塑料排水板加固软土地基中涂抹与井阻效应的数值研究

于庆雯，童建国

(1.浙江天地环保工程有限公司，浙江 杭州 310009；2.浙江省电力设计院，浙江 杭州 310012)

1 概述

我国沿海地区广泛分布着压缩性高、强度低的深厚软粘土。火电厂建设中的煤场工程、场地处理、海堤工程等，当地基存在深厚软弱下卧层时，地基存在深层滑动稳定和沉降量大等一系列问题，故要对深厚软基进行加固处理。由于塑料排水板具有强度高、排水效果好、施工便捷、较经济等优点，目前常见的大面积软土地基加固方法就是塑料排水板堆载预压法。

塑料排水板堆载预压加固方案的分级加载时间较长，在分级加载使用期内，要求地基排水固结的排水通道必须是有效的，才能保证在设计预期时间内达到设计荷载。在荷载作用下，土体变形较大，造成排水板变形；这就牵涉到塑料排水板排水性能的长期工作性能问题，将影响到分级加载的加载级数、加载时间长度、以及地基稳定性问题。

本文考虑塑料排水板长期工作状态下，由于施工引起的涂抹效应和土体变形等引起的井阻效应，通过数值模拟分析，研究涂抹效应与井阻效应对塑料排水板性能和加固软土地基效果的影响。

2 涂抹效应

涂抹效应是指在塑料排水板的施工过程中，排水板套筒对于排水板周围的土体会产生一定的扰动，对排水板周围有一定的涂抹作用。涂抹效应主要是通过涂抹区的范围(即涂抹比s)和涂抹区的扰动程度(渗透比kh/ks)这两个指标来反应的。

涂抹比s和渗透比kh/ks(kh是非扰动区土的渗透系数，ks是涂抹区土体的渗透系数)是描述涂抹区性状的两个重要指标，但这两个参数难以直接测定，迄今为止尚未看到测定的结果。塑料排水板规程中确定涂抹因子中的涂抹比s和渗透比kh/ks，是借助于工程实践经验和实测结果反算来求得。

Bergado (1990)和Onoue (1991)基于室内试验研究，认为非扰动区的土的水平向透水性是涂抹区的相应值的1.5～2倍，涂抹区内的值几乎是均一的。Bergado et al.(1993)，Hansbo(1986，1997)和 Madhav et al.(1993)，综合原位试验，室内试验以及模型试验，认为该值在3～10的范围内分布。

Miura(1993)指出，涂抹区的范围与排水板施工机具动力的形式和导管大小形状有关，涂抹比s的范围约为1.5～4.0；如果施工过程中，导管较大，或者振动打入者，可取较大的值；导管较小，或者静力压入者，取较小的值。涂抹区扰动土的渗透性比值与地基土的结构与性质有关，对于高塑性(IP >30，IP为塑性指数)均质粘土，kh/ks=1.5～3.0；对于非均质含粉质粘土(IP <30)，kh/ks=3.0～5.0；对于非均质并具有明显的粉土或细砂微层理结构的可塑性粘土，kh/ks=5.0～8.0。

Hansbo(1987)，Chai(1999)，Hird(2000)指出涂抹区对砂井的固结率有很重要的影响，涂抹区的直径估计是2到3倍的套筒直径。若没有试验段的数据，建议采用ds=3de。

3 井阻效应

确定合理的井阻因子的关键取决于竖向排水体在地基原位条件下的实际通水能力。Koemer和Miura等人根据工程原位测试和反分析结果认为：由室内试验测定的排水体产品通水能力，通过储运、施工中损伤和在地基原位条件下侧压力的作用使产品的芯带及滤膜产生弹性及蠕变变形，物理、生物环境的变化，以及打入排水体压缩弯折等的影响，会产生较明显的衰减。因此，确定井阻因子时所用排水板通水能力不应是试验测定的产品通水能力值，而是原位条件下的实际通水能力，称之为实际通水能力。

Miura等人(1993)通过四座堤坝的反分析，排水板在地基原位条件的通水能力为初始值的1/10～1/3。根据我国12个工程实例反算的结果，排水板实际通水量相对为初始值的折减系数Fs=2.7～12.9。因此建议采用概率分布比较集中的中值，即Fs=4～6，并按其打入的深度和质量好坏分别取高值和低值。

4 算例分析

该算例场地陆域平地、海涂及潮下带浅部地层主要由全新统海积软土组成，中部地层主要为上更新统冲海积粘性土，下部地层为冲洪积、坡残积粘性土混碎石，基岩为凝灰岩。地基处理采用塑料排水板堆载预压法处理，排水板正方形布置，间距1.25m。按三级荷载逐步施加，分别为3m、3m、2m；设计加载计划曲线见图1，堆载时间间隔见表1。

