劉遠(yuǎn)鋒 ，鄭 剛

（1. 天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津大學(xué) 土木工程系，天津 300072；3. 中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 科技與設(shè)計(jì)咨詢部，北京 100038）

1 引 言

高速公路、高速鐵路等工程對(duì)于工后沉降的要求十分嚴(yán)格，高速公路、一級(jí)公路要求一般路堤路基工后沉降不大于30 cm[1]，高速鐵路對(duì)于路基沉降的要求則達(dá)到了近乎苛刻的程度，其要求路基工后沉降量一般路段不應(yīng)大于15 mm[2]。路基工后沉降主要源于地基變形，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)填筑的路基本體的工后沉降所占總工后沉降的比例很小[3－4]。在地基工后沉降要求較高的條件下，地基處理費(fèi)用占工程的總體費(fèi)用超過1/3[5]，工后沉降的控制問題成為如今修建高速鐵路、高速公路等沉降要求嚴(yán)格的工程的重大難題和技術(shù)瓶頸，近些年來國(guó)內(nèi)外的地基處理新技術(shù)在此背景下獲得了快速發(fā)展[6－9]。

劉遠(yuǎn)鋒[10]2003年提出地基延緩固結(jié)處理法，2012年對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，經(jīng)數(shù)值模擬分析后證明其控制地基工后沉降的作用確實(shí)存在，并且在一定條件下與剛性樁相比在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都存在優(yōu)勢(shì)[11]。但是，根據(jù)地基延緩固結(jié)處理法的工作原理可知，其對(duì)于地基土強(qiáng)度幾乎沒有提高的作用，對(duì)于土的天然強(qiáng)度很低的軟土地基并不適用，只適用于天然強(qiáng)度已經(jīng)滿足要求的松軟土地基，而且控制工后沉降的效果也比較有限。為了解決上述問題，劉遠(yuǎn)鋒[12]于 2010年又提出了一種名為“地基排水控制法”的新型地基處理方法，簡(jiǎn)稱排水控制法，可以解決軟土地基承載力不夠和高效控制地基工后沉降的問題。

2 排水控制法的基本工作原理

排水控制法利用由嚴(yán)格密封連接的豎向防滲帷幕、水平防滲層形成的一個(gè)類似倒扣于地基當(dāng)中的茶杯的密封系統(tǒng)，對(duì)地基土的良好密封作用，在施工期間通過真空和堆載預(yù)壓的雙重作用加速地基土的排水固結(jié)，大大提高地基的承載力，并使得地基的固結(jié)沉降在施工期間盡可能多地發(fā)生，從而也可以大大減小地基的工后沉降。在停止抽真空之后和工程運(yùn)營(yíng)期開始之前，將排水管道嚴(yán)密封堵，限制地基土中殘余超孔壓的消散，阻止地基土固結(jié)沉降的進(jìn)一步發(fā)生，達(dá)到良好的控制地基工后沉降的目的。用一句話來概括，排水控制法在施工預(yù)壓期間利用真空和堆載2個(gè)協(xié)同工作的因素對(duì)被嚴(yán)密密封的地基土體的高效加固作用來提高地基承載力和促使固結(jié)沉降盡快完成，預(yù)壓結(jié)束后則利用密閉系統(tǒng)對(duì)于地基土中殘余超孔壓消散的限制作用，進(jìn)一步阻止了地基土固結(jié)沉降的發(fā)生。排水控制法的基本結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

由上述可知，排水控制法與傳統(tǒng)的真空聯(lián)合堆載的處理方法有類似之處，都利用了真空和堆載的聯(lián)合預(yù)壓對(duì)地基的加固作用，但排水控制法由于豎向防滲帷幕的存在，抽真空期間地基中的真空度維持在更高的水平，真空預(yù)壓的效果更佳，且由于地基整體密封性的大大提高，真空泄漏得到有效地控制，施工期間抽真空所消耗的電能會(huì)有較大降低，從而會(huì)降低工程造價(jià)。在工程運(yùn)營(yíng)期間排水控制法由于繼續(xù)保持了地基加固部分的密封性，可以進(jìn)一步限制工后沉降的發(fā)生。

圖1 排水控制法基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Elementary structure sketch of drainage controlling ground treatment method

3 有限元分析模型的建立

巖土工程中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是重要的研究方法[13]，對(duì)于一般性規(guī)律的研究，數(shù)值分析的方法同樣十分有效[14－15]。為了對(duì)排水控制法控制地基工后沉降的作用進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合工程實(shí)踐中的數(shù)據(jù)，采用有限元方法來研究排水控制法處理后的地基的受力及變形規(guī)律。

