基于虚拟排水板单元的真空联合堆载预压对周边环境影响分析

张乃受，陈智军

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；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实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

真空预压法是软基处理的一种常用方法，在水运、铁路、公路、机场等软土地基加固方面得到了广泛的应用。若场地后期要求较高、承载力需求较大，真空预压法通常与堆载预压法联合使用，加快软基固结，提高加固后软基强度。与堆载预压法类似，真空预压加固软基对周围环境有较大影响，主要表现为周边一定范围内地表下沉和开裂，对周边建筑物造成不良影响。目前国内外关于软基处理施工对周边环境影响研究方面已有相当深入的研究成果。于志强等[1]通过加固区周边场地钻孔试验结果和加固区外侧侧向变形观测结果分析了真空预压法对周边土体土性指标的影响及真空预压的影响范围。陈兰云等[2]分析了隔离沟深度以及防护桩长、渗透性和刚度等不同防护措施对周围环境影响的效果。金小荣[3]分别研究了采用水泥搅拌桩隔离、开挖应力释放沟和采用树根桩托换技术三类防治方法对减小周围土体变形的作用。陈远洪[4]采用Biot固结理论对真空预压法加固软基过程进行了详细的有限元分析，得到了加固过程对周围环境的相互影响，同时表明采取防护措施可以明显减轻对周围环境的影响。余湘娟等[5]结合某工程实例对真空预压加固软基进行了有限元计算，同时分析了加固区周边搅拌桩对侧向位移的限制作用。

但是，关于真空预压的有限元计算方法基本上还是沿袭了等效砂墙法的概念，即将三维排水板布设简化为二维平面应变条件[6-7]，其优点在于基于竖向等效应变固结度，得到的沉降结果与工程实际较为吻合。但地基土体的变形实际上是三维的，等效砂墙法对侧向变形的计算能力较差。本课题利用导入了特殊排水单元的有限单元软件，对软土路基处理过程中周边场地的变形特点进行分析，并讨论多种隔离方案对减轻环境影响的效果，为后期软基加固提供指导。

1 工程概况及软基处理方案

拟建道路全长约7.4 km，为东西向重要的城市次干路。场地属于河海交汇的三角洲地区，地质条件复杂，淤泥及淤泥质土层较厚，含水量达到65%～75%，物理力学指标极差。根据地质勘察报告，在勘探深度范围内揭露的地层自上而下为：人工填筑土，第四系海陆交互相沉积淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土、粗砂及砾砂、黏土，燕山期花岗岩残积砂质黏性土，下伏基岩为燕山期花岗岩风化带。

目前道路软土地基即将进行软基处理，处理方案为真空联合堆载预压。塑料排水板采用SPB系列C型，间距1.1 m，打板深度25 m，正三角形布置。预抽真空5～7 d，膜下真空度达到-80 kPa，连续抽真空10～20 d后开始填筑路基土。路基填土应在60 d内填筑到位，满载后进行真空联合预压，时间应120 d左右。设计要求膜下真空度稳定在-80 kPa后，连续抽真空180 d左右。由沉降观测数据推算工后沉降，结合实测沉降速率确定抽真空停泵时间，要求实测沉降法推算工后沉降满足设计要求，沉降速率小于5 mm/d或固结度达到90%以上。由于真空预压对周边场地有一定的影响，为防止软土路基在真空预压施工期间对已建成建筑物的影响，真空预压处理时，采用水泥搅拌桩隔离墙。水泥搅拌桩径1.2 m，长度12 m。水泥搅拌桩与多层建筑退让红线间距16 m，作为降低真空预压影响的缓冲区。

2 有限元计算

2.1 计算方案

为减小软土路基真空联合堆载预压对邻近建筑物桩基的影响，分别考虑了80 kPa真空压力下加固区与桩基之间预留16 m、20 m的缓冲区，以及60 kPa真空压力下加固区与桩基之间预留20 m的缓冲区，数值计算中针对上述3种方案分别进行了相关的计算，相应的计算方案如表1所示。

