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• 1,狭长型真空预压区边界影响及处理效果模拟分析

狭长型真空预压区边界影响及处理效果模拟分析

摘 要：以某深厚软土地区道路拓宽工程为研究对象，通过数值模拟结果和现场监测数据分析真空预压法处理该类地基的边界影响效应及沉降差异情况。研究表明：当真空预压处理深度较大时，随加固深度的增大，影响范围并未随之增大；拓宽路基横断面方向，新路基路中和右路肩沉降量相近，处理边界附近真空压力衰减不明显；数值模拟结果与现场监测结果基本一致，数值模拟方法能够准确还原土体自身复杂的本构模型，塑料排水板等效砂井亦具有较高的等效性，说明有限元数值方法在土体固结沉降方面有着较为成熟的应用，对未来真空预压法深入研究有着良好的前景。

关键词：拓宽路基;真空预压;边界效应;处理效果;数值分析;

作者简介：陈晓鹏(1973—),男，辽宁铁岭人，本科，高级工程师，主要从事市政及道路工程生产经营管理;

在我国沿海地区分布有广泛的深厚软土，极不利于工程建设，需对其进行加固处理后方能使用。真空预压法是目前处理这类软土地基的一种常用方法，具有工期短、工后沉降小、加固效果好等优点，在工程中得到广泛的应用。该工法在处理新建软土路基方面有一定的应用基础[1,2,3],但对于道路拓宽工程，考虑周边环境的复杂性，该方法鲜为使用。随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的不断成熟，以土体本构模型[4,5]为基础，采用数值计算软件[6,7,8]已能够较为全面真实可靠的反映土体变形发展性状。为研究真空预压法在深厚软土地区道路拓宽工程中应用的情况[9,10],本文依托某拓宽道路工程真空预压试验段，借助有限元分析软件进行数值模拟，对狭长型真空预压区边界影响范围、真空预压区内差异沉降等方面进行研究，分析真空预压法处理拓宽路基的边界效应影响，并与现场实测数据进行对比分析，为该工法在深厚软土地区处理拓宽路基的研究与应用提供借鉴。

某道路拓宽工程位于深厚软土地区，旧路双向四车道，路基宽度约20 m, 拓宽后为双向六车道，考虑左右非机动车道和人行道，路基宽度约40 m。路基下伏土层主要有素填土、淤泥、淤泥质土和粉质黏土以及砂质粘土等，其中淤泥层厚度在10～20 m之间，该层土各项物理力学指标见表1。为消除新旧路基差异沉降，设计采用真空预压法对路基下伏软土层进行加固处理。为满足施工期间通行要求，施工时按左右幅分幅施工，新旧路基同时处理。

表1 典型新路基淤泥层的主要物理力学指标 导出到EXCEL

土体本构模型是一种在试验研究基础上、能够合理描述土体的应力-应变关系特性的数学表达形式，是现代土力学研究中的一个重要而又热门课题。国内外着名的土体本构模型如Duncan-Chang模型、Cam-clay模型、南水模型等，形式简单，参数易于确定，应用较为广泛。沉珠江提出的中国大陆第一个双屈服面弹塑性本构模型[4](简称南水模型),结合了Duncan-Chang模型和Cam-clay模型的优点，分别采用体积屈服面和剪切屈服面来描述土的屈服特性。

南水模型双屈服面方程可用下式表达

F1=p2+r2q2F2=qs/p}         (1)F1=p2+r2q2F2=qs/p}         (1)

相应的体积应变和剪切应变增量为

Δv=Δp/Be+(A1/r2+η2A2)ΔP+η(A1-sA2)Δτ (2)

Δr=Δτ/Ge+2[η(A1-sA2)Δp+(r2η2A1-sA2)]/3 (3)

式中：p=(σ1+σ2+σ3)/3,q=[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ1-σ3)2]1/2/3,η=q/p;Ge和Be分别为弹性剪切模量和体积模量，B3=Eur/3(1-2v),Ge=Eur/2(1+v);ν为弹性泊松比，可取1/3。

在叁轴固结不排水试验条件下，A1、A2为两个塑性系数，按下式计算

A1=r2η(3Et−1Ge)+2√satBe2√(S+r2η2)(2√3r2η−at)A2=3Et−1Ge−2√r2ηatBe2√(S+η2r2)(2√3s+ηat)⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪         (4)at=mβαfSm−1l         (5)A1=r2η(3Et-1Ge)+2satBe2(S+r2η2)(23r2η-at)A2=3Et-1Ge-2r2ηatBe2(S+η2r2)(23s+ηat)}         (4)at=mβαfSlm-1         (5)

其中：Sl=σ1−σ3(σ1−σ3)fSl=σ1-σ3(σ1-σ3)f;(σ1−σ3)f=σcβ;(σ1-σ3)f=σcβ;

β=1−sinϕc2sinϕcβ=1-sinϕc2sinϕc。

Et=Ei(i−RfSl)2Ei=K⋅pa(σc/pa)n}         (6)Et=Ei(i-RfSl)2Ei=Κ⋅pa(σc/pa)n}         (6)

式中：pa为标准大气压力值。

求得塑性系数A1、A2后，即可建立平面应变问题的弹塑性应力应变关系。计算模型中共涉及K、n、φc、Rf、af、m 6个计算参数(K为弹性模量余数；n为切线弹性模量随σ3增加而增加的幂次；Rf为破坏比；φc为摩擦角；af为破坏孔隙压力系数；m为压缩模量随轴向压力增加而增加的幂次。

