基于ABAQUS對某變電站軟基真空預壓處理優(yōu)化設計

吳 浩,盛學慶

(1.國網浙江省電力公司杭州供電公司,浙江 杭州 310019；2.杭州市電力設計院有限公司,浙江 杭州 310006)

基于ABAQUS對某變電站軟基真空預壓處理優(yōu)化設計

吳 浩1,盛學慶2

(1.國網浙江省電力公司杭州供電公司,浙江 杭州 310019；2.杭州市電力設計院有限公司,浙江 杭州 310006)

以溫州科技220 kV變電站軟土地基采用真空預壓處理為例,利用ABAQUS有限元軟件對處理過程進行模擬,獲得加固區(qū)及周邊一定影響區(qū)范圍內的沉降、水平位移及土體孔隙水壓力變化云圖。針對不同真空作用時間及膜下不同真空度情況的分析計算,對地基處理過程提出優(yōu)化設計。

變電站；軟土地基；真空預壓；優(yōu)化設計

真空預壓是一種有效加固軟土地基的方法,其主要施工過程為：在加固的軟土中打設砂井或塑料排水板,在地面鋪設砂墊層及排水通道,并在其上覆蓋不透水密封膜,通過真空設備抽真空,在地基中形成負壓,使軟黏土地基排水固結,從而達到提高地基承載力,減小工后沉降的目的[1-2]。

該方法具有施工工藝、機具和設備簡單以及造價經濟等優(yōu)點,在國內外均有廣泛的應用,并取得了良好的效果。如1958年,美國費城飛機跑道擴建工程,采用的是真空井點降水與排水砂井結合處理方法[3]；20世紀70年代,日本利用真空預壓法加固東北地區(qū)新干線上淤泥土地區(qū)；我國于20世紀80年代后期,在環(huán)渤海地區(qū)、長江三角洲及珠三角區(qū)域,采用該方法對高速公路、港口軟基進行處理,并取得良好效果[4]。

在利用真空預壓加固軟基過程中,膜下真空度及真空作用時間的控制為兩個關鍵的要素。本文針對溫州某220 kV變電站軟土地基采用真空預壓為例,利用ABAQUS軟件對其加固過程進行有限元分析[5],獲得了加固區(qū)及其周邊一定影響區(qū)土體的固結沉降、側向位移、孔隙水壓力消散特性；對比分析了不同的真空作用時間、膜下真空度對地基處理效果的影響,進而為優(yōu)化地基處理方式的設計,提供參考依據。

1 工程概況

場地位于溫州市經濟技術開發(fā)區(qū)緯十三路附近,為圍墾區(qū)。工程依據《國家電網220千伏變電站通用設計(2011年版)》220-A3-4方案,采用半戶內GIS布置。圍墻尺寸為85.5 m×80 m,圍墻內用地面積0.684 hm2,站址總占地面積約0.814 2 hm2,建筑面積4 487 m2,兩幢配電裝置樓為雙層鋼筋混凝土框架結構。各土層物理力學性質指標見表1。根據工程地質剖面圖資料,土層厚度見表2。

表1 地基土物理力學性能指標一覽表

表2 土層厚度分布

2 有限元分析過程

2.1 基本假定

在模型建立之前,對ABAQUS模擬排水板真空預壓法處理軟基作如下基本假定：

1) 土體完全飽和,橫向各向同性并且土顆粒和水都不可壓縮；

2) 孔隙水的流動符合達西定律；

3) 土體的滲透系數保持不變；

4) 不考慮打設排水板引起的土體的剛度變化；

5) 不考慮在初期預壓過程中地下水位的變化；

6) 砂井按照平均固結度等效的原則,簡化為砂墻地基；

7) 不考慮涂抹效應的影響；

8) 按實際的土層情況分為7層,土層之間的接觸面豎向位移完全耦合；

9) 膜下真空度穩(wěn)定值不低于80 kPa。

2.2 模型建立

根據場地形狀、加載的形式和分布特點,采取對稱分析,取加固區(qū)的一半進行研究,取模型左下角為坐標計算原點。整個待處理地基的計算寬度為120 m,其中0～40 m寬度范圍為加固區(qū),40～120 m寬度范圍是計算的影響區(qū)；塑料排水板為正三角形布置,間距1.1 m,打設深度28 m,排水板等效為寬66.5 mm的砂墻?？紤]砂墊層、地層分布情況以及真空預壓對豎向加固的影響范圍,計算深度取51.5 m,土層厚度分布按表2。建立排水板等效成砂墻的二維成層軟土地基計算模型[6],進行有限元分析。模型尺寸示意圖見圖1。

