, 王玉奇1,2, 赵显涛21. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 中冶沈勘工程技术有限公司, 辽宁 沈阳 110169
收稿日期：2016-06-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51204029)。
作者简介：张国联(1966-)，男，辽宁辽阳人，东北大学教授。
摘要：塑料排水板在处理软土地基中已广泛应用.针对塑料排水板地基目前主要分析方法是将其转化为平面应变有限元，然而计算的孔隙水压力和水平位移结果不理想.基于ABAQUS排水板单元建立较大规模的三维有限元模型, 结合某塑料排水板堆载预压处理软基工实例模拟分析.计算所得的软基的沉降曲线、孔压曲线与现场测量值比较吻合, 证实了模型中三维排水板单元的可靠性.通过改变施加填土的时间以及堆载预压的时间, 对比观察软土地基超孔隙水压力和地表沉降的变化规律, 确定最佳的施工方案.为以后堆载预压处理软土地基的设计与施工提供指导和参考.
关键词：ABAQUS塑料排水板砂井地基堆载预压数值分析
Three-Dimensional Numerical Analysis of Coastal Soft Soil Foundation Consolidation by Surcharge Preloading
ZHANG Guo-lian1, ZOU Hai-wen1
, WANG Yu-qi1,2, ZHAO Xian-tao21. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Shen Kan Engineering & Technology Corporation, MCC, Shenyang 110169, China
Corresponding author: ZOU Hai-wen, E-mail: 18640448770@163.com
Abstract: Plastic drainage plate has been used widely to treat soft soil foundation. Now, the popular analysis method for plastic drainage plate foundation is plane strain finite element method. However, the pore water pressure and horizontal displacement results are unsatisfactory. In this paper, a large scale 3D finite element model is established to simulate the soft soil foundation using ABAQUS, combined with an engineering example of reinforcing soft-soil foundation by preloading with plastic drainage plate. The calculated settlement curve and pore pressure curve of soft soil foundation agree with the field measurements, confirming the reliability of 3D PVD element. By changing the time of filling and the time of preloading, observing the variation of excess pore water pressure and surface subsidence, the best construction scheme is determined. The research results can provide guidance and reference for the design and construction of the soft soil foundation preloading in the future.
Key Words: ABAQUSplastic drainage platesand well foundationsurcharge preloadingnumerical analysis
目前工程中对于塑料排水板地基主要采用有限元方法分析软土地基固结沉降.长期以来主要分析方法是将三维砂井地基等效简化为等应变条件下的砂墙地基固结问题.文献[1-2]基于Hansbo[3]固结理论推导出砂井地基固结公式; 赵维炳考虑径竖向渗流作用推导出等效变化公式; 刘加才等[4]基于谢康和等[5]的单井固结理论得到了考虑井阻和涂抹作用的等效变换表达式.史宏艳等[6]提出了三维有限元改进方法.目前砂井地基模型已经开始从简单的等应变的平面模型发展到更合理的三维模型.本文通过引入三维排水板单元[7], 在不增加有限元节点的情况下, 能够考虑塑料排水板或砂井的排水作用.结合大连万科海港城Ⅰ区、Ⅱ区共计约68万m2 超大面积堆载预压处理滨海软土地基项目, 基于ABAQUS三维排水板单元, 模拟分析塑料排水板堆载预压处理软土地基[8-11].探究考虑塑料排水板空间位置效应的三维模型在分析砂井地基固结沉降方面的可靠性.为今后堆载预压处理软土地基施加填土时间和预压固结时间提供参考.
1 工程简介1.1 工程概况本工程是大连市普湾新区海港城项目, 西北侧与滨海公路(S327)相邻.场地长1 300 m, 宽600 m, 面积约681 878.4 m2.场地原来为海滩盐田, 二期场地目前正在回填整平, 大部分为有水的盐田池, 水深0.5~1.5 m, 地面标高介于-0.39~4.45 m.地基土的物理力学性质较差, 需要对软土地基进行处理, 采用塑料排水板堆载预压法进行地基加固处理.Ⅱ1b区共分四级堆载, 从预留的块碎石垫层顶面到预留沉降层顶面的堆载层总厚度为6.8 m, 每级高度平均为1.7 m.
1.2 地质条件大连市普湾新区海港城大部分为有水的盐田池, 整体地貌单元属海滩盐田.据现场钻探揭露, 场地地层结构自上而下如图 1所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 土层分布截面图Fig.1 Layout of soil layers distribution |
2 有限元模型2.1 模型介绍基于ABAQUS有限元进行数值分析, 工程实例为滨海饱和软土地基, 选取模型尺寸宽度取80 m, 加固区20 m, 影响区60 m, 计算深度取27 m, 软土地基采用Drucker-Prager硬化模型，回填土采用Mohr-Coulomb模型.Ⅱ1b区采用中粗砂在铺设砂垫层后按等边三角形布置打设塑料排水板.
