聯(lián)合預(yù)壓法地基處理研究

張小飛

（溫州地順地質(zhì)勘察有限公司，浙江 溫州 325014）

1 引言

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固法能有效加固軟土地基，其具有成本低、施工簡單、工期短等優(yōu)勢，并且能很好地提升軟土地基的承載力。眾多的科研工作者對地基加固方法開展研究，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固法已成為當(dāng)前研究熱點之一。20 世紀(jì)90年代，瑞典的Kjellman[1]教授創(chuàng)立了真空預(yù)壓法，隨后真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法得到廣泛應(yīng)用。一些學(xué)者[2-4]基于土體固結(jié)理論對真空預(yù)壓土體固結(jié)進行分析，他們普遍認(rèn)為，負(fù)壓條件下土體固結(jié)和正壓條件下土體固結(jié)一樣。但求解結(jié)果與實際情況差異顯著，無法滿足實際工程的需求。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種有限元軟件，采用數(shù)值模擬方法能更好地研究該工藝?；谟邢拊浖恍W(xué)者[5-7]通過分析得出真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固在處理軟土地基效果很好。

本文基于某軟土地基工程，通過有限元軟件模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固地基過程，并著重討論排水板滲透系數(shù)、排水板間距和真空壓力衰減率對加固效果的影響。

2 工程概況

該工程所屬地區(qū)空氣濕潤，常年下雨，溫度在15~35 ℃。該城市廣泛分布著軟土，地質(zhì)條件復(fù)雜，軟土厚度約為30 m。軟土因其孔隙大、含水量高、滲透性差、強度低等缺點，給工程施工增加了很大的難度。考慮場地施工條件，為了保證項目的施工質(zhì)量和安全性，該項目決定采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟土地基。

3 三維有限元模型

利用有限元軟件建立二維有限元模型，采用真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓相結(jié)合的方法對軟土地基進行處理。由于模型對稱，建立1/2 地基模型進行分析，模型寬度設(shè)為150 m，深度設(shè)為41 m。地基加固區(qū)域為模型左側(cè)50 m 范圍，排水板的深度為24 m，布置間距為1.2 m。模型底部設(shè)置為固定端，模型左右兩側(cè)均為法向約束，模型表面加固區(qū)設(shè)堆載和真空荷載，加固區(qū)范圍外設(shè)為自由邊界。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法是將塑料排水板插入地基，傳遞真空負(fù)壓并進行排水。采用等效原則，將塑料排水板轉(zhuǎn)化為沙井以便真實地模擬排水情況。根據(jù)Hansbo 理論，模型中砂井直徑可設(shè)為等效的排水板直徑，砂井直徑根據(jù)式（1）計算：式中，a為排水板的寬度，mm；b為排水板的厚度，mm；dw為砂井直徑，mm。

根據(jù)Hansbo 理論，忽略井阻效應(yīng)和涂抹效應(yīng)，土體在軸對稱下的水平滲透系數(shù)kh與平面應(yīng)變下的水平滲透系數(shù)khp關(guān)系滿足式（2）：

式中，n=B/dw，B取砂井總范圍寬度的1/2。

根據(jù)上述等效理論，排水板的參數(shù)取值見表1。

表1 排水板參數(shù)

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

4.1 模型有效性驗證

圖1給出了地基沉降和水平位移的數(shù)值結(jié)果與實測結(jié)果的對比曲線。如圖1a 所示，在加固過程中，地基在初期沉降速率較大，地基沉降在堆載預(yù)壓期的沉降量約占地基總沉降的30%。這是因為在加固初期，土體的淤堵現(xiàn)象還不明顯，土體的排水速率較高，即加固初期土體的固結(jié)程度良好，這樣能縮減土體后期的固結(jié)時間。

圖1 有限元結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果的對比

如圖1b 所示，在加固過程中，隨著地基深度的增加，水平位移快速遞減，水平位移與深度呈負(fù)相關(guān)。可見，在地表埋深5 m 以內(nèi)的水平位移較大；深度大于10 m 時，水平位移可忽略?？梢婋S著深度的增加，真空預(yù)壓的效果逐漸減弱。

