排水板联合堆载预压固结沉降模拟分析

彭中浩，钱 彬，庄正南，纪翔鹏

（1.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006；2.南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏 南京 210024；3.中交上航（福建）交通建设工程有限公司，福建 厦门 361028；4.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014）

引 言

目前，在我国沿海地区经济发展的条件下，需要大量建设用地及产业转移，沿海地区大量的吹填工程不断兴起，但其工程建设用地常面临大面积的软土地基，需对其进行加固处理。对于大面积场地处理，如何经济、快速、高效的处理软土地基将影响整个工程的造价、工期、质量等。

在众多软基处理方法中，塑料排水板联合堆载预压法由于其排水效率高、投资省、协调变形、施工简单、速度快、对周边土层扰动小等优点，现已广泛应用于港口码头、钢厂等原料堆积，机场跑道、铁路路堤、高速公路、软基上的堤坝、围垦造地工程、造陆工程、油罐冲水预压和冷库及水池等工程的地基加固中，并取得了良好的效果[1]。

塑料排水板联合堆载预压加固软土地基的原理是排水固结机理。主要作用形式分为竖向排水和竖向加压：在软土中打设排水板增加竖向排水通道，并与上部砂垫层形成排水系统；上部堆载产生的附加应力提升土体内孔压，由于排水通道的存在，加快孔压消散，有效应力增加，土体固结沉降，地基承载力提升且有效减小工后沉降[2]。

目前在软基沉降的固结分析中，众多学者对此法进行了大量研究[3-5]，其计算分析方法大致可分为三大类：一是基于土力学经典理论计算方法；二是基于现场实测数据的预测分析方法；三是基于土体固结理论及本构模型的数值模拟方法[6]。

本文将结合厦门大小嶝岛吹填造地工程实例，基于有限元分析软件Midas/GTS，建立塑料排水板联合堆载预压加固软基的固结沉降模型，研究在多级堆载工况下，软基的固结沉降和孔压变化规律，并与实测数据对比，分析本方法对于工程固结沉降预测的实用性，为大面积工程施工提供借鉴。

1 工程概况及方案

1.1 工程概况

本文依托工程为厦门大小嶝岛吹填造地工程，本工程位于厦门翔安区东南方向。此次吹填造地工程共设3个标段，总面积达7.58 km2，选取5标段S5区某断面的监测数据进行分析。

根据工程勘察地质资料，场地范围内的土质特征自上而下可分为：①素填土：浅黄、灰白色，主要由中粗砂堆积而成，松散，厚度为0.2～0.6 m；②淤泥质土：深灰色，饱和流塑状态，具有腥臭味，厚度为 1.5～17.9 m；③粉质粘土：灰黄色，可塑～硬塑，厚度为1.6～13.2 m；④残积砂：为花岗岩风化沉积产物，灰白色，硬塑状态，厚度为6.6～9.5 m；⑤全风化混合花岗岩：散体结构，属极软岩，厚度5.5～6.8 m。选取的场区内的稳定水位为1.2～1.5 m。

1.2 工程方案

本工程吹填场区的地基处理方案主要为：绞吸挖泥船吹填至场地初始高程→形成砂垫层→打设排水板→设置盲沟、集水井→分级吹填堆载至高程5.5 m→堆载预压→卸载→强夯整平。

本工程的吹填料为海砂（中粗砂），吹填堆载共分为3级，本次对比分析的断面为S5-125断面，本断面的分级加载曲线可简化如图1所示。

图1 S5-133断面分级加载曲线

该工程排水板选用厚4 mm、宽100 mm的B型板，正方形布置，间距为 1.0 m，要求排水板的打设深度贯穿淤泥质土层，场区横断面示意如图 2所示。

图2 联合预压横断面示意

2 有限元计算模型及边界

基于Midas/GTS有限元软件，创建塑排板联合堆载预压法处理软基的固结沉降二维模型。由于吹填围堰内的堆载场区较大，且场区内土层变化较大，为简化计算并提高计算效率，选取模型尺寸为60 m×30 m，并按S5-133断面的土层情况沿深度进行划分：0～1.0 m为素填土；1.0～9.5 m为淤泥质土；9.5～18.5 m为粉质粘土；18.5～22.5 m为残积砂质粘性土；22.5～30.0 m为全风化花岗岩。

地基软土采用四节点的实体单元进行模拟，网格的两侧施加水平约束，网格的底部同时施加水平和垂直位移约束；地表为排水边界、总水头0 m，地下水位在地基表层，同时将土体内砂墙设为排水边界，模型及网格划分如图3所示。

图3 有限元分析模型示意

3 相关参数确定

3.1 排水板简化计算

本文通过二维平面计算研究排水堆载固结沉降问题，因此，需要将塑料排水板的三维固结问题转化为平面问题，即将塑料排水板等效为二维的砂墙地基[7]。

首先根据塑料排水板和砂井与土体接触面积相等的原则，且本工程塑排板正方形布置，可按下式将塑料排水板转换为砂井的等效半径及影响半径：

式中：dw为等效砂井直径，mm；de为等效砂井影响直径，mm；b为排水板宽度，mm；δ为排水板厚度，mm；a为换算系数，取0.75～1；l为排水板间距，mm；n为等效砂井井径比。

根据砂墙等效法[8]的相关计算，求得正方形布置型式下，砂墙的宽度和间距：

式中：Bw为等效砂墙厚度，mm；B为等效砂墙间距。

本次有限元分析中，为使网格划分方便，选取2Bw=10 cm，B=4 m进行模拟分析。

其次，根据平均固结度相等的原则，通过调整砂墙间土体的渗透系数即可使塑料排水板与砂墙等效，等效后的砂墙地基渗透系数按下式计算：

式中：kxp、kyp为等效换算后土体间的水平向和竖向渗透系数；kxa、kya为砂井地基的水平和竖向渗透系数；Dx、Dy为调整系数，可按赵维炳[9]的等效计算方法求得。

