趙羚子
(上海申元巖土工程有限公司, 上海 200011)
伴隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)、工業(yè)化改革的深化和耕土保護(hù)政策的確立,更多的住宅、工業(yè)、交通項(xiàng)目建設(shè)在河塘回填、高填方、吹填土等具有深厚軟弱土層或松散填土的“人造”地基地區(qū)。社會經(jīng)濟(jì)需求催生出地基處理專業(yè)分包行業(yè),地基處理技術(shù)也得到了長足發(fā)展,出現(xiàn)了換填墊層、預(yù)壓、壓實(shí)、夯實(shí)、擠密、復(fù)合地基、注漿加固、微型樁等地基處理技術(shù)[1]。
真空預(yù)壓、排水固結(jié)與強(qiáng)夯法應(yīng)用于越來越多的軟土地基處理項(xiàng)目,加固技術(shù)也從單一向復(fù)合發(fā)展[2]。學(xué)者與工程師提出了真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓、立體真空預(yù)壓、電滲-真空降水、改進(jìn)型排水板真空預(yù)壓、密封膜改進(jìn)、真空化學(xué)聯(lián)合預(yù)壓等基于真空預(yù)壓的復(fù)合型地基處理技術(shù)[3-4]。
張振等[5]建立三維模型對比真空孔預(yù)壓與堆載預(yù)壓加固軟基的性能,發(fā)現(xiàn)真空預(yù)壓工藝能夠有效減少地表差異沉降,但會在地表出現(xiàn)加固區(qū)收縮變形的側(cè)向位移。周亞東等[6]利用分段線性差分法建立了電滲-真空耦合作用下的軟黏土大變形固結(jié)模型,并通過解析解與試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性,得到真空-電滲聯(lián)合相比單一工藝最終固結(jié)沉降更大,其固結(jié)度控制在80%以內(nèi)具有更高性價比。何長明、黎軍[7]根據(jù)珠海地區(qū)的埋深超過30 m軟土場地進(jìn)行了真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓的地基處理工藝,驗(yàn)證該方法對深層軟土固結(jié)的有效性,并且總結(jié)了前后土的物理力學(xué)指標(biāo)的變化。雷華陽等[8]采用掃描電鏡(SEM)與壓汞試驗(yàn)的手段,通過對比常規(guī)真空預(yù)壓法與增壓式真空預(yù)壓法處理后的軟土微觀結(jié)構(gòu),得到了增壓式真空預(yù)壓加固后土體的小孔隙數(shù)量更多、土體加固效果優(yōu)于常規(guī)真空預(yù)壓法的結(jié)論。雷華陽等[9]還利用模型試驗(yàn)結(jié)合顆粒流模擬方法分析交替式真空預(yù)壓法的軟土加固效果,可以有效抑制“土柱”現(xiàn)象產(chǎn)生。林澍等[10]建立了水下真空預(yù)壓的有限元模型,并根據(jù)其結(jié)果形成一套上覆水綜合作用下的真空預(yù)壓地基沉降分析方法。學(xué)者們近10年真空預(yù)壓的聯(lián)合法進(jìn)行研究,主要集中在真空堆載聯(lián)合預(yù)壓、真空電滲聯(lián)合預(yù)壓與真空化學(xué)聯(lián)合預(yù)壓處理3種工藝[11]。
本文建立軟基加固項(xiàng)目的三維有限元模型,將真空預(yù)壓動力固結(jié)排水加固技術(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模型結(jié)果對比分析,力圖從地基沉降變形角度研究該技術(shù)的沉降控制性能。
軟基加固項(xiàng)目位于湖州市工業(yè)園區(qū),占地面積73 464 m2,場地用于建設(shè)4間物流倉庫及其配套設(shè)施。場地地勢較平坦,地面高程分布在3.14~5.96 m,軟基加固前已填至設(shè)計標(biāo)高,倉庫區(qū)域標(biāo)高為4.90 m。場地平面布置如圖1所示。