利用實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元數(shù)值試驗結(jié)果相比較，驗證了模型的有效性和正確性，可見本模型在材料參數(shù)選取和邊界條件、有限元網(wǎng)格劃分設(shè)定等方面較為合理。在此基礎(chǔ)上，進一步對排水板滲透系數(shù)、排水板間距和真空壓力衰減率的影響進行了系統(tǒng)討論。

4.2 不同影響因素的分析

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固效果的重要影響因素之一是塑料排水板的排水能力。排水能力越好，則地基加固的效果越好。因此，通過改變塑料排水板的滲透系數(shù)來研究排水能力對地基加固效果的影響。建立30 種不同的滲透系數(shù)工況，30 種工況下的滲透系數(shù)k分別為2.4×10-3cm/s、2.4×10-4cm/s 以及2.4×10-5cm/s。圖2 展示了不同工況下的地基沉降情況。

觀察圖2 可以發(fā)現(xiàn)，地基沉降與滲透系數(shù)正相關(guān)，滲透系數(shù)越大，同一時長下的地基沉降就越大。滲透系數(shù)為2.4×10-3cm/s 時，該軟土地基模型的沉降量最終值大約在3.5 m附近；滲透系數(shù)為2.4×10-4cm/s 時，該軟土地基模型的沉降量最終值大約在3.2 m 附近，較前者減小了約8.5%；滲透系數(shù)為2.4×10-5cm/s 時，該軟土地基模型的沉降量最終值大約在2.85 m 附近，相較于第一種工況減小了約16.8%。進一步觀察可知，隨著排水板滲透系數(shù)的變大，地基固結(jié)時間逐漸縮短。這是因為加固過程中，地下水在滲透系數(shù)更大的排水板下能更快速地排出，地基土固結(jié)時間縮短，由此地基土體固結(jié)程度更佳，沉降量也更大。此時，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固效果也更好。

圖2 不同滲透系數(shù)下的地基沉降曲線

真空壓力對地基加固效果也有不可忽略的影響。為了研究此影響，保持最大真空壓力不變，僅改變真空壓力的衰減率，建立3 種不同底部壓力的工況，分別為0 kPa，-15 kPa 和-30 kPa（衰減率分別為3.2 kPa/m、2.6 kPa/m、2 kPa/m）。圖3 給出了3 種真空壓力工況的示意圖。圖4 給出了不同真空壓力下的地基沉降曲線。

圖3 3 種真空壓力工況的示意圖

從圖4 中可以看出，隨著真空壓力衰減率的增大，地基沉降顯著減小。當(dāng)真空壓力衰減率為2 kPa/m 時，地基最終沉降量約為2.2 m；當(dāng)真空壓力衰減率為2.6 kPa/m 時，地基最終沉降量約為2.0 m，較真空壓力衰減率為2 kPa/m 工況約減小了9%；當(dāng)真空壓力衰減率為3.2 kPa/m 時，地基最終沉降量約為1.7 m，較真空壓力衰減率為2 kPa/m 工況約減小了23%。即使減小了真空壓力的衰減率，較大的真空壓力也存在于較深層的土體中，對地基深處的土體加固效果更好。

圖4 不同真空壓力下的地基沉降曲線

5 結(jié)論

本文基于某實際工程，利用有限元軟件建立數(shù)值模型模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固地基過程。對比數(shù)值結(jié)果與實測結(jié)果，確認(rèn)模型的合理性。進一步分析排水板滲透系數(shù)、排水板間距和真空壓力衰減率對加固效果的影響。主要結(jié)論如下：

1）地基在加固過程中，初期沉降速率較大，在地表埋深5 m 以內(nèi)的水平位移較大，深度大于10 m，水平位移可忽略。

2）排水板滲透系數(shù)和真空壓力均對地基沉降有顯著影響。排水板滲透系數(shù)越大、真空壓力沿深度衰減率越小，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固地基效果越佳。