陳錫陽,印長俊,馬石城,楊 俐

(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,湘潭 411105)

真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓軟土固結(jié)理論和ABAQUS模擬分析

陳錫陽,印長俊,馬石城,楊 俐

(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,湘潭 411105)

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法是加固軟土地基的一種有效的方法.采用等效砂墻地基法,以江門市濱江大道軟土路基處理工程為算例,用ABAQUS軟件對(duì)真空-堆載預(yù)壓加固軟基中的豎向位移的影響范圍進(jìn)行有限元分析.在模擬過程中考慮滲透系數(shù)隨飽和度的變化,這樣模擬的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合,說明模擬得到的數(shù)據(jù)能更加準(zhǔn)確的反應(yīng)真空-堆載預(yù)壓軟基的實(shí)際情況,計(jì)算結(jié)果可以給軟土地基處理提供參考.

真空-堆載;ABAQUS軟件;滲透系數(shù);沉降;飽和度

0 引 言

在我國沿海和內(nèi)陸地區(qū)廣泛分布海相沉積、湖相沉積和河相沉積的軟弱黏土層.這種土的特點(diǎn)是含水量高,壓縮性大,強(qiáng)度低,透水性差.由于其壓縮性高、透水性差,在建筑物荷載作用下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的沉降和沉降差,而且沉降過程延續(xù)的時(shí)間可能很長,有可能影響建筑物的正常使用.另外,由于其強(qiáng)度低,地基承載力和穩(wěn)定性往往不夠,不能滿足工程要求.真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法是一種行之有效的加固軟土地基的方法,該方法是在真空預(yù)壓法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,具有真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的雙重效果,這種加固方法可增加地基的穩(wěn)定性,加固時(shí)間也相對(duì)較短,是工程中較常使用的軟土地基加固方法.

本文以江門市濱江大道軟土路基處理工程為算例,用ABAQUS軟件對(duì)該實(shí)例進(jìn)行模擬,建立合理的有限元模型,對(duì)真空-堆載預(yù)壓加固軟基進(jìn)行數(shù)值分析[1].在數(shù)值分析中采用等效砂墻地基法,在建立砂井地基與等效砂墻地基的滲透系數(shù)換算關(guān)系式后,根據(jù)比奧固結(jié)理論,在ABAQUS中設(shè)定 滲透系數(shù)隨飽和度的變化,材料的本構(gòu)模型采用線彈線模型[2].數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果與該實(shí)例的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,并且對(duì)實(shí)例的加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和該方法模擬真空-堆載預(yù)壓軟土的優(yōu)越性.

1 工程概況和地質(zhì)情況

該工程是該地區(qū)城市規(guī)劃中的一條觀光大道,為提高城市品味,體現(xiàn)交通與人文景觀相結(jié)合的理念,充分運(yùn)用清澈見底的西江水環(huán)境,擬建公路線路走向主要沿著西江方向,與江堤并行.研究區(qū)內(nèi)第四系沉積類型較多,以殘積、坡積、洪積、沖積為主,并以濱海三角洲(海陸交互)相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土層厚度較大,分布范圍廣泛.根據(jù)鉆探及試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)段地質(zhì)情況如表1所示.

表1 土體主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 理論分析

依據(jù)固結(jié)度等效的原則,對(duì)砂井的處理barron(巴隆,1949),和 Hansbo(漢斯波,1981)提出了自己的理論.目前,主要處理方法有兩類:一種是將砂井加固的基地簡(jiǎn)化成滲透系數(shù)較大的天然層地基(即均質(zhì)地基)進(jìn)行計(jì)算[3];另一種是將砂井轉(zhuǎn)化為砂墻,對(duì)砂井間距和砂井滲透系數(shù)進(jìn)行等效調(diào)整,來簡(jiǎn)化計(jì)算[4].