圖1 場地平面布置圖
根據(jù)勘察報告場地勘察深度內(nèi)地基土劃分為8個巖土工程層,其中②層缺失,④層可分4個亞層,⑥層劃分為2個亞層,⑤層含2個夾層,共13巖土工程單元層,各層特征自上而下簡述如下:
①層雜填土:灰黃色、灰色,以黏性土及碎石為主,底部大部分為塘泥,結(jié)構(gòu)松散,土質(zhì)不均,高壓縮性,全場地分布。
③層淤泥:灰色,流塑狀,高壓縮性,切面光滑,無搖震反應(yīng),干強(qiáng)度低,韌性低,含有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)碎屑,部分場地分布。
④-1亞層粉土夾粉質(zhì)黏土:灰色,松散-稍密狀,飽和,干強(qiáng)度低,韌性低,搖震反應(yīng)較快,中等壓縮性,含少量云母、貝殼碎屑,局部夾粉質(zhì)黏土。部分場地分布。
④-2亞層粉土:灰色,中密狀,飽和,干強(qiáng)度低,韌性低,搖震反應(yīng)較快,中等壓縮性,含少量云母、貝殼碎屑。部分場地分布。
④-3亞層粉土夾粉質(zhì)黏土:灰色,稍密狀,飽和,干強(qiáng)度低,韌性低,搖震反應(yīng)較快,中等壓縮性,含少量云母、貝殼碎屑,局部夾粉質(zhì)黏土。全場分布。
④-4亞層粉質(zhì)黏土夾粉土:灰色,軟塑狀,切面粗糙,稍有搖震反應(yīng),干強(qiáng)度中低、韌性中低,局部夾粉土,屬中等壓縮性土,局部相變?yōu)橛倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土。全場分布。
⑤層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾砂:灰色,流塑狀為主,局部相變?yōu)檐浰軤罘圪|(zhì)黏土,干強(qiáng)度低,韌性低,高壓縮性,切面較粗糙,局部夾薄層砂。全場分布。
⑥-1亞層粉質(zhì)黏土:灰黃色、灰色,軟可塑-硬可塑狀,切面較粗糙,韌性中等,干強(qiáng)度中等,中等壓縮性,含鐵錳質(zhì)氧化物,局部夾粉土或砂。大部分場地分布。
根據(jù)地層分布條件,將4個庫區(qū)分為有淤泥區(qū)與無淤泥區(qū)分別處理,如圖2所示。
圖2 地基處理分區(qū)圖
圖2中C庫、D庫采用真空預(yù)壓固結(jié)排水加固技術(shù)進(jìn)行軟基處理。依據(jù)D庫的場地條件建立軟基三維模型,并依據(jù)D庫的監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)與三維模型計算數(shù)據(jù)對比分析。
1)場地承載力特征值不小于100 kPa。
2)倉庫地坪的工后沉降不大于80 mm。
場地C庫、D庫采用真空預(yù)壓固結(jié)排水加固技術(shù)進(jìn)行軟基處理。依據(jù)D庫的場地條件建立軟基三維模型,并依據(jù)D庫的監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)與三維模型計算數(shù)據(jù)對比分析。
將場地D庫不規(guī)則形狀簡化為矩形建模,D庫的場地實(shí)際尺寸為180 m×66 m。數(shù)值模型分析需考慮整體軟基的變形規(guī)律、判別影響范圍并減小邊界效應(yīng),因此模型建立的尺寸為360 m×132 m,地層深度達(dá)到60 m,如圖3所示。
圖3 模型尺寸
軟基三維模型的土層分布,按照場地勘察剖面土層分布情況建立。模型網(wǎng)格的劃分需綜合考慮模型的計算速度、精度及收斂程度,根據(jù)試算經(jīng)驗(yàn),模型單元數(shù)控制在1萬~10萬為合理數(shù)值。因此模型根據(jù)計算精度需求,將庫區(qū)范圍33 m范圍內(nèi)的土層網(wǎng)格設(shè)置為近似長×寬×高為5 m×2.5 m×5 m的六面體,將庫區(qū)范圍外所有土層網(wǎng)格單元自動設(shè)置為近似5 m邊長的正六面體,邊界自然過渡,網(wǎng)格單元尺寸根據(jù)土層幾何尺寸自動細(xì)微調(diào)整。
