地面齊平，無砂墊層真空預(yù)壓的負(fù)孔壓邊界條件為-30 kPa，僅作用在沙井表面。注氣壓力大于注氣點(diǎn)靜水壓力。由于氣體黏度很小，注氣一段時間后，會使土體產(chǎn)生裂縫，長時間注氣容易造成氣竄，因此采用間歇性注氣，注氣階段每天僅注氣2 h。注入氣體過程中，土中流體（水或者氣體）壓力會大幅上升，以增大軟基排水的效率。當(dāng)停止氣體注入，注氣時所形成的土體裂隙會進(jìn)一步提高真空度向遠(yuǎn)處傳遞的速率。模型時間步見表3，第1 天施加地應(yīng)力分析荷載步。

表3 模型的時間步Table 3 Time steps in the model

4 結(jié)果與分析

4.1 表面沉降與抽水量的關(guān)系

以工況1為例進(jìn)行分析，采用傳統(tǒng)無砂墊層真空預(yù)壓法，無注氣。圖2為該工況在抽真空固結(jié)階段（除去線性加載段）的沉降量-總排水量關(guān)系曲線，總排水量的負(fù)號表示水量的排出，沉降量的負(fù)號表示豎直向下。從圖2 可以看出二者大致呈正相關(guān)關(guān)系，表明飽和土體孔隙幾乎全部被水填充，孔隙中的水被排出的過程，即土體產(chǎn)生壓縮的過程。由此可知，排出的水量越多，沉降量就越大。

4.2 注氣位置的影響

工況1為無注氣情況；工況2和工況3 的注氣點(diǎn)在沙井底部上端，與沙井底部橫向距離為0.5d（0.5 m），豎向距離分別為d（1 m）和0.5d（0.5 m）；工況4 的注氣點(diǎn)與沙井底部同高，水平間距0.5d；工況5和工況6.3 的注氣點(diǎn)在沙井下端，與沙井底部的豎向距離分別為0.5d 與1d（具體見圖1）。注氣壓力均為+70 kPa。經(jīng)過不同工況的數(shù)值模擬，可以獲得不同注氣位置作用下的各個測點(diǎn)的流速大小及x、y 方向的流速。表4為工況1～5 及工況6.3在第一次注氣2 h 后（第36 d）各測點(diǎn)的流速。

圖2 表面沉降與總排水量之間的關(guān)系（工況1）Fig.2 Relationship between ground settlement and total volume of extracted water

工況2～6.3 計算所得各測點(diǎn)的最大流速約為10-6量級，乘以2 h，可知注入的空氣在2 h 時間內(nèi)最大移動距離約為7.2×10-3m，未到達(dá)沙井，由此可近似認(rèn)為各測點(diǎn)的流速即為滲流流速，沙井表面計算所得的流體排出量全部為水，不包含注入的空氣。

圖3為工況1～5 及6.3 的沙井表面總排水量與排水速率。從圖中可以看出，無論注氣點(diǎn)位置在沙井底部的上或下，注氣時排水速率都有明顯增加；注氣結(jié)束時，排水速率逐漸減小至與未注氣情況相同?？偱潘吭谧舛斡忻黠@增幅?？芍?，在真空預(yù)壓時進(jìn)行注氣有利于提高排水速率、軟土固結(jié)。

根據(jù)表4 的數(shù)據(jù)和圖4 可知，注氣后，滲透比降最大值可達(dá)到未注氣情況的50 倍左右，驅(qū)動力極大。當(dāng)注氣點(diǎn)在沙井底部上端時，注氣對上方水流起促進(jìn)作用，對排水板底部附近的水流造成一定阻礙，對上方及下方較遠(yuǎn)處的水流影響不大；注氣點(diǎn)在沙井底部附近時，同樣對下方向上的水流造成阻礙；注氣點(diǎn)在沙井底部下端時，沙井附近的水流流速全部向上，偏向沙井，對抽水起有利作用；比較工況5和工況6.3 可知，當(dāng)注氣點(diǎn)距離排水板較遠(yuǎn)時，促進(jìn)作用會相對減弱。因此可知，設(shè)置注氣點(diǎn)在沙井下方，距離沙井底部0.5 d～1 d 的范圍內(nèi)比較合適。

4.3 注氣壓力

從圖5 可以看出，工況6.1～6.6為同一注氣點(diǎn)，注氣點(diǎn)位置在沙井底部下方，改變注氣壓力大小，從50 kPa 變化至100 kPa，在不沖破上方土層的情況下，注氣壓力越大，沙井的排水量越大，排水速率越快。

圖3 不同注氣位置工況的沙井表面總排水量與排水速率Fig.3 Relationships between drainage volume and drainage rate for different cases of injecting locations

表4 注氣2 h 后各工況不同測點(diǎn)的滲流速度計算值Table 4 Velocities for the measuring points after air injecting time of 2 h(m/s)

圖4 注氣2 h 后沙井底部附近的滲透比降分布圖Fig.4 Vector diagrams of seepage gradient around the bottom of sand well after injecting time of 2 h

圖5 不同注氣壓力工況的沙井表面總排水量與排水速率Fig.5 Relationship between drainage volume and drainage rate for different cases of injecting pressure

5 總結(jié)及建議

本文在無砂墊層真空降水法的基礎(chǔ)上，引入間歇性注氣技術(shù)，以改善傳統(tǒng)方法的工期問題。氣體具有易于流動的特性，又有體積膨脹、擴(kuò)散、降低界面張力的作用，且質(zhì)量輕，可以同真空負(fù)壓一樣作為排水的驅(qū)動力。而且，氣體還會使土體產(chǎn)生微裂縫，形成排水通道，加快排水。綜合分析數(shù)值模擬結(jié)果，可得如下結(jié)論：

（1）注氣可顯著提高滲流水力梯度場，加速土中水的定向轉(zhuǎn)移；

（2）由于氣體的輕質(zhì)特性，在排水板底部下方注氣優(yōu)于上方注氣，但距離不能太遠(yuǎn)，否則效果較微；

（3）在相同位置注氣，則注氣壓力越大，排水速率也越大；但應(yīng)注意氣竄問題，不能擊穿上部土體，解決方法可以是控制注氣大小、間歇性注氣等；

（4）控制注氣點(diǎn)與排水板的距離，防止注入的氣體連續(xù)進(jìn)入排水板，擠占排水通道。

該新型軟土地基排水加固技術(shù)，若結(jié)合系統(tǒng)的室內(nèi)試驗或現(xiàn)場驗證試驗，可望進(jìn)一步驗證其排水增效機(jī)制，并在率定其施工關(guān)鍵參數(shù)基礎(chǔ)上，為軟土加固工程技術(shù)的推廣應(yīng)用提供有力的理論支持。

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