密封管连接式自密封真空预压工艺及其仿真分析

张晓滨，陈智军，于健，徐宾宾*，梁爱华，李卫（.天津港航工程有限公司，天津　300457；.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点试验室，天津市港口岩土工程技术重点试验室，天津　300）



密封管连接式自密封真空预压工艺及其仿真分析

张晓滨1，陈智军2，于健2，徐宾宾2*，梁爱华2，李卫2
（1.天津港航工程有限公司，天津300457；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点试验室，天津市港口岩土工程技术重点试验室，天津300222）

摘要：介绍了密封管连接式自密封真空预压的施工工艺，利用有限元程序模拟了真空预压加固过程，验证了数值模拟分析方法的可行性。计算结果表明，采用合理的本构模型和计算方法，地表处的计算沉降值和实测沉降值符合良好；通过比较传统真空预压加固法与密封管连接式真空加固法的地基内超静孔隙水压力分布，进一步验证了数值模拟的准确性。

关键词：密封管连接式；自密封；真空预压；有限元计算；仿真分析

Technology ofself-sealing vacuum preloading by sealing tubesand itssim ulated analysis

ZHANG Xiao-bin

1

,CHEN Zhi-jun

2

,YU Jian

2

,XU Bin-bin

2*

,LIANG Ai-hua

0　引言

真空预压加固软土地基技术自问世以来，在公路、铁路、港口等工程中得到了广泛的应用。据不完全统计，采用真空预压法加固的软土地基面积已超过350 km2，取得了巨大的经济效益和社会效益。传统的真空预压加固软土地基通常需要砂垫层和密封膜，分别作为真空加固的水平排水路径和真空压力密封装置。为了解决传统真空预压中砂源紧张、造价较高等问题，梁爱华等人提出了密封管连接式真空预压法[1-3]。该方法通过鸭嘴式连接装置将塑料排水板和密封管连接，以表层淤泥作为密封层，以密封管作为排水通道，真空负压通过密封管、鸭嘴式连接装置、塑料排水板传递至软土地基，从而加速软土地基的固结。

本文首先介绍了新开发的密封管连接式真空预压施工工艺及其与传统真空预压法的区别，针对密封管连接式真空预压法，利用有限元法模拟了真空预压加固过程，分析了关键的影响因素，可为后续类似工程提供参考。

1　密封管连接式真空预压工艺

密封管连接式自密封真空预压法是在排水板上端安装自密封装置和联接软管，通过打板装置将排水板打入预定深度，将联接软管的另一端安装在鱼刺形接头上，鱼刺形接头之间用密封的塑料管和中间主管、射流泵相连[3]。密封管连接式自密封真空预压施工需要搭设浮板作为工作界面和通道。密封管连接式真空预压机理与传统采用砂垫层的真空预压机理相同，不同的是，该工艺并未使用密封膜而是利用表层淤泥作为密封层，同时以密封管和自密封装置代替砂垫层作为水平排水通道。

密封管连接式真空排水加固工艺主要包括铺设施工通道、铺设土工布、安装自密封装置、人工打设排水板、连接鱼刺形接头和密封管、抽真空设备和真空泵的布设、抽气加载加固过程中的监测和检测、加固后检测等步骤。由密封管连接式自密封真空预压施工工艺可知，该工艺非常适合刚吹填完成的高含水率、低强度的超软土地基，便于排水板的打入以及自密封装置的压入。密封管连接式自密封真空预压法接头较多，施工过程中需要保证施工质量，确保连接牢固并保证气密性。密封管连接式自密封真空预压法在加固软土地基过程中，不需要传统真空预压工艺中的砂垫层、密封膜，工艺简单，施工速度快，具有广泛的推广前景和应用价值。

2　有限元计算模型

真空固结排水有限元计算难点有：

1）排水板尺寸相对于地基尺寸而言过小，精确模拟排水板布置将会使网格过密，大幅增大计算量。

2）地基通常被简化为平面应变条件，相应的单个三维排水板也转化为平面应变下的“排水砂墙”，需要人为的调整排水板的间距、透水能力等[4-5]。

基于Akai和Tamura提出的水土耦合变形连续原则[6]，Sekiguchi等人提出了可用于二维排水固结的Macro- element方法[7]，其特点是考虑了排水板的体积变形特性，无须为排水板设置专门的单元，从而避免了有限元分析中网格过密的情况。在此过程中，并未使用具体的单元来描述排水板，仅将排水板作为体积变化影响项加入水土耦合连续方程，本文采用该方法进行有限元计算。

本文采用较简单的一维条件进行密封管连接式真空预压模拟计算，即仅考虑1条排水板加固地基的效果。假定排水板通水能力kw为1 cm/s，排水板等效直径dw为6.5 cm，有效排水圆直径de为60cm，对应的井径比n = de/dw约为9。

2.1有限元网格

网格划分如图1所示，待处理地基深度取10 m，沿高度20等分，密封管连接式真空预压处理深度至地下4 m，排水板顶部距地表0.5 m，网格宽度取为1 m。地表为排水条件，地基底部及侧面为不排水条件，顶部施加真空压力。传统真空预压法中通常需要砂垫层，真空压力分别通过砂垫层和真空泵施加于地表和排水板顶部，因此数值计算中要同时在地表处有限单元顶部和排水板顶部施加真空压力。与常规真空预压计算不同，密封管连接式自密封真空预压计算时真空压力施加位置位于地表下0.5 m处，而非直接作用在地表处，同时也未考虑砂垫层的影响。同时需要指出真空压力通过排水板内的变形连续条件逐渐传递至排水板及地基深处，初始计算时并不需要人为指定真空压力沿深度分布情况。