土層的網(wǎng)格分布與土層分布一致,取勘察剖面10作為對照,如圖4所示。其中庫區(qū)內(nèi)模型土層網(wǎng)格分布按照土層實(shí)際分布情況模擬,庫區(qū)外模型土層網(wǎng)格分布按照相鄰最近鉆孔土層分布情況模擬。
圖4 土層分布與剖面對照
有限元數(shù)值模型的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格參數(shù)選取具有密切的關(guān)系,之前已有學(xué)者對土層物理力學(xué)參數(shù)與網(wǎng)格參數(shù)的對應(yīng)性進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[12-14]。根據(jù)文獻(xiàn)[12]建議的換算公式對網(wǎng)格單元各參數(shù)進(jìn)行推算??辈靾蟾嬷械耐翆游锢砹W(xué)參數(shù)見表1。推算得到的模型參數(shù)見表2。
利用表1、表2的參數(shù),可以在GTS-NX有限元軟件中將建立的三維網(wǎng)格單元賦予屬性,雜填土的本構(gòu)采用莫爾-庫侖,黏性土的本構(gòu)采用修正劍橋本構(gòu)。
表1 土層物理力學(xué)參數(shù)
表2 三維網(wǎng)格參數(shù)
湖州項(xiàng)目采用真空預(yù)壓動力固結(jié)排水技術(shù),基于該技術(shù)通過真空預(yù)壓與動力固結(jié)排水工藝復(fù)合,使軟基加速固結(jié)并在表層形成硬殼層,從而達(dá)到更有效加固軟基的目的。
真空預(yù)壓動力固結(jié)排水技術(shù)是一種有效利用真空預(yù)壓的簡便預(yù)壓方式,在通過排水固結(jié)改善深部軟土層力學(xué)性質(zhì)的同時通過動力固結(jié)提高承載力的復(fù)合型地基處理方法。
項(xiàng)目場地因長期積水導(dǎo)致表層土體承載力低,難以進(jìn)行施工作業(yè),且D庫區(qū)下部存在淤泥層,極大地影響場地建筑物的使用功能,需要對軟基進(jìn)行針對性處理。
3.1.1 第一步真空預(yù)壓工藝
采用管井降水,降水深度為地基處理交工場地地表以下4 m。
1)設(shè)置深層土體排水固結(jié)通道。根據(jù)淤泥土層深度,設(shè)置排水板,排水板間距為0.9 m×0.9 m(SPB-C型塑料排水板),排水板長度為11 m如圖5所示。
圖5 排水板布置
2)設(shè)置主次真空連接管。其中次管與每根排水板相連接,保證真空度傳遞。
3)布設(shè)真空膜并設(shè)置真空泵。
4)進(jìn)行真空預(yù)壓,保證真空度不低于50 kPa,真空預(yù)壓時間不小于30 d,最終卸載時,土體固結(jié)度不小于60%。
處理后場地承載力不小于50 kPa,回填土及淤泥土層的土體固結(jié)度不小于60%。
3.1.2 第二步動力固結(jié)工藝
根據(jù)第一步處理工藝完成并達(dá)到設(shè)計要求效果,第二步需確保地基承載力和最終沉降控制要求。
強(qiáng)夯能級應(yīng)由小到大,逐級遞增,往下部傳遞動能。600 kN·m能級滿夯一遍,每點(diǎn)夯擊數(shù)為2擊;暫定第一遍點(diǎn)夯能級為800 kN·m,夯點(diǎn)間距為4 m×4 m,每點(diǎn)夯擊數(shù)不少于3擊;第二遍夯點(diǎn)能級為1 200 kN·m,夯點(diǎn)間距為4 m×4 m,每點(diǎn)夯擊數(shù)不少于3擊;暫定滿夯能級為1 000 kN·m,每點(diǎn)夯擊數(shù)為2擊,夯一遍,夯印要求搭接1/3面積,滿堂處理。過程中補(bǔ)填建筑硬質(zhì)骨料,清理擠出淤泥,提高土體力學(xué)參數(shù)和指標(biāo)。
