諸葛愛軍，劉天韻，陳智軍

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

在工程造價(jià)和綠色環(huán)保的雙重要求下，圍海造陸工程的填料多選用疏浚土。海底淤泥疏浚土本身顆粒細(xì)密，加之吹填過(guò)程中的水力分選作用，導(dǎo)致吹填形成地基土上部為具有一定厚度的超軟土。新近的超軟土地基沒有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉淀，其先期固結(jié)壓力幾乎為0，因此相比于普通地基存在諸多問(wèn)題，尤其是在不均勻沉降方面問(wèn)題較大，工后沉降量有時(shí)會(huì)高達(dá)2 m多，較大的不均勻沉降量將導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生裂縫甚至發(fā)生破壞。對(duì)吹填土地基進(jìn)行有效加固，具有重要意義。

有限單元法是20世紀(jì)六七十年代發(fā)展起來(lái)的一種應(yīng)用廣泛且有效的數(shù)值分析方法，其實(shí)質(zhì)就是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)實(shí)際的物理系統(tǒng)進(jìn)行抽象模擬，以單元為中介，用有限未知量來(lái)逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。運(yùn)用有限元法對(duì)吹填土地基進(jìn)行分析的學(xué)者很多，鄔宜蘭[1]采用Abaqus有限元軟件建立模型，計(jì)算出堆載預(yù)壓過(guò)程各時(shí)刻土體的沉降、位移、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)，分析了飽和軟土地基在多級(jí)加載下的復(fù)雜的細(xì)觀力學(xué)行為和宏觀變形特征。朱峰[2]利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)強(qiáng)夯+井點(diǎn)降水+塑料排水板軟基處理進(jìn)行了研究。王旭升[3]首次實(shí)現(xiàn)了砂井地基固結(jié)的一維有限差分模擬（自編模擬程序?yàn)?SDDM），得到非完整砂井地基單井固結(jié)的固結(jié)度曲線。王曉平[4]利用FLAC 3D軟件對(duì)強(qiáng)夯加固技術(shù)在軟土地區(qū)路基填筑及地基處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。曹延亮[5]基于現(xiàn)場(chǎng)竹網(wǎng)堆載管井排水加固超軟土地基試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，建立了竹網(wǎng)堆載管井排水加固超軟土地基的有限元數(shù)值分析模型，數(shù)值分析結(jié)果表明，4級(jí)加載穩(wěn)定后固結(jié)度達(dá)到 97.7%，表層沉降速率≤1 mm/d，分析結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。但在實(shí)際工程中[6-7]，運(yùn)用真空預(yù)壓法加固吹填土地基的過(guò)程十分復(fù)雜，主要可分為“抽真空前期和抽真空加固期”兩部分，抽真空前期因?yàn)闇?zhǔn)備工作的開展會(huì)使地基產(chǎn)生一定的沉降，但其主要沉降量均為抽真空加固期的沉降量，地基的總沉降量為兩個(gè)過(guò)程的共同作用結(jié)果，以上學(xué)者的研究對(duì)象多為抽真空加固期地基土體的變化，未考慮準(zhǔn)備期的影響。

本文以連云港某吹填土加固工程為依托，運(yùn)用有限元仿真方法，將抽真空前期的荷載進(jìn)行等效，重點(diǎn)分析抽真空過(guò)程中吹填土地基的沉降量和孔隙水壓力的變化，并將計(jì)算結(jié)果同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，明確該方法的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

本依托工程位于連云港徐圩港區(qū)某吹填土地基加固工程，原地基為吹填形成的陸域，不能直接作為地基使用，需要進(jìn)行加固。其土體分布及各物理力學(xué)參數(shù)見表1。采用常規(guī)式真空預(yù)壓施工工藝加固軟土地基，試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)表面鋪設(shè)0.5 m厚中粗砂，塑料排水板采用標(biāo)準(zhǔn)板，間距1 m，正方形布置，深度18 m。設(shè)計(jì)真空度85 kPa，有效抽真空時(shí)間150 d。

表1 地基土體參數(shù)Table 1 Parameter of foundation soil properties

2 模型的建立

采用ABAQUS中的soil分析步作為分析土體變形和孔壓變化的主要分析步。結(jié)合工程的施工過(guò)程，分別建立初始邊界—淺層加固—插板期間—深層加固—停泵分析步，每個(gè)分析步計(jì)算時(shí)繼承上一步的應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙比和超孔壓。

為消除邊界影響，建立寬28 m、深50 m的土體模型，如圖1所示。排水板深度為21 m、間距0.7 m，采用直接施加孔壓邊界的方法，模擬排水板傳遞真空度和排出孔隙水的功能。土體選用摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型，約束土體側(cè)面的水平向變形，約束土體底面水平向和豎向的變形。選用帶孔壓自由度的CPE4P單元模擬土體，土體水平向網(wǎng)格間距為0.175 m，插排水板區(qū)域的土體豎向間距為0.5 m，無(wú)排水板區(qū)域豎向網(wǎng)格間距從0.5 m逐漸增大至1.5 m，共劃分11 840個(gè)網(wǎng)格。模擬中首先設(shè)置地應(yīng)力分析步，還原土體內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)。然后采用soil分析步模擬真空預(yù)壓施工過(guò)程中土體排水固結(jié)的全過(guò)程，排水時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)施工工程相同。由于將三維固結(jié)過(guò)程轉(zhuǎn)化成二維模型進(jìn)行模擬時(shí)，排水板被等效成排水墻，因此需要對(duì)土體的滲透系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖1 有限元分析模型Fig.1 FEA model