图1 堆载计划曲线

表1 前一级荷载施加完毕到后一级荷载开始的时间间隔

4.1 计算模型

数值模型建立过程中，考虑到场地的对称性，取场地地基的一半建立模型；计算宽度取120m，计算深度根据地质资料取45m，场地地基从上至下依次为淤泥质粉质粘土10m、淤泥质粉质粘土12m、粉质粘土10m和粉质粘土8m。地下水位按地表考虑。所建立的模型和网格划分如图2所示。

图2 计算模型和网格划分示意图

计算按平面应变问题考虑，网格划分采用十五结点三角形单元，地基左右两边在水平方向固定，底面在水平和竖直两个方向均固定；地基在左边和底面以及基础部分不排水，其他边界面可以自由排水。

4.2 计算参数

主要土层的物理力学性质见表2。排水板参数取值具体为：排水板等效直径dw=0.10m(排水板尺寸150mm × 4.5mm)，排水板的等效影响直径de=1.41m(间距1.25m，正方形布置)，排水板纵向通水量Q=100cm3/s。

表2 主要土层的物理力学参数

4.3 计算结果

针对不同的涂抹比，考虑涂抹比s=1(不考虑涂抹效应)，2，5，10，分别计算了场地堆载中心地表点A的沉降随着时间的变化曲线和堆载坡趾处的侧向变形曲线，计算结果分别见图3和图4。可以看出，在不同的涂抹比情况下，在加载的720天时间内某个时间点，渗透比s越小，相应的沉降越大。在720天的加载时候后，沉降时间曲线区别并不明显。图4中可知，在不同的涂抹比情况下，固结1年时间的坡趾处最大侧向变形均发生在7.4m深度，相应的值分别为(cm)：38.6、45.9、48.8和52.3。以1.5年时的地表沉降来计算平均固结度，四种工况的计算结果分别为：91.5%、84.9%、82.6%和78.5%。

图3 不同涂抹比的地表沉降随时间变形曲线

图4 固结1年时坡趾处不同深度的侧向变形曲线

针对不同的涂抹区渗透比，考虑涂抹区渗透比分别取1(不考虑涂抹扰动)、2、5和10的情况，计算了场地堆载中心地表点A的沉降随着时间的变化曲线和堆载坡趾处的侧向变形曲线，结果分别见图5、图6。结果表明，渗透比越小，相对涂抹扰动的程度越小，则沉降发展越快。

图5 不同渗透比的地表沉降随时间变形曲线

在不同的渗透比情况下，固结1年时间的坡趾处最大侧向变形均发生在7.4m深度，相应的值分别为(cm)：38.6、40.5、48.8和55.5。以1.5年时的地表沉降来计算平均固结度，四种工况的计算结果分别为：91.5%、88.4%、82.6%和75.5%。

图6 固结1年时坡趾处不同深度的侧向变形曲线

针对不同的排水板纵向通水量，考虑纵向通水量为100cm3/s(不考虑涂抹扰动)，60cm3/s，10cm3/s分别计算了场地堆载中心地表点A的沉降随着时间的变化曲线和堆载坡趾处的侧向变形曲线，计算结果分别见图7、图8。由图7可知，纵向通水量越小，相对纵向通水量折减的越多，则沉降发展越慢。

图7 不同纵向通水量的地表沉降随时间变形曲线

在不同的涂抹比情况下，固结1年时间的坡趾处最大侧向变形均发生在7.4m深度，相应的值分别为(cm)：48.8、49.8、50.3和54.7。以1.5年时的地表沉降来计算平均固结度，四种工况的计算结果分别为：82.6%、81.0%、80.5%和76.0%。

图8 固结1年时坡趾处不同深度的侧向变形曲线

5 结论

通过该算例的数值模拟分析，可以得出以下几点规律性的结论：

(1) 涂抹和井阻作用对场地地基的固结和变形特性有相当程度的影响，在实际工程中应考虑涂抹和井阻的共同作用。

(2) 涂抹比s和渗透比kh/ks是描述涂抹区性状的两个重要指标，但这两个参数难以直接测定，迄今为止尚未看到测定的结果，目前只是依赖于工程实践经验和实测结果反算求得。

(3) 竖向排水体在地基原位条件下的实际通水能力是讨论井阻作用的关键参数。前面阶段，通水量减少对地基变形和固结特性的影响不如涂抹作用明显；但对于排水板的长期工作性能而言，通水量的变化是决定性因素，今后的研究可以针对纵向通水量随着排水板工作时间内的折减规律展开。

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