圖1 模型計算簡圖

2.3 初始邊界條件確定及有限元網格劃分

邊界條件的確定：根據對稱性,限制模型中土層的左、右邊界的水平位移,不限制豎向位移；土層底部邊界水平位移和豎向位移均為0；除土層表面外,其他邊界都為不排水邊界。

網格劃分：土體單元采用固體與液體耦合的平面應變孔壓單元類型CPE8RP(8節(jié)點二次減縮積分四邊形網格),結構化網格(Structured)劃分。加固區(qū)域網格劃分較密,影響區(qū)域劃分較稀疏。

2.4 荷載步的確定

第一階段低位預壓階段,加固區(qū)表面作用荷載,按照線性加載至10 kPa,加載時間為0.5 d,并維持10 kPa作用3.5 d；第二階段為真空預壓階段,加固區(qū)膜下真空度按照線性從0 kPa加至85 kPa,該過程作用3 d,然后維持不變,穩(wěn)定70 d,第二階段仍然維持10 kPa預壓荷載；第三階段為真空、低位預壓卸載階段,卸載時間為6 d。荷載變化曲線見圖2。

圖2 荷載變化曲線

3 模擬結果對比分析

3.1 地基沉降分析

從地基處理的關鍵時刻——低位預壓結束時刻、真空預壓結束時刻的豎向位移云圖(圖3)及提取的關鍵計算數據(表3)可知：在加固區(qū)的中心位置處沉降最大,且在維持真空預壓結束時刻(77 d)達到最大值。軟土地基沉降過程成“碗底”形狀,由于初期預壓對加固區(qū)邊緣外有擠土效應,因此加固區(qū)邊緣出現地基土的“隆起”形狀,且隨著離加固中心距離越遠,所受影響越小。計算的沉降曲線與實測值發(fā)展趨勢一致(圖4)。

圖3 真空預壓結束豎向位移計算云圖

表3 地表不同位置處沉降值

圖4 地表中心位置處的沉降曲線圖

3.2 側向位移結果分析

從計算數據(表4)及計算云圖(圖5)可知：在低位預壓期間,加固區(qū)土體向外側發(fā)生位移,位移值先增大后減小；隨著真空預壓的進行,加固區(qū)逐漸向內側發(fā)生位移,在加固區(qū)以外40～80m范圍內均受到一定的影響,因此在采用真空預壓法施工時應考慮對周邊環(huán)境的影響。

圖5 真空預壓結束側向位移計算云圖

表4 地表不同位置處側向位移值

3.3 孔隙水壓力結果分析

低位預壓初期,加固區(qū)地基土中水不能及時排除,產生超孔隙水壓力,隨著固結的進行,超孔隙水壓力消散,有效應力增加,產生沉降,期間孔壓分布云圖見圖6；真空預壓期間,土體中為負的超靜孔壓,隨著負孔壓增加,導致地表外與地表內的壓力差增大,引起地面沉降,期間孔壓分布云圖見圖7。真空預壓60 d后,打設排水板深度軟土層的超孔隙水壓力幾乎消散,從而達到加固地基的預期效果。

圖6 低位預壓期孔壓分布云圖

圖7 真空預壓期孔壓分布云圖

3.4 固結度曲線分析

由平均固結度曲線可知,在加固區(qū)的0～20 m范圍內,固結度隨時間增長較快,且差別不明顯,離加固中心區(qū)越遠,固結度增長速率越慢,真空預壓60 d后基本趨于穩(wěn)定。從另一方面也反映出低位高真空預壓對地基土加固效果及沉降發(fā)展速率的影響范圍。見圖8。

圖8 按沉降定義的平均固結度曲線

4 設計優(yōu)化

根據：1)膜下真空度不小于80 kPa;2)真空卸載前按照沉降定義的平均固結度不小于90%;3)連續(xù)5 d實測沉降速率不大于2.5 mm/d的原則,進一步對該方案做出優(yōu)化設計。