工程施工過(guò)程荷載包括欠固結(jié)土自重載荷、真空預(yù)壓等。設(shè)置對(duì)應(yīng)排水板位置處土體節(jié)點(diǎn)的超孔壓為負(fù)值，并沿深度逐漸遞減，模擬真空荷載沿深度損失。在荷載幅值曲線中設(shè)置荷載-時(shí)間表格，模擬現(xiàn)場(chǎng)開泵數(shù)量由少到多，穩(wěn)步施加真空荷載的過(guò)程。工程中為了加快固結(jié)和提升標(biāo)高，在吹填土表面吹填黑砂。吹砂過(guò)程相當(dāng)于對(duì)吹填土施加永久堆載，通過(guò)線性增加的均布荷載來(lái)模擬該過(guò)程。均布荷載與土體負(fù)孔壓荷載同時(shí)施加時(shí)即模擬真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓作用。同時(shí)，在吹填土表面模擬了由于真空度差異導(dǎo)致的氣壓荷載，荷載大小與真空度關(guān)聯(lián)。

3 分析結(jié)果

運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)吹填土地基的加固過(guò)程展開分析，并將計(jì)算得到的表層沉降量和孔隙水壓力結(jié)果同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證該方法的有效性。

3.1 表層沉降

基于ABAQUS有限元軟件，運(yùn)用上述計(jì)算方法計(jì)算吹填土地基的表層沉降，其計(jì)算得到的云圖如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算得到的沉降云圖Fig.2 Settlement nephogram obtained by finite element calculation

由圖2可知，不同土層產(chǎn)生的沉降量不同，表層土層產(chǎn)生的沉降量最大，約為1.75 m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值1.77 m相差不大，僅為1.1%。由此可知采用上述有限元計(jì)算方法模擬真空預(yù)壓加固吹填土地基的表層沉降是有效的，基本與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合。

為了更好地評(píng)估該仿真分析方法對(duì)于吹填土地基表層沉降量變化趨勢(shì)的模擬效果，特將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，并將對(duì)比結(jié)果繪制于圖3之中。

由圖3可知，采用上述有限元仿真方法計(jì)算抽真空過(guò)程中，吹填土地基表層沉降量變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本吻合，由此可知，運(yùn)用該有限元仿真分析方法計(jì)算吹填土地基表層沉降的變化趨勢(shì)是有效的。

圖3 有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線Fig.3 The comparison curve between finite element calculation results and in-site test results

3.2 孔隙水壓力

孔隙水壓力是衡量吹填土地基加固效果的重要指標(biāo)之一，基于ABAQUS有限元軟件，計(jì)算吹填土地基在加固過(guò)程中的孔隙水壓力，其計(jì)算得到的孔隙水壓力分布云圖如圖4所示。

圖4 有限元計(jì)算得到的孔隙水壓力云圖Fig.4 The nephogram of pore water pressure calculated by finite element method

由圖4可知，有限元計(jì)算得到吹填土地基中的排水板附近的孔隙水壓力較周邊土體較小，說(shuō)明排水板作為排水通道可以有效使地基中的孔隙水壓力得到消散?？紫端畨毫Ψ植荚茍D中顯示，地基5 m深度處的孔隙水壓力大小為41.82 kPa與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值41.17 kPa相差僅為1.5%。在數(shù)值上，仿真分析的結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差較小。

為了更好地了解該有限元計(jì)算方法在計(jì)算吹填土地基加固過(guò)程中孔隙水壓力的消散情況，特將不同加固時(shí)刻、不同深度處的孔隙水壓力大小和變化趨勢(shì)繪制于圖5。

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.5 The comparison of finite element calculation results and in-site test results

由圖5可知，有限元計(jì)算得到不同深度的土層在不同加固時(shí)刻的孔隙水壓力值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，但在數(shù)值上還存在一定的差距，尤其在深度較深的土層差異較為明顯（深度超過(guò)11 m后計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值差異明顯），其上部土層（5 m、8 m部分）的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果差異則較小。

4 結(jié)語(yǔ)

基于ABAQUS有限元軟件，并將仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1）真空預(yù)壓法加固吹填土地基的過(guò)程可以分為“抽真空前期和抽真空加固期”，吹填土地基產(chǎn)生的總沉降量為兩個(gè)過(guò)程的共同作用結(jié)果，在模擬地基土加固過(guò)程時(shí)，需考慮其綜合作用的影響。

2）本仿真分析模型可有效計(jì)算吹填土的沉降量，無(wú)論是在沉降量的大小還是變化趨勢(shì)上與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果均十分接近，最大差異不超過(guò)1.1%。

3）本仿真分析模型可有效模擬真空荷載作用下吹填土地基的孔隙水壓力大小，也可準(zhǔn)確計(jì)算出不同加固時(shí)刻、不同深度處的孔隙水壓力大小和變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相差不到20%。