基于ABAQUS的真空预压插板深度的研究

张泽波，朱 平，左 军

（1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津300452）

基于ABAQUS的真空预压插板深度的研究

张泽波1，朱 平1，左 军2

（1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津300452）

通过 ABAQUS大型有限元软件模拟了实际工程中的部分加固过程，验证了此类工程数值模拟的可行性。ABAQUS有限元软件计算的地基沉降规律和沉降值与实测结果非常接近，其中不一致部分为简化计算引起的误差。通过模拟不同插板深度的加固，对比了对应深度的加固效果，分析了底层的固结沉降效果。得出真空预压插板深度的变化会对工程加固效果产生影响，其中对底层土体影响较为显著；排水板打设穿过目标软基底部一定深度可有效提高底层土体固结度，进而提高软基整体加固效果。

真空预压；插板深度；ABAQUS；固结度

引 言

天津滨海新区发展速度逐年加快，随着其快速发展，也出现了很多的现实问题，其中很重要的一个问题就是土地缺乏。为了缓解这一问题，此地区进行了大面积的围海造陆工程。天津滨海新区的围海造陆工程所用吹填土来自港池航道的疏浚淤泥或浅海底部的泥沙，这些泥沙经过水力作用吹填到指定区域形成陆域场地。由于这些泥沙的含水率很高，其范围一般为 80 %～200 %之间［1］，因此其承载力极地，强度指标很不理想。为了能快速有效地加固此类软土地基，一般的加固方法是无法完成的，而真空预压法对于此类地基的处理效果能达到设计要求。

真空预压法是利用抽真空设备产生的真空负压作为预压荷载使土中水在压差下排出从而使软土地基得到加固的一种处理方法。真空预压系统由3部分组成，包括：真空压力系统、密封系统和排水系统。排水系统在整个真空预压软基处理工程中的变化会对处理效果产生显著影响，值得学者和技术人员进行深入研究。

近年来很多学者对于真空预压法进行了相关研究，并取得了一定成果。施建勇、雷国辉等［2］研究了软土的压缩特性，提出了在真空预压处理过程中软基沉降的计算方法；陈平山、莫海鸿［3］应用等效原理，将塑料排水板等效成砂井地基，对真空预压软基处理中的固结度进行了研究，提出了更有效的简化方法；闫澍旺等［4，5］提出了真空预压软基加固中固结度的估算方法，并对真空预压有效加固深度进行了研究；Chai J.C.等［6］通过实验与数值模拟的研究，建立了软基处理中真空预压法最优插板深度的解析方程，此方程决定了软基的最大整体固结度和相应的沉降量；Rujikiatkamjion C.和Indraratna B.［7］经过实验论证和数值计算提出了真空预压中软基固结度的解析解，对土体的竖向固结和水平向固结都进行了研究。以往对真空预压法的研究都是针对其整体的固结度或沉降量进行的研究，对单独各层或软基底层的固结沉降研究很少。本文先通过ABAQUS大型有限元软件模拟了实际工程中的部分加固过程，验证了此类工程数值模拟的可行性，然后模拟了不同插板深度的加固，对比了对应深度的加固效果，着重分析了底层的固结沉降效果，得出了提高处理效果、增加数据可靠度的工程插板方式，可为类似软基加固工程提供借鉴。

1 工程实例有限元分析与验证

1.1 工程概况

天津临港经济区南部区域纬五路一期工程地基处理工程位于临港中港池以北，地基处理总面积57.3万m2，其中道路加固区面积约为49万m2，共分为22个处理区，其中1～4区和6～22区的地基处理方式为真空预压法。根据设计图纸要求，1～4区在原泥面铺设一层编织布，两层竹笆和一层短纤土工布，吹填砂性土。吹填后场地应整平，打设塑料排水板前后均应测量砂垫层表面高程，以便推算打板期间沉降量，排水板打设底高程为-12.5 m。6～22区浅层真空预压在原泥面铺设一层编织布，一层短纤土工布，作为工作垫层；深层真空预压在已铺设完毕砂垫层的浅层预处理面打设排水板、铺膜、吹砂等。本文选取3区作为研究对象，对3区用ABAQUS有限元软件来模拟分析。

3区面积为90 m×234.5 m，水平排水系统的砂垫层为1 400mm厚的粉细砂，排水滤管布置于其中，竖向排水系统为正方形布置的塑料排水板，其间距为850mm。工程应满足设计提出的以下卸载要求：1）按实测沉降曲线推算的固结度大于85 %；2）连续5天实测地表平均沉降速率不大于3.0mm/d。有限元分析对应的场地模型示意如图1所示。

