PC桩联合塑料排水板堆载预压法处理软基数值模拟探析*

李雪锋,赵 倩,王翀霄,程钰博,李耀东,徐振扬

（1.昆山市交通工程质量监督站，江苏 苏州 215300，2.河海大学，江苏 南京 210098）

软土的工程特性差，天然含水量高，强度低，透水性差，压缩性高，易受扰动影响，故工程中常常需要对软土地基进行处治[1]。对于软土层深厚而不均匀沉降要求较高的场地，如桥头段，往往会采用塑料排水板堆载预压法加速排水固结，使地基土在短时间内获得较高的强度[2]。或是通过施打桩基提高地基承载力，使地基满足上部结构所需的强度。两种方法的出发点均是使地基获得一定的强度，并保证工程建筑物在使用过程中的不均匀沉降或沉降减小。

软土路基固结沉降数值计算的软件较多，其中ABAQUS常用于复杂的3D建模分析，而道路横断面固结沉降计算采用PLAXIS 2D即可满足要求，且数值分析效率较高。文章采用PLAXIS 2D有限元软件，对昆山市312国道青龙港桥头段进行数值模拟，通过工后沉降分析，找到最优桩间距、塑料排水板长度及预压时长方案，为实际工程设计和施工提供依据。

1 工程概况

312国道苏州东段改扩建工程KS3标全长3.071km，其中K64+714.5～K64+744.5为桥头段，桥头段标准横断面宽度为32.612m，双向六车道。根据区域地质资料结合勘察成果，拟建工程桥头段上部为少量素填土，大量分布淤泥质粉质黏土（②2层），呈流塑态，工程特性差，厚度可达12～15m。下部分布粉质黏土（⑤1层）和粉土夹粉质黏土（⑤2层），压缩性中等，工程特性一般。地基土的主要性能指标如表1所示。

2 数值建模

原方案拟对工程场地等载预压6个月，不设塑料排水板，施打PC-400预应力管桩，长度21m，间距2.8m，布置形式为正方形，铺设钢塑格栅。

由于拟建工程桥头段软土层较深厚，为了加速排水固结，拟采用塑料排水板预压法处理地基，通过PLAXIS 2D建模确定合理的排水管长度及间距。塑料排水板选用A型，排水板截面尺寸为100mm×3.5mm（宽×厚），按等边三角形排列，间距l=1.1m。该类型排水板适用于打设深度小于15m。堆载预压为等载预压，高度为0.9m。同时，PC-400预应力管桩的布置间距也需通过建模分析优化。

表1 地基土层参数

为了找到减小地基沉降的最优方案，设置桩间距不同的一组模型计算，同时改变塑料排水板长度以及预压时长，确定塑料排水板预压方案。

2.1 几何模型建立

本项目选用平面应力模型，15节点三角形单元，选择桥头段淤泥质土层最厚的断面进行分析。所有的材料和其他土层的本构模型均采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。路基宽度为32m，边坡坡度为1∶1.5，高为2.4m。路基土采用分层碾压填筑，每层高度为0.8m。由于道路的对称性，建立模型时取道路单侧进行模拟即可，为了尽可能消除边界对计算结果的影响，地基土宽度取40m，深度取30m。

将实际问题转化为二维平面问题，需要对模型设置基本假定条件。路面、土层均假设为水平面；模型两侧均关闭水流边界、固结边界，即无水平方向流向，底部为透水边界；对水平、竖直方向的位移同时约束。几何模型如图1所示。

图1 几何模型

2.2 模型参数计算

Chai[4]指出，从宏观意义上看，在土层中打入塑料排水板的处理效果在于提高土层的竖向渗透系数。因此，模拟塑料排水板加固土层时，可以采用一个等效的竖向渗透系数来代替原土层的竖向渗透系数[5]。该简化方法可以完成塑料排水板三维问题向二维问题的简化，其简化过程中参数少，物理意义明确，能有效地满足工程计算的需要[6-7]。

等效竖向渗透系数kve可按下式计算：

式中：n=De/dw，De为有效排水直径（根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012），等边三角形排列De=1.05l）；dw为等效砂井直径，dw=0.75（b+δ）；h为各层地基土的排水路径（底部透水单向排水情况下，即为每层土中排水板长度）；ds为涂抹区直径（根据经验可按ds=3dm估算，dm为插板机芯轴直径）；Ss=ds/dw；kh/ks为非涂抹区渗透系数和涂抹区渗透系数之比（根据经验取5.0）。

经计算，原土层的竖向等效渗透系数如表2所示。

表2 施打塑料排水板后土层等效竖向渗透系数

3 计算结果分析

原方案施工结束时的路堤沉降约为11.67cm，总沉降为17.94cm，与原设计方案书中测算相差不大。工后沉降约为6.27cm，符合《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）的沉降要求[7]。因此，建立的模型合理，符合工程实际。模型沉降云图如图2所示。

图2 原方案施工结束时模型沉降云图

3.1 改变布桩型式

改变桩间距建模计算得到工后沉降，选取不同桩间距对应的工后沉降进行Gauss曲线拟合如图3所示。可以看出工后沉降随桩间距减小而减小，但减小的幅度（即曲线斜率）也逐渐减小，在桩间距小于2.6m时，工后沉降的降幅较小，在保证处理效果和经济合理的前提下，桩间距取2.6m为最优方案。

图3 不同桩间距对应工后沉降曲线拟合

3.2 塑料排水板堆载预压处理

实际工程中由于工期紧张的原因，需要采取能使地基快速排水固结的处理方法，其中塑料排水板能改善地基土渗透系数，建立孔隙水快速排水通道。塑料排水板长度为10m时，分别预压1个月、2个月、3个月、4个月；塑料长度为12m、13m、14m、15m时，均预压3个月。建模得到工后沉降分别如图4～图5所示。

图4 改变塑料排水板堆载预压天数处理工后沉降

由图4可知，排水板联合等载预压对软土地基排水固结具有较好的处理效果，在工期紧促的情况下，能够较大压缩固结时间。在深厚且渗透性较差的淤泥质软土中，排水板作为渗透性较好的通道，不仅能改善渗透性能，还能有效缩短孔隙水排出路径，加速土颗粒间水排出进而达到加速固结、减小工后沉降的效果。从工后沉降来看，排水板长10m，等载预压4个月能达到原方案（等载预压6个月）效果，即在工期紧促的情况下，采用排水板10m，等载预压4个月是合理的。

图5 改变塑料排水板长度堆载预压处理工后沉降

由图5可知，排水板长度为13m、14m时，与原方案的处理效果相近。这表明，排水板联合堆载预压处理法在淤泥层中的处理效果较好，能够改善软土较差的渗透性能，当排水板完全打穿淤泥层时，辅助排水作用最好。而排水板长度为15m时，处理效果较14m时变化不大。随着排水板打穿淤泥层后深入渗透性较好的粉质黏土层，排水板对粉质黏土层的影响不大，因而工后沉降变化较小。

4 结束语

文章通过有限元软件PLAXIS进行数值模拟得到沉降数据，对312国道桥头段地基处理进行了方案优化。通过对比选择，认为312国道桥头路段采用桩间距为2.6m、塑料排水板堆载预压3个月、排水板长14m的方案时，能较好地减少沉降和不均匀沉降，并兼顾经济效益；考虑经济性的前提下，不建议采用长度大于14m的排水板。