堆载作用下塑料排水板和袋装砂井联合加固软基有限元分析

王志宏，刘 杰，付贵海

(1. 常德市经济建设投资集团有限公司，湖南 常德 415000；2. 湖南省建筑设计院集团股份有限公司，长沙 410000；3. 湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

我国沿海地区广泛分布着海相软弱场地，这类软土主要由淤泥沉积物和少量腐殖质土组成，具有高含水量、高孔隙比、高压缩性、低抗剪强度、低渗透性、低承载力等特点[1]，需进行加固处理后，才能满足工程需要.国内部分学者对软基处理问题进行了深入研究，如张军辉[2]针对不同软基处理方法对新老路软基间的变形扰动和变形特性问题进行了数值分析；高明军等[3]对新吹填超软土采用无砂垫层改性真空预压结合覆水预压法进行了试验研究，获得了良好的加固效果；陈杰[4]针对软基处理方案影响因素的不完整性和不确定性，提出了基于多层次模糊理论的高速公路软基处理方案决策模型.目前，工程实践中有许多常见的软基加固处理方法，如砂桩法、综合注浆法、置换法、塑料排水板堆载预压法、真空预压法等[5].其中，综合注浆法在人工挖孔桩软基处理时对桩深有一定的要求[6]；塑料排水板堆载预压法由于其造价低廉，施工方法简便，在大面积软基加固处理工程中取得了良好加固效果，与其他几种软基处理方法相比具有其独特的优势，在国内的软基处理工程中已得到广泛应用[7]；袋装砂井在可操作深度12 m 以内且软土较厚的地区处理效果较好[8]；塑料排水板在深厚层软土基和缺砂软基地带固结效果较好，但对于一些含有塘埂、岸堤和人行道路网等复杂软土场地，在含水率小和压缩系数低的较硬区域施工效果不理想，故在工程实践中有必要考虑其他排水通道[9].目前，对于在同一软基场地上联合应用不同排水通道的工程实例和数值分析研究比较匮乏，因此开展此方面的相关研究具有重要的工程应用价值及理论意义.

本文参考某快速轨道交通线的软基处理工程实例，在大面积深厚软基采用塑料排水板和小部分较硬区域采用袋装砂井联合堆载预压的加固方法[10]，结合Biot 三维固结理论[11]，利用Abaqus建立塑料排水板和袋装砂井联合超载预压区域软基的三维有限元模型，分析在二者共同排水作用下堆载预压区域土体的固结情况、堆载作用下软基土体的有效应力分布、地表沉降和孔隙水压力消散规律.

1 有限元模型

1.1 工程概况

某快速轨道交通线的软基处理工程区域现为大面积鱼塘，有少量房屋.根据地质勘查报告，场地预处理的地基为饱和软土，厚度不均匀，平均厚度约10 m[12].采用塑料排水板和袋装砂井联合堆载预压加固地基的处理方案，其中，鱼塘内部采用排水板处理(正三角形布置)；人行便道处采用埋置砂袋作砂井处理(砂井为梅花形布置)；鱼塘间的塘梗便道处采用单排砂井处理.

1.2 有限元模型的建立

砂井或排水板地基固结的常规处理方法一般是将其简化为平面应变或单井轴对称分析[13]，这不能完全体现排水板的三维特征.对于复杂场地软基处理，塑料排水板和砂井联合布置的地基固结过程为典型的三维问题，只能用三维固结有限元来计算.根据现场基本情况，选取既能考虑排水板联合砂井的排水固结，又能反映整个区域绝大部分沉降情况的代表性区域作为建模对象，并取2 倍饱和软土处理区的深度为下卧层以消除边界条件的影响.根据鱼塘和塘埂的宽度以及排水板尺寸，建立长为3 m，宽为1.04 m，高为30 m的有限元模型(见图1).塑料排水板长×宽尺寸为100 mm×4 mm，砂井直径为400 mm.

图1 有限元分析模型

建模时排水板的截面尺寸与周围土体尺寸相比非常小，其主要功能是增加渗透性，力学性能是次要的.因此，可以假设排水板的力学性能与处理区软土的力学性能相同，砂井的力学性能亦按处理区软土的力学性能相同处理.土体、排水板以及砂井均采用弹性模型.模型所用材料的参数见表1，其中饱和软土层的下卧层为粉砂，且为透水层.

表1 模型材料参数

在图2模型中，呈三角形布置了5个排水板，间距1.2 m.砂井位于塘埂中央，因其具有对称性，取原模型1/4 研究.对模型的位移边界条件作以下假定：①对称性模型的砂井边界和排水板1 边界的水平位移为0；②竖直方向允许发生位移；③图1 中下卧层底部设为不排水边界.固结分析中的位移边界条件的类型和处理方法与一般弹性力学问题有限元法中的边界条件完全一样，其初始地应力由Abaqus 软件地应力模型计算，并通过后续不断加载完成模型排水固结计算.

图2 塑料排水板与砂井联合处理区域

2 计算结果与分析

根据工程实践，填土的重度取值为19 kN/m3，为了提高孔隙水压力计算的精度，填土堆载过程分3 级进行，预压固结计算总时程为270 d.