D庫三維模型的真空預(yù)壓動力固結(jié)排水方案實(shí)施,依據(jù)GTS-NX軟件中建立固結(jié)施工階段的方法,通過壓力、節(jié)點(diǎn)水頭、土層參數(shù)賦予等階段條件變化,模擬真空預(yù)壓動力固結(jié)排水的步驟。
1)自應(yīng)力平衡。為三維模型施加重力,將模型底部與四周邊界設(shè)為固定邊界,然后施加30 d時間步進(jìn)行初始應(yīng)力平衡,水位為0。
2)真空預(yù)壓階段。在該階段激活真空表層排水條件,賦予表層節(jié)點(diǎn)50 kPa的節(jié)點(diǎn)水頭,并將11 m深度范圍內(nèi)土體滲透系數(shù)提高,等效實(shí)際施工中的真空預(yù)壓及排水板滲透功效。該階段根據(jù)實(shí)際施工時間,設(shè)定為30 d。
3)動力固結(jié)階段。在庫區(qū)范圍內(nèi),激活節(jié)點(diǎn)集中力60 kN,集中力施加持續(xù)時間60 s,施加3次,間隔靜置3 d,激活節(jié)點(diǎn)集中力80 kN,集中力施加持續(xù)時間60 s,施加3次,間隔靜置3 d,激活節(jié)點(diǎn)集中力120 kN,集中力施加持續(xù)時間60 s,施加3次,間隔靜置3 d,活節(jié)點(diǎn)集中力100 kN,集中力施加持續(xù)時間60 s,施加1次,與之前工序間隔靜置3 d。將強(qiáng)夯能級計算簡化為短暫集中力。
4)結(jié)束。鈍化各受力及水頭條件,靜置模型,時長15 d。
根據(jù)規(guī)范,對場地地坪下地基總沉降量進(jìn)行計算,據(jù)此可估算各階段地面沉降量,將該理論值與實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模型計算值進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證真空預(yù)壓動力固結(jié)排水技術(shù)控制沉降有效性的同時驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。
上部荷載:使用荷載30 kPa,結(jié)構(gòu)地坪200 mm(5 kPa),墊層100 mm(2.5 kPa),設(shè)計荷載共計45 kPa。
根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)中5.3.5、5.3.6條,計算地基沉降變形量。倉庫區(qū)域總附加荷載p0=45 kPa,其變形計算深度按下列公式計算:
(1)
式中:Δs′i為在計算深度范圍內(nèi),第i層土的計算變形值,mm;Δs′n為由計算深度向上取厚度為Δz的土層計算變形值,mm。
根據(jù)設(shè)計圖紙,地坪混凝土板設(shè)計單元按照24 m×24 m考慮,計算深度取11 m,即滿足規(guī)范的要求。
計算壓縮模量當(dāng)量:
(2)
式中,Ai為第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值。
總沉降量:
(3)
即在未經(jīng)地基處理時,直接進(jìn)行場地上部建筑的施工,即后期所有的附加荷載施加上,經(jīng)計算總沉降量為392 mm。其中,1層土沉降變形量為153 mm,3層土沉降變形量為231 mm。
采用真空預(yù)壓動力固結(jié)排水工藝,第一階段處理后場地承載力不小于50 kPa,回填土及淤泥土層的土體固結(jié)度不小于60%,1層土體深度范圍內(nèi)(5 m范圍)厚度平均加權(quán)壓縮模量大于8 MPa。計算該條件下的總沉降量為469 mm,其中1層土沉降變形量為183 mm,3層土沉降變形量為279 mm。
排水板正方形布設(shè),間距0.8 m,長度11 m,根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中5.2.7條,施工結(jié)束時(t=30 d)的軟土層平均固結(jié)度為