表1 计算方案Table 1 Calculation schemes

2.2 基于等效排水线的排水单元

真空预压法有限元计算难点有：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）地基通常简化为平面应变条件，相应的单个的三维排水板也转化为平面应变下的“排水墙”，需要人为调整排水板的间距、透水能力等。基于Akai等提出的水土耦合变形连续原则，Sekiguchi等人提出了可用于二维排水固结的Macro-element方法[8]。其特点是考虑了排水板的体积变形特性，不须为排水板制定特定的单元，从而避免了有限元分析中网格过密的情况。Macro-element法的基本原理如图1所示，对于土单元内部的排水板，将其虚拟化为体积变化影响项并增加至水土耦合连续方程（1）中。该单元体积变化等于流向相邻单元的孔隙水量和流向单元内假定排水板的排水量，如图1所示。

图1 单元、排水板及相邻单元孔隙水流量示意图Fig.1 Sketch of pore water flow of element,vertical drain and adjacent elements

式中：vN为单元节点速度；L为将单元节点速度变为单元体积变形的转化矩阵；u、ui和uD分别为单元内水压力、相邻单元水压和排水板内水压；αi和κ为相应的系数。

2.3 网格划分及土体参数

根据道路与邻近建筑物的平面位置图以及场地的钻孔柱状图，取典型道路横截面进行分析，可以得到如下的分析模型。为了考虑单排水泥搅拌桩墙对水平位移的影响，取道路全断面进行分析。模型土层共分3层，上层为20 m厚的淤泥，中间为15 m厚的粉质黏土，下层为15 m厚的淤泥质黏土。左右两侧及底部为不透水边界，上部边界堆载范围内为真空边界，其余为大气压边界。道路右侧为单排水泥搅拌桩墙，距其16 m处为6排管桩，计算模型如图2所示。

图2 数值计算模型及边界条件（m）Fig.2 Numerical model and boundary conditions（m）

按照软基处理设计方案，计算中拟采用的加载方式如图3所示，并简述如下：

1）6 d内真空度到达设计要求的-80 kPa并随后保持不变。

图3 真空联合堆载预压加载示意图Fig.3 Loading scheme of vacuum combined surcharge preloading

2）真空压力达到-80 kPa并保持20 d之后。

3）90 d内分2次填筑共约4 m的路堤堆载（74 kPa）。

4）保持真空压力不变，真空联合堆载预压固结至180 d。

土体本构模型采用剑桥模型，水泥搅拌桩及管桩采用弹性模型，具体参数如表2，表3所示。

表2 各层土体剑桥模型参数Table 2 Soil parameters of Cam-clay model

表3 水泥搅拌桩及管桩参数Table 3 Parameters of cement mixing pile and PHC pile

3 计算结果及分析

图4给出了真空联合堆载预压至180 d时3个方案下加固中心地表处的沉降曲线，可以看到地表沉降最大值稍大于3.5 m，与软基处理方案给出的设计沉降值十分接近。120 d之前，在真空及堆载的联合作用下沉降速率较大，随后沉降速率逐渐减小。方案1与方案2仅仅改变了缓冲区的距离，对沉降并无影响，因此沉降曲线相同。方案3中真空压力减小至-60 kPa，因此加固初期方案3的沉降要小于方案1、2的沉降，但方案3中堆载高度相应的增加了1 m，随着堆载的逐步施加，后期沉降曲线逐渐接近于方案1、2，说明方案3与前两种方案加固效果相当。

图4 地表沉降-时间关系曲线Fig.4 Settlement-time curve at ground surface

图5 给出了3种方案下距加固区右边缘2 m处地表水平位移变化图。此处规定，指向加固区中心的水平位移（收缩）为负，指向加固区外侧的水平位移为正。由图5可知，在20 d之前由于真空压力的单独作用水平位移增大较快，地基变形表现为向内收缩，随后在两级堆载作用下水平位移增长速率有所减小，地基逐渐表现出向外变形的趋势。在两级堆载加载完毕后，地表处负的水平位移又逐渐增大，这是因为在真空联合堆载的作用下加固区周边土体逐渐排水固结，产生向内的环形收缩变形。与方案1相比，方案2中缓冲距离增大为20 m，地表水平位移由73 cm减小为68 cm，减小幅度较小。而方案3中水平位移有了极大的减小，180 d时水平位移约为33 cm。因此减小真空峰值压力，增加堆载高度可以较好的解决水平位移过大的问题，降低真空联合堆载预压对周围环境的影响。

图5 距加固区右边缘2 m处地表水平位移随时间变化（3个方案）Fig.5 Horizontal displacement at the ground surface with 2 m distance from the improved area varies with time(3 schemes)