3.1 計(jì)算條件

考慮均布條形荷載作用于地面水平的均質(zhì)地基之上的情況。設(shè)作用于地基上的第一階段荷載的集度為120 kPa（相當(dāng)于6 m高的路堤填土荷載），第二階段荷載集度為11.4 kPa（相當(dāng)于列車和軌道荷載），2個(gè)荷載作用位置相同，作用寬度都為20 m。在荷載作用范圍內(nèi)，按間距 1.2 m、正方形排列設(shè)置豎向塑料排水板（下文以PVD代指塑料排水板）。在地面設(shè)置水平防滲層，其不透水性通過孔壓邊界條件來實(shí)現(xiàn)。在荷載作用范圍邊緣內(nèi)側(cè)設(shè)置1 m厚度的豎向防滲帷幕，水平防滲層和豎向防滲帷幕密封連接。地下水位和地表平齊，地基土完全飽和。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征和對(duì)稱性原理，這里從長(zhǎng)度方向取以一排PVD為中心的1.2 m寬的條帶來分析。為了減少計(jì)算工作量，只取條帶軸向中心一側(cè)的1/2來建立有限元模型。為了充分考慮地基的尺寸效應(yīng)影響，模型的高、寬都取相對(duì)較大值，現(xiàn)取模型寬60 m，高150 m。幾何模型如圖2所示。

計(jì)算域左側(cè)面即為實(shí)際的荷載中心線，下文將其中點(diǎn)簡(jiǎn)稱為中心。有限元分析邊界條件設(shè)置見表1。荷載施加及孔壓邊界條件的變化情況見表2。表中，孔壓邊界和荷載涉及變化的均為在當(dāng)前計(jì)算步內(nèi)隨時(shí)間線性變化?？讐哼吔鐥l件的作用范圍為豎向防滲帷幕內(nèi)地表，即模型左側(cè)9 m寬的范圍內(nèi)。荷載范圍外自由排水地表孔壓恒為 0。模型的其他面孔壓邊界均為不排水邊界。

圖2 有限元幾何模型Fig.2 Geometric model of finite element method

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary condition setting

表2 荷載及孔壓邊界條件Table 2 Load and pore pressure boundary condition

所有材料的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫(kù)侖模型，干密度ρd= 1 500 kg/m3，楊氏彈性模量E= 10 MPa，泊松比μ= 0.3，黏聚力c′= 40 kPa，內(nèi)摩擦角φ′=30°。地基土滲透系數(shù)k= 1.97×10-10m/s，孔隙比e=0.716。

3.2 單元類型

地基土采用8結(jié)點(diǎn)六面體孔壓?jiǎn)卧獊砟M，豎向防滲帷幕采用8結(jié)點(diǎn)六面體線性應(yīng)力單元來模擬其不透水性。

為了取得較好地模擬效果又不增大計(jì)算工作量，通過專門開發(fā)的線單元PVD單元來模擬PVD的排水作用，排水板橫截面面積為0.031 4 m2，彈性模量為1 MPa，滲透系數(shù)為1.16×10-7m/s。

4 排水控制法處理后的地基沉降規(guī)律

4.1 中心地表工后沉降和豎向防滲帷幕及 PVD深度的關(guān)系

圖3為不同PVD深度d條件下中心地表工后沉降s和豎向防滲帷幕深度h的關(guān)系曲線。圖4為不同防滲帷幕深度h條件下s與d的關(guān)系曲線。

圖3 不同d條件下s與h的關(guān)系Fig.3 Relationships between s and h with different d

圖4 不同h條件下s與d的關(guān)系Fig.4 Relationships between s and d with different h

從圖3、4中可以看出，當(dāng)PVD不存在（即d=0）或者長(zhǎng)度很短時(shí)（如d= 5 m時(shí)），s會(huì)隨h的加大有較為明顯的減少，h由0 m變?yōu)?0 m時(shí)s減少了8～9 mm。但是，當(dāng)d＞10 m以上時(shí)，s隨著h的變化則微乎其微，當(dāng)h由0 m變?yōu)?0 m時(shí)，s只減少了1～2 mm。換言之，不論h是多少，隨著d的加大，s的減少都是十分顯著的，當(dāng)d從0 m變化為30 m時(shí)，s減少了大約150 mm。由于PVD的價(jià)格較低，施工也很方便，在實(shí)際應(yīng)用中 PVD設(shè)置深度通常都會(huì)大于10 m，而豎向防滲帷幕造價(jià)相對(duì)較高，尤其深度較大的豎向防滲帷幕單價(jià)會(huì)高很多，同時(shí)施工質(zhì)量也更不容易控制，通過增加豎向防滲帷幕深度的方法來提高工后沉降控制效果是事倍功半的。所以，為了有效控制工后沉降，可以設(shè)置較淺的豎向防滲帷幕深度和較深的 PVD深度來尋求較高的性價(jià)比。鑒于此，下文的研究都以4 m這個(gè)較小的豎向防滲帷幕深度作為前提條件。

4.2 中心地表工后沉降隨時(shí)間的發(fā)展變化

作出不同d條件下的s與工后沉降時(shí)間期限t的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 不同d的s時(shí)程曲線Fig.5 Time process curves of s with different values of d