图1 场地模型示意

3区为人工吹填土，加固区土层分布情况为：①淤泥质土层，呈灰色，高压缩性；②粉质粘土，呈灰色，中间混有粉土斑；③淤泥质粘土，呈褐灰色，压缩性较高；④淤泥质粘土，呈灰色，饱和，高压缩性；⑤淤泥质粘土和粉质粘土叠加，呈灰色，饱和度较高，高压缩性。在此软基中埋入7个磁环，用来测量各土层沉降量。各土层的对应的土性参数如表1所示。

表1 各层土性参数

1.2 固结理论分析

真空预压处理软土地基的过程实际上就是软基在真空负压荷载下的排水固结过程。而土体的固结沉降及其孔隙压力消散的计算需要一定的固结理论的支撑。太沙基一维固结理论忽略了变形综合条件对固结总压力的影响，此理论是在固结变形只发生在竖直方向的假定下成立的，因此这个理论不符合真空预压的真实固结过程。巴隆的轴对称固结理论由于计算太过复杂，计算所用到的各种参数很难获取，不容易推广到实际工程中去应用。比奥固结理论较真实的反映了土体固结变形与孔隙压力的相互关系，同时考虑了垂直沉降和水平位移，其所用到的各种计算参数条件也较容易获取，因此此理论在实际工程中比较实用［8］。根据真空预压原理和平面应变比奥固结理论，比奥固结微分方程如下：

1.3 排水板等效原理

现今工程所使用的塑料排水板与传统的砂井相比，虽然其材料不同，但是在理论计算中其加固原理和理论方法是相同的，因此塑料排水板在模拟计算时可以等效为砂井。又由于在实际的真空预压工程中软土中的排水板布置密集，可以把排水板在纵向的布置形式看成是一个平面，将三维固结问题转化为较为简单的平面固结问题，这样就大大简化了网格，减小了计算量。将三维的排水板转化为平面形式即二维排水砂墙，其渗透系数调整公式如下所示［9］：

其中：kxa、kza分别为软土地基实测的水平和竖直渗透系数；kxp、kzp分别为有限元计算时所用渗透系数；Dx、Dz分别为渗透系数调整系数；μ为土的泊松比；n为砂井有效排水半径和砂井半径之比。

1.4 ABAQUS有限元模型

由于3区场地两边的非加固区地形相似，又处于同一处理区，因此土质参数相近。3区场地按中心轴在横向呈对称状，其横向宽度为90 m，因此按中心线取 45 m作为有限元模型区域的加固区。又由于真空预压加固过程中对加固区以外较远处的沉降和水平位移影响较小，因此有限元模型的影响区只去45 m进行计算，也就是从加固区边缘向外延伸45 m。有限元计算模型的网格划分如图2所示。

图2 有限元计算模型网格划分示意

由于加固区在铺设砂垫层以后的地面高程为5 m，塑料排水板打设深度底部高程为-12.5 m，考虑到真空预压可以影响到排水板底部以下的土体，再结合土质条件，有限元模型的计算深度取30 m。边界条件的选择为：模型底部为双向约束；两个侧边界为水平约束；表面无约束，为自由变形面；影响区表面孔压边界条件为 0；加固区排水板单元中的孔压为线性施加，顶部真空度为85 kPa，沿程损失为3 kPa/m。土体采用摩尔—库伦本构模型。荷载步为：真空压力为瞬时一次施加，恒载时间为工程记录的实际的恒载时间。网格划分采用的单元类型为8节点的平面应变孔压单元，四边形结构化网格。由于加固区需要重点分析，网格划分较密，影响区网格较为稀疏。

1.5 结果分析

有限元模型计算结果中的地基沉降位移如图3所示。

图3 地基沉降位移

由图3可以看出，加固区沉降规律为：加固区中心以及向外的一定的范围内软基沉降量较大；加固区表层土体的沉降量较大，随着深度的增加沉降量越来越小；真空预压可以影响到塑料排水板一下一定深度范围内的土体，但是其沉降量很微小。真空预压可以影响到加固区以外的土体，其水平方向有向加固区收缩的趋势，在一定的范围内也会发生沉降。这些规律都与真空预压理论相一致。

图4为加固区中心土体的有限元模型计算沉降曲线和工程实测沉降曲线对比图，此处的沉降值为真空加载下的地基沉降值，不包括插板期间的沉降。我们可以看出有限元计算的地基沉降规律和沉降值与实测值非常接近，其中不一致部分为简化计算引起的误差。有限元可很有效的模拟实际的真空预压处理工程。

图4 计算沉降曲线和工程实测沉降曲线对比

图5 磁环沉降数值

图5为实测加固中心区各土层所安装磁环的沉降量数值图，从图中可以看出表层软土的沉降量最大，底层的沉降量很小，其固结度较低。从前面有限元模型计算沉降曲线和工程实测沉降曲线对比图可知数值计算值与实测值非常接近，因此我们可以用数值计算值来分析和预测实际的处理工程。实际工程的各土层的分层沉降量也可用数值计算值来模拟。