在處理砂井問題是可以先把砂井轉(zhuǎn)化為砂墻問題[5].砂井固結(jié)中,Hansbo在推導(dǎo)過程中曾假設(shè)Zlr(徑向固結(jié)度)在豎直方向不變,相比之下,Barron理論則假設(shè)其隨著深度變化,因此更具有嚴(yán)密性.對(duì)砂井地基進(jìn)行平面應(yīng)變有限元分析,把砂井地基變成了砂墻地基的同時(shí),還應(yīng)在劃分網(wǎng)格調(diào)整砂井(即砂墻)的間距.這些處理應(yīng)保證處理前后地基的平均固結(jié)度或同一深度處的平均孔壓保持不變的前提下進(jìn)行.這可以通過在平面應(yīng)變有限元計(jì)算時(shí)調(diào)整砂井地基的實(shí)際滲透系數(shù)來實(shí)現(xiàn).由此,趙維炳得到平面應(yīng)變有限元計(jì)算中所采用的水平和豎直滲透系數(shù)kxp,kzp分別是實(shí)際砂井地基水平和豎直滲透系數(shù)kra,kza的Dx和Dz倍,即

Dx為水平滲透系數(shù)的調(diào)整系數(shù):

Dz為豎直滲透系數(shù)的調(diào)整系數(shù);

其中:

np=B/rwpsp=rsp/rwpv為泊松比

L=B/re L為砂井間距的放大倍數(shù)

β=kra/ks p

n=re/rwa為砂井的井徑比,s=rs/rwa涂抹區(qū)半徑與砂井半徑之比,rwa為砂井半徑,rs為涂抹半徑,ksp為涂抹區(qū)滲透系數(shù),rwp為砂墻厚度的一半,B為砂墻間距的一半,rsp為涂抹區(qū)外緣離中心的距離,rs為單井的有效排水半徑.

根據(jù)實(shí)例的數(shù)據(jù)進(jìn)行砂井參數(shù)調(diào)整,如表2所示.

表2 砂井參數(shù)調(diào)整

本文還考慮了滲透系數(shù)隨飽和度變化,材料滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力、飽和度隨基質(zhì)吸力的關(guān)系為[6]:

式中Kws是土體飽和時(shí)的滲透系數(shù),ua和uw分別是土體中的氣壓和水壓力.aw、bw、cw是材料系數(shù).

式中Sr為飽和度,Si為殘余飽和度,Sn為最大飽和度 ,as、bs 、cs是材料系數(shù) .

根據(jù)實(shí)例的參數(shù),再把式(5)和式(6)中的參數(shù)也設(shè)定好,得出如圖1和圖2所示.

3 實(shí)例模擬和沉降量的對(duì)比

由于對(duì)稱性,僅取加固區(qū)一半作分析,中心為對(duì)稱軸,取整個(gè)地基的一半建立型.根據(jù)土質(zhì)條件及真空預(yù)壓的影響范圍,地基的計(jì)算寬度為80 m,其中30 m是加固區(qū),50 m是影響區(qū).按土質(zhì)條件及真空預(yù)壓的影響深度,計(jì)算深度取40 m.土體單元采用耦合的空隙流體/應(yīng)力單元CPE4RP,土體模型采用摩爾庫倫模型,分析模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示:

圖3 分析模型的網(wǎng)格劃分

模型中的邊界條件如下:左右兩邊均為不透水邊界,且只有垂直沉降,無水平位移;底面為無位移邊界;頂面為自由排水邊界,沒有堆載的一邊設(shè)為空壓為零的透水邊界條件,堆載區(qū)就設(shè)孔隙水壓力為膜下真空度值.

計(jì)算真空預(yù)壓時(shí),讓加固區(qū)表面各點(diǎn)的孔壓按線性從0減少到一80 kPa,然后保持不變;在堆載時(shí)按實(shí)際加載曲線分級(jí)施加上去.真空卸載時(shí),讓加固區(qū)表面各點(diǎn)的孔壓按線性從一80 kPa增加到0.真空聯(lián)合堆載加載曲線如圖4所示.

圖4 荷載與時(shí)間的關(guān)系圖

模型建好后就對(duì)地基沉降進(jìn)行分析,模型的沉降云圖如下圖5所示.