图6 给出了靠近加固区侧第1排管桩桩顶在3个方案下的水平位移。由图6可知，3个方案下桩顶最大水平位移分别为8.3 cm、6.2 cm和4.1 cm。方案3中，由于堆载荷载增大，第2层堆载施加后水平位移由负变正并随后逐渐减小为0，即在真空压力作用下桩顶先向加固区方向变形，随后在堆载作用下又向背离加固区方向变形，然后随着固结过程逐渐回到初始位置。

图6 第一排桩顶水平位移随时间变化（3个方案）Fig.6 Horizontal displacement of the top of the first row of piles varies with time(3 schemes)

为更加直观的了解真空联合堆载预压对地基及周边环境的影响程度，图7和图8给出了方案3中不同时刻下加固区内外的地基沉降及水平位移，其中水平位移以指向加固区内侧为正。根据加固区外侧的沉降及水平位移分布情况可知，真空联合堆载预压的影响范围为15～20 m左右。由图7可知，加固范围内地表沉降变形呈“锅底形”，与实际工程相符，远离加固区处沉降迅速减小。在加固区右侧，由于水泥搅拌桩墙的约束作用，地表沉降较相同位置加固区左侧的沉降要小，混凝土管桩位置则几乎没有地表沉降变形。由图8可知，加固区内水平位移从加固中心向两侧加固边缘逐渐增大，至加固区外侧2 m处水平位移达到最大值，随后水平位移随着距离的增加又急速减小。由于水泥搅拌桩墙的约束作用，右侧最大水平位移减小了约37 cm。180 d时，加固区外20 m处管桩的最大水平位移约为4.1 cm，最终水平位移接近于0。

图7 加固区内外地表沉降变形分布图（方案3）Fig.7 Settlement deformation distribution inside and outside the improved area(Case 3)

图8 加固区内外地表水平位移分布图（方案3）Fig.8 Horizontal displacement distribution inside and outside the improved area(Case 3)

图9 给出了方案3中地基不同深度处孔隙水压力随时间的变化曲线。由图可见，孔压表现出相似的变化趋势。初期因真空压力作用孔压迅速下降，随后因堆载施工孔压有小幅上升，第1级堆载完成后，孔压又在真空压力作用下固结并产生小幅下降，随着第2层堆载的施工，孔压又产生一次波动，最终在真空压力作用下各层孔压均逐渐消散至稳定。从上至下，各层孔压的消散值约为 48 kPa、50 kPa、55 kPa、60 kPa。

图9 不同深度处孔压随时间变化（方案3）Fig.9 Variationofporepressureatdifferentdepthsvaries withtime(Case3)

4 结语

为降低真空联合堆载预压加固软土路基对邻近建筑物管桩基础的影响，分别考虑设置16 m缓冲区（方案1）、20 m缓冲区（方案2）、降低真空压力峰值并增加堆载荷载（方案3）3种方案，本文利用导入了特殊排水单元的有限元软件对上述3种方案进行了详细的评价，主要结论如下：

1）基于虚拟排水板单元的有限元软件可以用于真空联合堆载预压计算，排水板在虚拟化为体积变化单元时考虑了排水板的三维排水效果，因此可以较好的模拟预压过程中的侧向变形。

2）方案3中由于真空压力峰值较小，加固初期沉降较其他2个方案减少，但由于堆载荷载相应增大，因此后期沉降与其余两方案相差无几，即加固效果满足要求。

3）地表水平位移表明，加载初期仅有真空预压，负的水平位移逐渐增大，地基变形表现为向内收缩，随着地面堆载的逐渐施加，负的水平变形逐渐减小，软土路基存在向外变形趋势。

4）孔压变化表现出明显的波动，在真空压力作用下总孔压迅速下降，随着各级堆载的施工，总孔压又因超静孔压的产生而增加。堆载完成后，各层孔压在真空压力作用下均逐渐消散至稳定。

5）3个方案桩顶最大水平位移分别为8.3 cm、6.2 cm和4.1 cm。方案3中，由于堆载荷载增大，第2层堆载施加后水平位移由负变正并随后逐渐减小为0，即在真空压力作用下桩顶先向加固区方向变形，随后在堆载作用下又向背离加固区方向变形，然后随着固结过程逐渐回到初始位置。