采用真空预压法处理软土地基时，土体发生固结变形是其水头边界条件改变的结果。对于真空预压法，边界荷载不变，水流边界条件发生改变，随着真空作用点的水头下降，形成由内向外的水力坡降。由上述双屈服面弹塑性模型的应力应变关系结合几何方程、平衡微分方程及水流连续方程，可得到比奥固结理论的求解方程式，然后采用有限单元离散，并结合时间域上差分法分段后得出求解方程式来求解工程中的边值问题。

依据上述南水计算模型，需要确定待求解方程的计算参数。模型计算参数由室内叁轴固结排水剪试验(CD)获得，主要涉及K、Kur、n、c、φ、Rf、G、D和F共9个计算参数，土体分层及各层土体计算参数见表2。

随着有限元理论的不断成熟，数值模拟技术得到了迅速地发展，目前的数值计算软件拥有能够较为真实反映土体性状的本构模型，能够合理模拟软土地基在真空预压处理方法下的固结特性[6,7]。本节借助现有数值计算软件对采用真空预压法处理的软土进行模拟，研究分析真空预压法处理拓宽路基的边界效应影响。

表2 土体分层及各层土体参数 导出到EXCEL

本工程为道路拓宽工程，拓宽后的路基宽度为40 m, 为研究真空预压法对周边既有道路或建筑物的影响，在拓宽后的路基两侧分别设置宽度为30 m的区域，研究真空预压法的边界影响范围以及差异沉降。根据现场资料，可将土层分为叁层，分别是杂填土、淤泥和粉质黏土，厚度依次为2.85、10.80、1.70 m。塑料排水板的宽度为100 mm, 厚度为4 mm, 与周围土体尺寸(指排水板间距)为1.2 m, 等效后砂井半径为0.026 mm。在加固区内，为提高计算精度采用较密网格进行划分，在加固区外，沿加固区边界向外网格逐渐稀疏，网格划分情况如图1～图2所示。计算模型顶部边界设置为自由排水面，且位移自由；底部边界设置为不透水面，并固定叁个方向的位移。

图1 真空预压软土处理的网格划分情况 下载原图

图2 塑料排水板(即等效砂井) 单元的网格划分情况 下载原图

真空预压法对软基处理的边界影响，通常表现为加固区外特定范围内的深层水平位移情况以及地表裂缝等情况。本文依托工程全线距离长，不同里程软基处理深度也不一样，选取该工程的11个典型断面进行数值模拟，真空预压处理深度在11.0～25.8 m之间，图3反映了不同排水板打设深度对固结区边界的影响情况。

图3 真空预压法边界影响范围监测数据与模拟数据 下载原图

从图3中可以看出：当真空预压处理深度大于10 m时，随着处理深度的增加，边界影响范围并没有随之增大，真空预压法对加固区外的影响范围在6～7 m之间，表明真空预压法作为一种常规的软基处理方法，不至于造成加固区外建筑物较大的影响，保证加固作业质量的同时保障受扰建筑的安全；数值模拟结果与现场监测数据相比，整体模拟的边界影响范围要大于现场监测的影响范围，但整体趋势一致，均表现为随加固深度增大影响范围趋于稳定，产生结果上差异的主要原因可能是数值模拟方法考虑因素不足或者作业现场真空荷载传递损失等。

通过有限元数值计算软件的模拟分析，得到加固区新拓宽路基土体沉降随时间的变化曲线，选取的位置和监测位置一致，沉降曲线如图4所示。

从沉降曲线图4中的数值计算结果可以看出：在真空压力持续作用180 d的情况下，左侧路肩的模拟沉降量在50 cm左右，总的沉降量较小，主要是由于该路肩与旧路基搭接，旧路基软基经过处理，下伏软土已经发生很大程度的固结；拓宽路基路中及右路肩区域主要分布着原状软土，沉降较左路肩大，说明真空预压法在软基处理过程中达到了较好的固结效果；数值模拟得到的沉降量随真空预压作用时间逐渐增大，与现场监测曲线基本吻合，说明现有的有限元数值计算软件能够很好的模拟土体复杂的本构关系，等效砂井也能够很好的模拟排水板的效应，为真空预压的理论研究提供可靠的数值方法。

图4 典型断面数值模拟沉降曲线 下载原图

本文主要研究真空预压法在道路拓宽工程中的应用，以某深厚软土地区拓宽路基为例，采用数值模拟方法研究边界影响范围及拓宽路基的差异沉降，得到主要结论如下。

(1)现场监测数据以及数值模拟数据均表明：当软土处理深度较大时，随着加固深度的增大，影响范围并未随之增大，稳定在加固区边界6～7 m的范围内，验证了真空预压法处理软土地基的可行性；

(2)拓宽路基横断面方向，新路基路中和右路肩沉降量相近，未出现明显的差异沉降，表明采用真空预压法处理狭长型道路拓宽工程是可行的，处理边界附近真空压力衰减不明显，边界位置地基处理效果良好；

(3)采用有限元方法进行真空预压处理软基的模拟，南水模型能够准确还原土体自身复杂的本构模型，塑料排水板等效砂井亦具有较高的等效性，模拟得到的沉降结果与监测数据基本吻合，说明有限元数值方法在土体固结沉降方面有着较为成熟的应用，对未来真空预压法深入研究有着良好的前景。

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