圖5 模型最終的沉降云圖(變形圖)

本人取出模型中沉降最大的中心點(diǎn)的沉降計(jì)算值與實(shí)際中心點(diǎn)的沉降實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如下圖6所示.

圖6 地基的中心點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)比圖

如上圖示黑色的曲線是實(shí)測(cè)值和紅色的曲線是模擬計(jì)算值,兩者的曲線比較接近,這說明模擬是非常成功的.在預(yù)壓的后期,模擬計(jì)算值和實(shí)測(cè)值有偏差,但總的趨勢(shì)還是一致的.地基中心的沉降計(jì)算值為2.033 m和實(shí)測(cè)值為2.021 m,計(jì)算值比實(shí)測(cè)值稍大,可能是由于未考慮打設(shè)砂井和砂墊層施工對(duì)土體的影響造成的.

4 結(jié) 論

(1)計(jì)算結(jié)果表明:在模擬過程中分別考慮和沒有考慮滲透系數(shù)隨飽和度變化模擬真空-堆載預(yù)壓,得出的結(jié)果分別和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,得出考慮滲透系數(shù)的計(jì)算值更加接近實(shí)測(cè)值.

(2)采用等效砂墻地基法處理排水板,處理后在模擬進(jìn)行有限元分析得出的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較符合.

(3)用本文章的方法在ABAQUS模擬真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓軟土,得出的計(jì)算值都比實(shí)測(cè)值都大,在模擬過程難免會(huì)出現(xiàn)誤差,但總體看起來比較符合實(shí)際,說明采用此方法是比較合理的.

(4)本文在模擬過程中加入了滲透系數(shù)的變化,這樣更加逼真模擬預(yù)壓的實(shí)際情況,使模擬得出的計(jì)算值更加準(zhǔn)確,更加有參考價(jià)值.

(5)用ABAQUS軟件,只要設(shè)置好參數(shù),建立好模型,并做好一定的假定,對(duì)真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓方面的有限元分析是可行的,可以運(yùn)用到實(shí)際工程當(dāng)中去.

[1]劉 華,錢德玲.基于ABAQUS的軟土地基加固有限元分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(8):1229-1232.

[2]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].北京:中國水利水電出社,1996:56-64.

[3]Harvey J A F.Vacuum Drainage to Accelerate Submarine consolidation at Chek Lap Kok,Hong Kong[J].Ground Engineering,1997,(6):34-36.

[4]Arutiunian R N.Vacuum accelerated Stabilization of Lique Fied Soils in Landslide Body[C]//Proc ofⅧECS2MFE,1983:575-576.

[5]趙維炳,陳永輝,龔友平.平面應(yīng)變有限元分析中砂井的處理方法[J].水利學(xué)報(bào),1998,(6):53-57.

[6]費(fèi) 康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的運(yùn)用[M].北京:中國水利水電出版社,2010:222-226.

Vacuum-surcharge Preloading Soft Soil Consolidation Theory and Simulation of ABAQUS

CHEN Xi-yang,YIN Chang-jun,MA Shi-cheng,YANG Li

(Civil Engineering and M echanics College of Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

Vacuum preloading in combination with surcharge fill preloading is an effective technology to consolidate soft soils.The equivalent sand wall foundation method is used in the paper,Jiangmen Binjiang avenue soft soil subgrade treatment engineering is taken as an example,and the ABAQUS software is used to analyze the vertical displacement and the sphere of influence in soft base consolidation by vacuum-heap load preloading.In the process of simulation,the permeability coefficient varies with the saturation of change,and the simulation data is consistent with the experimental data,which demonstrates that the simullation data can more accurately reveal the actual situation of the vacuum-heep load preloading.The calculation results can provide references for the soft soil foundation treatment.

vacuum-load preloading;ABAQUS;permeability coefficient;settlement;saturation

O151.2

A

1671-119X(2011)02-0082-04

2010-12-07

陳錫陽(1986-),男,碩士研究生,研究方向:巖土.