2.2本构模型

本构模型采用修正的剑桥模型[8]，这是世界上第一个可以同时描述土体压缩特性和剪切特性的弹塑性本构模型。模型中有三个参数，临界状态线斜率、压缩指数和泊松比，可以分别通过三轴剪切试验和一维固结试验确定。表1给出了本次计算所用的土体参数和初始条件。

图1　地基及排水板示意图Fig.1　Sketch ofgroundand verticaldrain

3　计算结果及分析

计算过程中，首先使塑料排水板顶部的真空压力在24 h内减小至-80 kPa，此后真空压力维持-80 kPa并持续90 d。图2给出了地表处沉降的计算值和实测值，其中实测值见文献[1]。可以看到，在真空预压60 d以内计算值和实测值符合良好，能够较好地反映地表的变形值。真空预压90 d时，地表实测沉降值约为590 mm，计算沉降值达到610 mm，较实测值偏大20 mm（3.4 %），偏差值并不大。造成计算值与实测值偏差的原因可能是加固过程中吹填土渗透系数的变化。随着有效应力的增大，土体的孔隙比逐渐减小造成渗透系数逐渐减小，排水板周围土体的固结系数也随之减小，导致地基固结缓慢，沉降速率变小。同时图2也显示出了有限元计算预测的真空预压500 d时地表沉降变化曲线，由图可知，若不考虑吹填土渗透系数的变化，真空预压作用下地表的最终沉降值将达到1 000 mm，但因为固结系数在固结过程中逐渐减小，地表的最终沉降量将小于计算给出的1 000 mm。

图3给出了排水板及地基内不同时刻超静孔隙水压力随深度分布变化，可以看到，由于排水板较短，井阻很小，排水板内的超静孔隙水压在1 d之内变为-80 kPa。随着真空压力作用时间的增加，真空压力逐渐从排水板传递至地基中，地基内开始出现负的超静孔隙水压。排水板加固深度范围内超静孔隙水压逐渐减小，而加固深度范围外超静孔隙水压则逐渐增大至零。另外，在作为密封层的表层吹填土中，孔隙水压也有较大幅度的减小。

图4给出了传统真空预压与密封管连接式自密封真空预压地基内真空压力持续2d、10d、30d时超静孔隙水压随深度的变化，可以看到，与传统真空预压相比，由于真空压力施加位置不同，密封管连接式真空预压在地表处的超静孔隙水压较小，排水板深度范围内地基的孔隙水压也略小。随着真空压力作用时间的增加，排水板加固范围内地基孔隙水压逐渐减小。

表1　地基土弹塑性参数及初始条件Table1　Elasto-plasticsoilparam etersandinitialconditionofground

图2　地表沉降量Fig.2　Groundsurfacesettlem ent

图3　地基及排水板内超静孔隙水压随深度和时间的变化Fig.3　Changingoftheexcessporewaterpressureinsidegroundand verticaldrainwith depth and tim e

图4　超静孔隙水压对比Fig.4　Com parison oftheexcessporewaterpressure

4　结语

利用有限元法对密封管连接式真空预压法在一维条件下进行了初步的仿真分析，得出主要结论如下：

1）地表处的计算沉降值和实测沉降值符合良好，真空预压后期沉降值的微小偏差可归因于吹填土地基渗透系数的改变，若不考虑渗透系数的变化，地基的最终沉降值将达到1 m左右。

2）不同时刻排水板内超静孔隙水压力沿深度的分布表明，排水板内的井阻很小，超静孔隙水压可在1 d之内达到-80 kPa。

3）不同时刻地基内超静孔隙水压力沿深度的分布表明，真空压力逐渐从排水板传递至地基中，因密封管连接式真空预压中真空压力施加位置的不同，地基内超静孔隙水压沿深度分布也与传统真空预压法有所不同。

4）利用有限元法模拟密封管连接式自密封真空预压法的加固过程，可为实际工程应用提供工前决策。

参考文献：

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2

,LIW ei

2

（1.TianjinPort& ChannelEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300457,China;2.CCCC TianjinPortEngineeringInstituteCo.,Ltd., KeyLaboratoryofPortGeotechnicalEngineeringoftheMinistryofCommunications,KeyLaboratoryofPortGeotechnical EngineeringofTianjin,Tianjin300222,China）

Abstract：Thetechnologyoftheself-sealingvacuum preloadingmethod bysealingtubeisintroduced in thispaper.Utilizing thefiniteelementmethod tosimulatetheprocessofvacuum preloading,weverified thefeasibilityofthenumericalsimulation analysismethod.The resultsshow thatthere isa good coordance between the measured and computed settlementvaluesby using rationalconstitutive modeland calculation method.According to the distribution ofexcess pore water pressure,by comparingtheexcessporepressureoftheconventionaland self-sealingvacuum preloadingmethod,theaccuracyofnumerical calculationisfurtherverified.

Keywords：connectbysealingtubes;self-sealing;vacuum preloading;finiteelementmethod calculation;simulated analysis

收稿日期：2015-05-19修回日期：2015-06-24

doi：10.7640/zggwjs201510004

文章编号：2095-7874（2015）10-0018-04

文献标志码：A

中图分类号：U655.544.4；TU472.33

作者简介：张晓滨（1975—），男，天津市人，高级工程师，从事港口航道工程方面的施工管理。

*通讯作者：徐宾宾，E-mail：xubinbin@tpei.com.cn