2 不同插板深度土体分层固结度分析

在第二节有限元模型分析结果的基础上，本节进行了不同插板深度的模型分析。第二节所述软基加固工程的实际加固深度的土底高程为-13 m，而其所打设塑料排水板底部高程为-12.5 m，这是因为真空预压的影响深度可以达到排水板以下一定范围内。但是各土层的分层沉降量相差很大，底部土层的沉降很小，因此其固结度与土体的整体固结度相差很大。

在第二节有限元模型的基础上，变换排水板深度建立三个模型A、B、C。对应排水板底部高程分别为-12.5 m、-13.0 m、-13.5 m。也即A的排水板打设深度在所加固软土底部以上0.5 m，B的排水板正好打到所处理软土底部，C的排水板打穿所加固软土层到其底部以下0.5 m。整理模型计算结果，根据A、B、C三个模型所得的各土层分层沉降量，然后计算A、B、C各土层的卸载时的固结度。其卸载时的固结度数值如图6所示。

图6 各土层固结度数值

由图6可以看出随着插板深度的增加上不和中部土层的固结度变化不明显，而底部土层的固结度有明显的增大。这是由于虽然真空预压的影响深度可以达到排水板一下一定的范围，但是由于所处理地基为淤泥质粘土，其渗透系数很小，在排水板未到达的深度土中孔隙水无法有效的排出，致使其沉降很小，固结度较低。在实际工程中容易出现底层软基未能达到整体处理要求，其强度指标的提高不明显。当排水板打穿目标软基时，底层土中孔隙水能更有效的排出，固结度接近软基整体的处理要求，处理效果更好。我们还可以推理得出，在达到同样的处理效果的前提下，当排水板打设深度穿透目标软基底部时，处理工期会缩短。

3 结 论

1）ABAQUS有限元软件计算的地基沉降规律和沉降值与实测结果非常接近，其中不一致部分为简化计算引起的误差。有限元可很有效的模拟实际的真空预压处理工程。也可对实际工程进行预测。

2）真空预压可以影响到加固区以外的土体，其水平方向有向加固区收缩的趋势，在一定的范围内也会发生沉降。

3）真空预压插板深度的变化会对工程加固效果产生影响，其中对底层土体影响较为显著。排水板打设穿过目标软基底部一定深度可有效提高底层土体固结度，进而提高软基整体加固效果。

［1］董志良，张功新，周琦，等.天津滨海新区吹填造陆浅层超软土加固技术研发及应用［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（5）：1073-1080.

［2］施建勇，雷国辉，艾英钵，等.关于真空预压沉降计算的研究［J］.岩石力学，2006，27（3）：365-368.

［3］陈平山，莫海鸿，等.真空预压加固地基等效固结度简化计算［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2008，36（1）：139-144.

［4］Chu J，Yan S W.Estimation of degree of consolidation for vacuum preloading projects［J］.Int Journal of Geomechanics，ASCE，2005，5（2）：158-165.

［5］Chu J，Yan S W.Effective depth of vacuum preloading［J］.Lowland Technology International，2006，8（2）：1-8.

［6］Chai J C，Carter J P，Hayashi S.Vacuum consolidation and its combination with embankment loading［J］.Canadian Geotechnical Journal，2006，43（5）：985-996.

［7］Rujikiatkamjorn C，Indraratna B.Analytical solutions and design curves for vacuum-assisted consolidation with both vertical and horizontal drainage［J］.Canadian Geotechnical Journal，2007，44：188-200.

［8］孙立强.超软吹填土地基真空预压理论及模型试验的研究［D］.天津：天津大学，2010.

［9］赵维炳，陈永辉，龚友平.平面应变有限元分析中砂井的处理方法［J］.水利学报，2004，（01）：16-20.

Research on Depth of Vacuum Preloading Plug-board Based on ABAQUS

Zhang Zebo1，Zhu Ping1，Zuo Jun2
（1.Institute of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2.Tianjin Beiyang Water Transport and Water Conservancy Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

Large-scale finite element software ABAQUS has been used to simulate partial reinforcing process of real projects，which proves the feasibility of numerical simulation.The settlement regularity and sedimentation value obtained by using ABAQUS finite element software basically accord with the measured results，and the inconformity of data comes from the deviation caused by simplified calculation.By simulating the reinforcement process based on different depths of plug-board，the reinforcement effects are compared each other，and the consolidation settlement effects of bottom layer are analyzed.The research results show that the depth variation of vacuum preloading plug-board affects the reinforcing result，especially the soil body at bottom.To drive drain board into soft base to a certain extent can effectively improve the consolidation degree of soil body at bottom，and enhance the integral reinforcing effect of soft base.

vacuum preloading； depth of plug-board； ABAQUS； degree of consolidation

TU472.3+3

1004-9592（2016）05-0097-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160524

2015-12-06

张泽波（1990-），男，硕士研究生，研究方向为软土地基加固处理。