(4)
經(jīng)過第一階段處理,回填土及淤泥土層的土體固結(jié)度等于59%,處理過程累計沉降量為
s1=(183+279)×0.59=273 mm。
經(jīng)過第二階段處理,主要通過多遍輕夯,使得表層1層土變成硬殼層至超固結(jié)狀態(tài),消除該層工后沉降。本階段的累計沉降量為
s2=153-131×0.59=76 mm。
場地工后沉降為
s后=s′-s1-s2=392-273-76=43 mm。
現(xiàn)場布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn),其布設(shè)位置如圖6所示。5個監(jiān)測點(diǎn)位于勘察10剖面位置,相鄰監(jiān)測點(diǎn)間距40 m,監(jiān)測點(diǎn)距庫區(qū)邊界10 m。在三維模型對應(yīng)點(diǎn)位選取節(jié)點(diǎn),計算其過程沉降值。
圖6 監(jiān)測點(diǎn)平面布置
圖7 三維模型沉降監(jiān)測點(diǎn)
4.2.1 第一步工序沉降量
場地實(shí)測總沉降量現(xiàn)無法準(zhǔn)確測量,可將真空預(yù)壓沉降曲線進(jìn)行擬合,得到沉降的穩(wěn)定數(shù)值作為最終總沉降量。
第一步真空預(yù)壓工序的現(xiàn)場沉降監(jiān)測從真空膜下壓強(qiáng)達(dá)到50 kPa開始,持續(xù)至28 d開始卸載,30 d時揭膜。監(jiān)測點(diǎn)1~5的沉降量變化如圖8所示。
圖8 實(shí)測真空預(yù)壓沉降
由圖8可見,初始真空度慢慢提高階段,真空膜內(nèi)壓強(qiáng)增大,就已經(jīng)產(chǎn)生了沉降變形,隨著時間增加,沉降增速放緩,因軟土尚未達(dá)到固結(jié),沉降并沒有達(dá)到穩(wěn)定值。后續(xù)卸載時有少量回彈,回彈量在1 cm以內(nèi)。
根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)位置,可知靠近場地中心的區(qū)域沉降量較大,真空預(yù)壓邊界區(qū)域沉降量較小,這與實(shí)際真空預(yù)壓過程中場地中心區(qū)真空度較高的規(guī)律相吻合,總體西側(cè)沉降較大,與該剖面1雜填土及3淤泥層分布規(guī)律有關(guān)??傊に嚨牡谝浑A段,真空預(yù)壓荷載超過設(shè)計使用荷載,可消除庫區(qū)約70%的沉降量。
三維模型庫區(qū)未經(jīng)處理總沉降根據(jù)上覆壓力值45 kPa模擬計算,得到庫區(qū)總沉降量最大值為398 mm與理論計算392 mm較為接近,且沉降規(guī)律為中央?yún)^(qū)沉降量較大,以此吻合驗(yàn)證該模型的有效,然后進(jìn)行施工階段模擬。三維模型總沉降云圖如圖9所示。
圖9 三維模型總沉降云圖
三維模型真空預(yù)壓階段沉降量最大值為194 mm,其中監(jiān)測點(diǎn)1~5的沉降量變化如圖10所示。
圖10 三維模型真空預(yù)壓沉降
由圖10可見,在三維模型中,真空預(yù)壓階段沉降也呈現(xiàn)隨時間增加增速放緩的趨勢,且在卸載前沒有達(dá)到穩(wěn)定值,后續(xù)卸載產(chǎn)生1~2 cm回彈。
三維模型中庫區(qū)中心區(qū)域(2、3點(diǎn))的沉降量較大,西側(cè)沉降總體高于東側(cè)沉降,與該剖面1雜填土及3淤泥層分布規(guī)律有關(guān),但較之實(shí)測,不同點(diǎn)位的差異較小。該階段也消除原模型總沉降70%的沉降量。
4.2.2 第二步工序沉降量
因強(qiáng)夯過程會明顯干擾現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn),且夯坑回填后會進(jìn)行整平,故根據(jù)工序后場地的情況,估計該工序沉降量在70~150 cm。