2.1 地表沉降分析

为简便处理且具代表性，选取模型表面中心点进行分析，其堆载-沉降-时间曲线见图3.由图3可以看出，在3 级荷载持续加载过程中，软基沉降迅速增加；加载结束后，沉降逐渐趋于稳定，此时软基土体基本处于稳定状态直至最终固结.

图3 模型表面中心点地表沉降曲线

图4 为不同级填土堆载后软土处理区的沉降云图.当第1、2、3 级堆载加载完成时，软土处理区表面分别产生沉降为0.192 3、0.548 5 和0.825 1 m；底部分别沉降了0.141 4、0.376 7 和0.543 3 m.当第1 级堆载完成时，软土处理区可近似为均匀沉降，这说明塑料排水板加砂井联合布置方案是可行的.整体沉降值跟现场监测的实际数据较为吻合，这说明上述三维有限元模型能较好地模拟实际软土区的固结沉降情况.当3 级加载刚结束时，地表沉降为0.825 1 m，而经过3级堆载并在塑料排水板和袋装砂井联合处理下固结排水170 d 后，处理区的地表最终沉降达到了0.978 7 m，相较未经处理时的沉降降低了18.6%.这表明，原堆载软土地基在塑料排水板和袋装砂井联合处理下得到了有效固结.

图4 不同级填土堆载后软土处理区的沉降云图

2.2 超孔隙水压力分析

图5 中加固处理区域孔隙水压力并未均匀分布，主要跟土体的受力和排水条件有关.当第1、2、3 级堆载加载完成时，排水板区域最大超孔隙水压力分别达到了48.24、93.13 和100.09 kPa，随着堆载施加，排水板超孔隙水压力显著增加.当第3 级堆载加载完成并固结170 d 后，塑料排水板处土体排水迅速，其最大超孔隙水压力降至5.58 kPa，这说明采用塑料排水板和袋装砂井联合固结排水法处理这类复杂软基的效果较好.

图5 不同级填土堆载后软土处理区超孔隙水压力云图

图6 为排水板不同深度处超孔隙水压力-堆载时程曲线.由图6 可知，堆载施加的过程中土体内部的孔隙水压力迅速增加，且堆载施加后的静置时段内，土体内部的孔隙水压力逐渐消散.最终，3 级堆载施加完毕并静置170 d 后，土体内孔隙水压力逐渐至完全消散.

图6 排水板不同深度处超孔隙水压力-堆载时程曲线

在同一堆载时间段内，土内埋深2 m 处的超孔隙水压力和埋深8 m 处的超孔隙水压力几乎相等；软土处理区中央埋深5 m 处的超孔隙水压力最大，处理区表面和底部则较小.这是由于软土处理区表面是排水边界，底部下卧层为透水砂层(即排水边界)所引起的.因此，出现了处理区上下两端超孔隙水压力较小，中间区域超孔隙水压力最大的现象.

2.3 有效应力分析

图7 为填土堆载前后不同阶段软土处理区的有效应力云图.由图7 可以看出，软土处理区的有效应力从表面沿深度向下逐渐增大，且至固结稳定后，软土处理区的底部最大有效应力达297.5 kPa.

图7 堆载过程中软土地基的有效应力云图

图8 为堆载过程中不同位置的有效应力曲线.由图8 可知，随着载荷不断增加，砂井和排水板处水体不断排出，土体有效应力逐渐增大；由于加载阶段超孔隙水压力来不及消散，故土体有效应力呈曲线变化；固结稳定后，其有效应力沿深度方向线性变化.

图8 堆载过程中软基沿深度方向的有效应力曲线

图9 为不同埋深处模型四周各点对应的有效应力随堆载的关系曲线，其中凸点处为排水板及砂井所对应的位置.因排水板和砂井的渗透系数较大，故二者对应的超孔隙水压消散较快，土体有效应力也增长较快.且因砂井的直径较大且其渗透系数大于排水板的渗透系数，使其处理区的有效应力增长最快，随着堆载增加，土体有效应力的增长较为显著.另外，随着土层深度的增加，同一深度处的土体有效应力愈趋于统一.

图9 不同埋深处模型四周各点的有效应力关系曲线

3 结论

1)经过3 级堆载并在塑料排水板和袋装砂井联合处理下固结排水170 d 后，处理区地表最终沉降较未经处理时降低了18.6%，土体最大超孔隙水压力降至5.58 kPa；排水板与砂井联合加固复杂深厚软土场地，具有较好的适用性，且可减少堆载预压对加固软基外部土体的影响.

2)软土处理区地表沉降主要集中在堆载阶段，工后沉降较小，且在每级堆载过程中，土体内部的孔隙水压力迅速增加；在每级荷载施加后的静置时段内，土体内部孔隙水压力逐渐消散；当下卧层为透水层时，软土处理区中央超孔隙水压力最大，处理区表面和底部的压力较小.

3)排水板联合砂井处理的土体随着载荷不断增加，孔隙水不断排出，有效应力逐渐增大.其中，砂井处理区的有效应力增长最快；加载过程中土体有效应力呈曲线变化；固结稳定后，其有效应力沿深度方向线性变化.