4.1 真空預壓加固時間優(yōu)化

膜下真空度85 kPa,考慮不同真空預壓加固時間對地基加固效果的影響。

表5 真空預壓期間不同位置處的固結度

從計算數據(表5)可以看出,當真空預壓作用時間為60 d,可以達到預期的加固效果；當作用時間為70 d,x=0 m,x=20 m,x=40m處的平均固結度達到93.42%,92.13%,81.15%；當作用時間為80 d,x=0 m,x=20 m,x=40 m處的平均固結度達到93.44%, 92.67%,83.10%,如再增加真空預壓時間,加固效果提高不明顯。因此從經濟性和地基處理效果考慮,選取真空加固時間60 d為最佳加固時間。

4.2 膜下真空度優(yōu)化

真空加固時間70 d,分別考慮膜下真空度80 kPa、85 kPa對固結度的影響。

表6 真空荷載80 kPa不同位置處的固結度

圖9 不同真空度平均固結度曲線

從計算數據(表6)和平均固結度對比曲線(圖9)可知,當維持真空預壓70 d,真空度為85 kPa較真空度80 kPa的平均固結度曲線增長速率更快：當膜下真空度為80 kPa時,主要加固區(qū)域平均固結度未達到90%；當膜下真空度取85 kPa時,主要加固區(qū)域平均固結度滿足真空預壓卸載前要求效果。當維持真空預壓60 d,真空度取85 kPa時,x=0 m,x=20 m,x=40 m處的平均固結度分別為92.59%,91.69%,80.31%,主要加固區(qū)域平局固結度亦滿足真空預壓卸載前的要求效果。

5 結 語

5.1 結 論

利用ABAQUS工程有限元分析軟件,對溫州科技220 kV變電站地基采用高真空預壓及沖擊壓實處理方法進行全過程模擬,通過對加固區(qū)及周邊一定范圍的影響區(qū)土體的沉降量、側向位移、孔隙水壓力變化及固結度計算分析,得出如下結論：

1)真空預壓過程當中,加固區(qū)中心位置處豎向位移最大,預壓結束時刻達到最大值；中心位置處模擬計算累積沉降值與實測值發(fā)展趨勢一致；初期預壓對加固區(qū)邊緣外有一定的擠土效應,在加固區(qū)邊緣產生“隆起”形狀,離加固中心距離越遠,所受影響越??；沿地基土深度方向,在45 m深范圍以外,土體壓縮可忽略。

2)初期預壓期間,加固區(qū)土體向外側發(fā)生位移,沿x正向,位移數值先增大后減小, 在離加固區(qū)中心20 m附近達到最大值；真空預壓后,加固區(qū)逐漸向內側發(fā)生位移,在其邊緣處位移最大,在加固區(qū)以外40～80 m范圍內受到一定影響,因此在采用真空預壓法施工時,如周邊有建筑物,應考慮水平向的加固措施。

3)前期預壓初期,加固區(qū)地基土產生超孔隙水壓,隨著固結進行,孔隙水壓力消散；真空預壓期間,地表內外壓力差產生額外的超靜孔壓,60 d后,打設排水板深度范圍內超孔壓幾乎消散。

4)加固區(qū)0～20 m范圍內,固結度隨時間增長較快,且差別不明顯,離加固中心區(qū)越遠,固結度增長速率越慢,真空預壓60 d后基本趨于穩(wěn)定。

5.2 建議

通過綜合分析對比如下因素：1)真空預壓時間因素對加固土體固結度影響;2)膜下不同真空度對土體固結度影響。從加固效果以及經濟效益方面考慮,建議選取膜下真空度為85 kPa,維持真空預壓作用時間60 d為最佳設計優(yōu)化。

[1] 龔曉南, 岑仰潤. 真空預壓加固軟土地基機理探討[J].哈爾濱建筑大學學報, 2002,35(2):7-10.

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[4] 許 勝, 王 媛. 真空預壓法加固軟土地基理論研究現狀及展望[J].巖土力學， 2006(增刊2): 943-947.

[5] 劉向明,程向東.基于ABAQUS的真空預壓有限元數值模擬[J].價值工程,2012(27):194-195.

[6] 趙維炳, 陳永輝, 龔友平.平面應變有限元分析中砂井的處理方法[J]. 水力學報, 1998(6): 54-58．

Optimum Design of Vacuum Preloading Treatment Based on ABAQUS for the Soft Foundation of a Transformer Substation

WUHao,SHENGXueqing

2016-12-28

吳浩(1988—)，男，江西萍鄉(xiāng)人，工程師，從事軟黏土工程和地基處理研究.

TU447

B

1008-3707(2017)02-0029-05