三維模型動力固結(jié)階段緊隨第一階段計算,產(chǎn)生的沉降量最大值為78 mm,該值為相較于第一階段的沉降增量,其中監(jiān)測點(diǎn)1~5的沉降量變化如圖11所示。
圖11 三維模型強(qiáng)夯及靜置沉降
采用簡化強(qiáng)夯的研究方法,將每次夯擊簡化為作用60 s的集中力,每次夯擊后靜置3 d使孔壓消散。由此得到圖11(a)的沉降數(shù)據(jù),靜置時會產(chǎn)生一定的回彈,因此需以靜置后沉降量作為最終沉降衡量標(biāo)準(zhǔn),得到圖11(b)??芍?,因地層條件從1~5點(diǎn)的不同,西側(cè)強(qiáng)夯引發(fā)的沉降量也高于場地東側(cè),沒有明顯受到場地邊界的影響。
監(jiān)測點(diǎn)3的土層分布接近庫區(qū)土層分布平均值,且該點(diǎn)受庫區(qū)邊界的影響較小,將該點(diǎn)作為研究對象,分析對比理論、現(xiàn)場實(shí)測及三維模型的沉降計算結(jié)果,如圖12所示。
由圖12可知,理論計算與實(shí)測值較為吻合,略大于三維模型模擬結(jié)果。一方面由于三維模型當(dāng)中各測點(diǎn)的真空預(yù)壓階段沉降量差異就較小于實(shí)測值,3點(diǎn)的模型沉降量小于實(shí)測。另一方面,三維模型的連續(xù)性致使其強(qiáng)夯后回彈量較大,沉降量有所減小,且現(xiàn)場對于強(qiáng)夯后實(shí)測值因填料和施工過程難以監(jiān)測的影響,為處理后場地平均沉降值估測。
圖12 地基處理完工時沉降對比
如圖13所示,真空預(yù)壓階段的沉降值理論計算也與三維模型計算值較吻合,30 d預(yù)壓固結(jié)度較低,沉降未達(dá)到穩(wěn)定值。實(shí)測值與計算值也存在一定差異,但沉降數(shù)值與規(guī)律十分接近,軟基三維模型的計算無論從規(guī)律還是結(jié)果都有其可靠性,同時實(shí)測與理論值的吻合也驗(yàn)證了該技術(shù)在沉降控制方面的有效性,未來可以利用三維模型從變形、受力等更多方面研究軟基加固技術(shù)的性能。
圖13 真空預(yù)壓階段沉降對比
基于真空預(yù)壓動力固結(jié)排水加固工藝在湖州項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐與實(shí)測數(shù)據(jù),驗(yàn)證所建立的軟基GTS NX有限元三維數(shù)值模型,模擬加固工藝工序流程,分析該工藝的沉降控制效果。通過對比分析各階段沉降數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論:
1)真空預(yù)壓場地中心將產(chǎn)生更大沉降,邊界真空預(yù)壓效果受到限制,且卸載后會產(chǎn)生1 cm左右的回彈。
2)采用復(fù)合工藝,可以在50 kPa低真空荷載情況下在30 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)60%固結(jié)度,消除70%的工后沉降,60 d控制場地工后沉降在10 cm以內(nèi),相較于傳統(tǒng)真空預(yù)壓大大降低功耗與時間成本。
3)利用三維有限元數(shù)值模型可以有效模擬軟基沉降的真空預(yù)壓與動力固結(jié)兩個階段,呈現(xiàn)出與實(shí)測和理論計算相吻合的沉降規(guī)律與結(jié)果。強(qiáng)夯的簡化模擬可為復(fù)合工藝的三維模擬提供參考依據(jù)。
4)軟基真空預(yù)壓動力固結(jié)排水加固工藝能夠在短期內(nèi)加快軟基固結(jié)效率,控制工后沉降在8 cm的范圍,工程實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算驗(yàn)證該工藝的有效性,為后續(xù)的項(xiàng)目應(yīng)用進(jìn)一步奠定實(shí)踐與理論基礎(chǔ)。