同时在调整系数计算分析中，考虑塑料排水板施打时对周围土体的影响而存在的涂抹效应，采用等效计算方法，取涂抹区半径与砂井半径比值s为1.2，实际砂井地基渗透系数与涂抹区渗透系数比值β为7。经计算得Dx为2.42，Dx为0.9。

3.2 土体模型参数确定

本次模拟地基软土采用Drucker-Prager模型，堆载所用填土采用Mohr-Coulomb模型。

对于采用Drucker-Prager模型的地基软土计算参数，可根据相关联流动法则按下式求得：

式中：c、φ为Mohr-Coulomb模型中的粘聚力和摩擦角；β为D-P模型中p-q平面摩擦角，同膨胀角；cσ为土体屈服应力。

经本工程的地质详勘报告及上述计算方法，确定各土层的计算参数如表1所示。

表1 各土层计算参数

4 数值模拟结果分析

本次数值模拟主要用以分析在塑排板联合堆载预压处理方式下，堆载和固结阶段软基的竖向变形、水平位移、土体内超静孔压的变化情况，并与现场实测数据进行对比分析。

4.1 沉降变形分析

沉降的变形分析主要包括整个填筑堆载和固结过程中地基的变形，整个模型计算中的施工阶段共包含3次填土堆载。

图4 预压结束时地基沉降

图4为堆载预压220 d后的地基固结沉降云图，地基表面处沉降较大，最大约为1.15 m，且随着深度增加，累计沉降值减小；同时，堆载区两侧土体有隆起位移，与实际情况相符。

选取模型堆载中点处的地基表层沉降历时曲线模拟值，与现场实测沉降曲线进行对比分析，如图5所示。

图5 沉降历时对比曲线

由图5中对比曲线分析可知：软基在堆载固结过程中，模拟结果与实测值变化规律一致。200 d实测沉降值为118 cm，此时模拟值为107 cm，误差约为9.4 %；由于施工场地的复杂性及填土的不规律性，本次模拟加载对其进行了简化处理，所以模拟与实测曲线从在差异，且未全面考虑井阻、涂抹等作用，模拟的沉降曲线收敛较快。但运用本有限元模拟分析，较好的反映了软基堆载预压过程中沉降变化，可为工程提供指导。

4.2 水平向位移分析

为分析软土层在堆载固结过程中水平位移的发展，选取堆载模型坡脚下不同深度处的土体，得出堆载预压 200 d后不同深度土体的累计水平位移，如图6所示。

图6 水平累计位移曲线

从图6对比结果可知，数值模拟曲线与实测曲线表明了水平累计位移相同的变化规律：即在堆载预压过程中，存在向外发展的水平位移，且随着深度的增加，水平向累计位移减小；数值模拟的水平最大位移约为48 cm，实测值约为36 cm，实测值与模拟值较为吻合。

4.3 超静孔压变化分析

在堆载预压沉降固结过程中，在堆载时土体内孔压将增大，待得土体内孔压及时消散，土体的沉降固结才能顺利完成。为分析软土地基在堆载固结过程中孔隙水压力的增长和消散，选取了模型中点处深度分别为4 m、8 m的土层进行超静孔隙水压力的分析，同时选取了4 m深度处的超静孔压实测值与计算值对比，如图7所示。

图7 超孔隙水压力变化曲线

从图7超静孔压实测值和有限元计算值的历时曲线可知：1）随着深度增加，堆载作用下的孔压增长值减小且消散速率降低；2）现场实测值与有限元计算值变化规律吻合，随着荷载的堆加孔压增大，通过塑排板排水的作用加速孔压消散；3）有限元计算值与实测值存在偏差，且计算值的峰值较实测值明显，同时实测值的孔压消散速度低于计算值；这主要是由于计算模型的简化和等效，以及未考虑井阻的原因造成的，同时场地内孔压变化受潮汐影响，存在一定的波动。

为直观的观察堆载时软基内超孔隙水压力的变化，以及塑排板的排水作用，选取了第1次堆载完成、以及堆载完成后固结排水200 d后的软基内超孔隙水压力云图，如图8所示。

图8 不同时刻地基内超孔压

在第一次堆载时，地基土体内孔压增大，最大约为25 kPa，随着时间的发展，孔隙水压力逐渐减小，土体强度增大，在预压期结束时，地基内的超静孔隙水基本消散完全。

5 结 语

本文利用有限元软件Midas/GTS建立了塑料排水板联合分级堆载预压的固结分析模型，并将塑料排水板等效为砂井进行软基排水固结计算，同时结合工程实际施工中的动态监测数据对数值模拟的可行性和适用性进行了对比分析。得出结论主要如下：

1）采用 Midas/GTS有限元分析软件可以对整个堆载预压施工过程中的固结沉降有效分析，较好地模拟施工各个阶段软基沉降的变化规律，即每级加载初期沉降速率增大，随着堆载稳定沉降速率减小的规律；

2）分级堆载过程中，堆载区外侧将产生水平位移，且数值模拟结果与实测值较为吻合，可用于控制堆载施工速率，为施工提供指导借鉴，防止水平位移发展过快而失稳；

3）在吹填堆载的软基内打设塑料排水板可有效地加快地基内超孔隙水压力的消散，尤其是在堆载初期可提高软基固结速率，是大部分固结沉降发生在施工期，有效缩短工期，减少工后沉降。