圖5揭示了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，即除了d= 0以外，s隨著t的變化都存在一個(gè)負(fù)增長(zhǎng)的過程，即地基先發(fā)生回彈隆起，經(jīng)一定時(shí)間后隆起達(dá)到峰值，之后才逐漸發(fā)生向下的沉降。因此，在d一定的條件下，最終的s是與t有關(guān)系的，隨著t由短變長(zhǎng)，s可能為負(fù)值，0或者正值。同樣，在t確定時(shí)（這是工程中最常見的情況），s隨著d由小變大則會(huì)出現(xiàn)正值，0或者負(fù)值三種情況。這就是說，只要選取適當(dāng)?shù)?PVD長(zhǎng)度，在代價(jià)相對(duì)低廉的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)將地基工后沉降控制為0的目標(biāo)，這對(duì)于降低類似高速鐵路路基等對(duì)于地基工后沉降要求極為苛刻的工程的造價(jià)是有十分重要而明顯的意義的。應(yīng)該說，能夠以相對(duì)低廉的工程造價(jià)、在較短的工期內(nèi)獲得工后沉降為0的特殊處理效果的地基處理方法，在現(xiàn)有的地基處理方法當(dāng)中尚不多見。

5 排水控制法處理后的地基超孔壓變化規(guī)律

圖6為d= 20 m的PVD平面上運(yùn)營(yíng)期起始時(shí)刻t0和結(jié)束時(shí)刻t1地基中超孔壓u分布等值線。從圖中可以看出，t0時(shí)刻在地基加固區(qū)內(nèi)及其附近的超孔壓為負(fù)值，越靠近加固區(qū)中心負(fù)值越大，加固區(qū)外靠近地表的部分區(qū)域的超孔壓也為絕對(duì)值較小的負(fù)值，地基深部大部分區(qū)域均為由于堆載引起的正超孔壓。在t1時(shí)刻，整個(gè)地基中的超孔壓都為正值，且由深到淺由大逐漸變小。

圖7為PVD平面上開始運(yùn)營(yíng)后第5.4年孔隙水滲流速度矢量圖及其左上角局部放大圖。

圖6 PVD平面上t0、t1時(shí)刻超孔壓分布等值線（單位：kPa）Fig.6 Excess pore pressure field contours on the PVD plane at times t0 and t1 (unit: kPa)

圖7 竣工后第5.4年P(guān)VD平面上孔隙水滲流速度矢量圖及其左上角局部放大Fig.7 Seepage velocity vector graph on the PVD plane 5.4 years after the completion of construction and locally magnified plot of the left upper part

代表性地取密封區(qū)域內(nèi)排水板平面上中心地表處一點(diǎn)，此點(diǎn)處于2排PVD中間的土中，繪制此點(diǎn)的超孔壓u變化時(shí)程曲線如圖8所示。由于地面抽真空和地基中 PVD對(duì)真空的傳遞作用，密封區(qū)域內(nèi)的地基土在施工期間積累了較大的負(fù)超孔壓，當(dāng)工程進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期以后，由于豎向防滲帷幕和水平防滲層的嚴(yán)格密封，限制了負(fù)超孔壓直接由地表消散，故很好地維持了此負(fù)超孔壓的延續(xù)。在周邊，尤其是密封區(qū)域以下深層的地基土中的孔隙水由于受到地面填土荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力的作用，產(chǎn)生了較大的正超孔壓。因此，密封區(qū)域內(nèi)外的孔隙水壓力存在著較大的水力梯度，孔隙水在此水力梯度的作用下，繞經(jīng)帷幕底部由外向內(nèi)發(fā)生滲流運(yùn)動(dòng)（見圖7），直至逐漸達(dá)到內(nèi)外超孔壓的平衡。即密封區(qū)域內(nèi)的地基土的超孔壓會(huì)在工程運(yùn)營(yíng)的期間經(jīng)歷了一個(gè)如圖8所示的上升過程，超孔壓的上升導(dǎo)致了有效應(yīng)力的減小，地基土發(fā)生回彈，從而造成了地表的隆起。

圖8 密封區(qū)域內(nèi)地表中心處的超孔壓u變化時(shí)程曲線Fig.8 Time process curve of excess pore pressure u of center in sealed scope

6 結(jié) 論

（1）本文方法具有以相對(duì)低廉的工程造價(jià)，在較短的工期內(nèi)獲得工后沉降為0的特殊處理效果，這對(duì)于降低類似高速鐵路路基等對(duì)于地基工后沉降要求極為苛刻的工程的高昂造價(jià)是有十分重要和明顯的意義。實(shí)際效果尚需要實(shí)際工程的驗(yàn)證。

（2）運(yùn)用排水控制法時(shí)，為了有效控制工后沉降，可以設(shè)置較淺的豎向防滲帷幕深度和較深的PVD深度來尋求較高的性價(jià)比。

（3）工程運(yùn)營(yíng)期間，密封區(qū)域以外的孔隙水會(huì)發(fā)生繞經(jīng)帷幕底部向密封區(qū)域以內(nèi)的滲流運(yùn)動(dòng)，使得密封區(qū)域內(nèi)的地基土的孔壓上升，導(dǎo)致有效應(yīng)力減小，地基土?xí)l(fā)生部分回彈，這是其減小地基工后沉降的重要原因。

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