联合预压法地基处理研究

张小飞

（温州地顺地质勘察有限公司，浙江 温州 325014）

1 引言

真空联合堆载预压加固法能有效加固软土地基，其具有成本低、施工简单、工期短等优势，并且能很好地提升软土地基的承载力。众多的科研工作者对地基加固方法开展研究，真空联合堆载预压加固法已成为当前研究热点之一。20 世纪90年代，瑞典的Kjellman[1]教授创立了真空预压法，随后真空堆载联合预压法得到广泛应用。一些学者[2-4]基于土体固结理论对真空预压土体固结进行分析，他们普遍认为，负压条件下土体固结和正压条件下土体固结一样。但求解结果与实际情况差异显著，无法满足实际工程的需求。随着计算机技术的发展，出现了各种有限元软件，采用数值模拟方法能更好地研究该工艺。基于有限元软件，一些学者[5-7]通过分析得出真空联合堆载预压加固在处理软土地基效果很好。

本文基于某软土地基工程，通过有限元软件模拟真空联合堆载预压加固地基过程，并着重讨论排水板渗透系数、排水板间距和真空压力衰减率对加固效果的影响。

2 工程概况

该工程所属地区空气湿润，常年下雨，温度在15~35 ℃。该城市广泛分布着软土，地质条件复杂，软土厚度约为30 m。软土因其孔隙大、含水量高、渗透性差、强度低等缺点，给工程施工增加了很大的难度。考虑场地施工条件，为了保证项目的施工质量和安全性，该项目决定采用真空联合堆载预压加固软土地基。

3 三维有限元模型

利用有限元软件建立二维有限元模型，采用真空预压和堆载预压相结合的方法对软土地基进行处理。由于模型对称，建立1/2 地基模型进行分析，模型宽度设为150 m，深度设为41 m。地基加固区域为模型左侧50 m 范围，排水板的深度为24 m，布置间距为1.2 m。模型底部设置为固定端，模型左右两侧均为法向约束，模型表面加固区设堆载和真空荷载，加固区范围外设为自由边界。

真空联合堆载预压法是将塑料排水板插入地基，传递真空负压并进行排水。采用等效原则，将塑料排水板转化为沙井以便真实地模拟排水情况。根据Hansbo 理论，模型中砂井直径可设为等效的排水板直径，砂井直径根据式（1）计算：式中，a为排水板的宽度，mm；b为排水板的厚度，mm；dw为砂井直径，mm。

根据Hansbo 理论，忽略井阻效应和涂抹效应，土体在轴对称下的水平渗透系数kh与平面应变下的水平渗透系数khp关系满足式（2）：

式中，n=B/dw，B取砂井总范围宽度的1/2。

根据上述等效理论，排水板的参数取值见表1。

表1 排水板参数

4 数值计算结果分析

4.1 模型有效性验证

图1给出了地基沉降和水平位移的数值结果与实测结果的对比曲线。如图1a 所示，在加固过程中，地基在初期沉降速率较大，地基沉降在堆载预压期的沉降量约占地基总沉降的30%。这是因为在加固初期，土体的淤堵现象还不明显，土体的排水速率较高，即加固初期土体的固结程度良好，这样能缩减土体后期的固结时间。

图1 有限元结果与实际监测结果的对比

如图1b 所示，在加固过程中，随着地基深度的增加，水平位移快速递减，水平位移与深度呈负相关。可见，在地表埋深5 m 以内的水平位移较大；深度大于10 m 时，水平位移可忽略。可见随着深度的增加，真空预压的效果逐渐减弱。

利用实际工程监测数据与有限元数值试验结果相比较，验证了模型的有效性和正确性，可见本模型在材料参数选取和边界条件、有限元网格划分设定等方面较为合理。在此基础上，进一步对排水板渗透系数、排水板间距和真空压力衰减率的影响进行了系统讨论。

4.2 不同影响因素的分析

真空联合堆载预压法加固效果的重要影响因素之一是塑料排水板的排水能力。排水能力越好，则地基加固的效果越好。因此，通过改变塑料排水板的渗透系数来研究排水能力对地基加固效果的影响。建立30 种不同的渗透系数工况，30 种工况下的渗透系数k分别为2.4×10-3cm/s、2.4×10-4cm/s 以及2.4×10-5cm/s。图2 展示了不同工况下的地基沉降情况。

观察图2 可以发现，地基沉降与渗透系数正相关，渗透系数越大，同一时长下的地基沉降就越大。渗透系数为2.4×10-3cm/s 时，该软土地基模型的沉降量最终值大约在3.5 m附近；渗透系数为2.4×10-4cm/s 时，该软土地基模型的沉降量最终值大约在3.2 m 附近，较前者减小了约8.5%；渗透系数为2.4×10-5cm/s 时，该软土地基模型的沉降量最终值大约在2.85 m 附近，相较于第一种工况减小了约16.8%。进一步观察可知，随着排水板渗透系数的变大，地基固结时间逐渐缩短。这是因为加固过程中，地下水在渗透系数更大的排水板下能更快速地排出，地基土固结时间缩短，由此地基土体固结程度更佳，沉降量也更大。此时，真空联合堆载预压法加固效果也更好。

图2 不同渗透系数下的地基沉降曲线

真空压力对地基加固效果也有不可忽略的影响。为了研究此影响，保持最大真空压力不变，仅改变真空压力的衰减率，建立3 种不同底部压力的工况，分别为0 kPa，-15 kPa 和-30 kPa（衰减率分别为3.2 kPa/m、2.6 kPa/m、2 kPa/m）。图3 给出了3 种真空压力工况的示意图。图4 给出了不同真空压力下的地基沉降曲线。

图3 3 种真空压力工况的示意图

从图4 中可以看出，随着真空压力衰减率的增大，地基沉降显著减小。当真空压力衰减率为2 kPa/m 时，地基最终沉降量约为2.2 m；当真空压力衰减率为2.6 kPa/m 时，地基最终沉降量约为2.0 m，较真空压力衰减率为2 kPa/m 工况约减小了9%；当真空压力衰减率为3.2 kPa/m 时，地基最终沉降量约为1.7 m，较真空压力衰减率为2 kPa/m 工况约减小了23%。即使减小了真空压力的衰减率，较大的真空压力也存在于较深层的土体中，对地基深处的土体加固效果更好。

图4 不同真空压力下的地基沉降曲线

5 结论

本文基于某实际工程，利用有限元软件建立数值模型模拟真空联合堆载预压加固地基过程。对比数值结果与实测结果，确认模型的合理性。进一步分析排水板渗透系数、排水板间距和真空压力衰减率对加固效果的影响。主要结论如下：

1）地基在加固过程中，初期沉降速率较大，在地表埋深5 m 以内的水平位移较大，深度大于10 m，水平位移可忽略。

2）排水板渗透系数和真空压力均对地基沉降有显著影响。排水板渗透系数越大、真空压力沿深度衰减率越小，真空联合堆载预压加固地基效果越佳。