土体单元采用C3D8P八结点六面体单元, 共建立12 180节点和9 280单元.模型边界条件:三维模型左右两侧x方向位移为0, 模型前后两侧z方向位移为0, 模型底部边界三个方向位移均为0.初始条件:模型中单元初始位移为0, 初始孔隙比为1.有限元模型如图 2所示.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 有限元模型Fig.2 Finite element model |
2.2 塑料排水板的处理本文对于塑料排水板的处理, 选用刘汉龙提出的三维排水板单元(主要考虑排水板的轴力以及渗透性的影响而不考虑排水板的自重, 受剪、受弯曲的影响).本文模型选用C3D8P八结点六面体单元, 三向线性位移, 三向线性空隙压力.排水板单元为两节点的线性单元分别为位移结点和孔隙水压力结点.然后根据排水板一维空间上的有限元格式再转换到三维空间上，完成排水板单元和实体单元的结合.图 3所示AB即为排水板单元, AB上的节点和C3D8P单元节点重合, 这样在不增加节点个数的情况下完成了砂井地基的处理, 减少了三维模型计算工作量.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 模型网格划分Fig.3 Meshing of the model |
AB为自定义排水板单元, 排水板单元等效代替塑料排水板, 通过ABAQUS的二次开发对三维排水板单元赋予属性(包括排水板弹性模量、渗透系数以及排水板面积), 需要在inp文件中加入相应语句.
2.3 计算参数选取有限元模型所涉及材料主要是回填土、淤泥质黏土以及粉质黏土, 回填土采用参数较少的Mohr-Coulomb模型, 淤泥质黏土和粉质黏土采用Drucker-Prager模型和渗透性模型联合使用.模型参数的转换关系如下:
 | (1) |
 | (2) |
 | (3) |
Hansbo提出塑料排水板转化为砂井的等效直径公式:
 | (4) |
模型参数如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 各土层参数表Table 1 Parameters of soils
| 表 1 各土层参数表 Table 1 Parameters of soils | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 计算结果及分析3.1 模型验证通过将模拟计算的地表沉降曲线以及孔隙水压力曲线和现场监测值对比分析, 验证模型中塑料排水板简化为三维排水板单元的可靠性, 同时验证了三维数值模型的合理性及正确性.
3.1.1 地表沉降规律图 4为滨海饱和软土表面随堆载预压时间变化的曲线图.主要分为两阶段, 堆载阶段和预压阶段.由图可知施加填土堆载阶段地表沉降速率明显大于预压阶段, 软土地基表面大部分沉降发生在堆载阶段, 总体来说模拟计算结果和现场实测曲线变化趋势相符, 计算值和实测值基本吻合.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 地表中心沉降曲线Fig.4 Surface settlement curve |
3.1.2 孔隙水压力变化规律孔隙水压力是反映软土地基排水固结的一个重要指标, 图 5为不同深度的孔隙水压力随加载时间变化的曲线图, 由图可知地下深度2 m, 5 m以及8 m处有相同的变化趋势, 施加荷载阶段孔隙水压力迅速增大, 预压阶段孔隙水压力逐渐减少, 最终恒压预压软土地基, 地基排水固结超孔隙水压力消散, 孔隙水压力值趋于稳定.由图 5可知, 模型计算曲线和现场检测所得曲线变化趋势一致且数值比较吻合.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 孔隙水压力变化曲线Fig.5 Curves of pore water pressure |
3.2 堆载预压关键技术分析塑料排水板堆载预压加固软基的关键技术分为堆载预压施工工艺以及塑料排水板施工工艺.堆载预压施工工艺主要包括填土的分层数, 施加填土时间和预压固结时间等.塑料排水板施工工艺主要包括排水板的打设深度、排水板间距、排水板透水能力等.本文主要考虑施加荷载时间和预压固结时间对软土地基加固效果的影响.
本文海港城项目采用塑料排水板堆载预压法处理软土地基, 填土分四层每层均为1.7 m, 共6.8 m.施加每层填土的时间均是2 d, 预压时间10 d, 最后一级填土预压时间90 d.
3.2.1 堆载填土时间对软基加固效果影响图 6为堆载填土时间对地下8 m处超孔隙水压力曲线的影响.由图 6可知, 堆载填土时间减至1 d时, 堆载阶段超孔隙水压力相对2 d时增大42.5%, 堆载填土时间过短, 导致软土地基中的水不能及时排出使得超孔隙水压力迅速增大, 容易造成软土地基破坏.当堆载时间增加至3 d时, 超孔隙水压力相对2 d时减少26%, 堆载时间增至5 d时, 超孔隙水压力相对2 d减少43.7%.可以总结出堆载填土的时间对软土地基超孔隙水压力影响较大.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 堆载时间对超孔隙水压力影响Fig.6 Influence of loading time on excess pore water pressure |
图 7为堆载填土时间对地表中心沉降曲线的影响.由图可知堆载时间的改变对于地表中心的沉降并没有明显影响, 堆载阶段软土地基沉降速度不同, 恒压稳定后最终沉降量相同.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 堆载时间对地表沉降影响Fig.7 Influence of loading time on settlement of soil surface |
工程设计时要综合考虑软土地基的稳定性和施工效率.堆载填土时间过短，易导致超孔隙水压力过大，软土地基破坏, 时间过长则施工效率降低.
3.2.2 预压固结时间对软基加固效果影响图 8为堆载预压时间对地表中心地下8 m处超孔隙水压力曲线的影响.由图可知, 当预压时间减至1 d时超孔隙水压力迅速增大, 由于预压时间过短超孔隙水压力未能及时消散, 再次施加荷载导致超孔隙水压力继续增大, 最后导致超孔隙水压力达到很大容易导致土地破坏.堆载预压时间为5 d时, 超孔隙水压力明显下降, 预压后减至2.9 kPa左右.当堆载时间为10 d时, 预压后超孔隙水压力降至2.1 kPa左右.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 预压时间对超孔隙水压力影响Fig.8 Influence of preloading time on excess pore water pressure |
图 9为堆载预压时间对地表中心沉降曲线的影响.由图可知堆载预压时间对地表的沉降速率有较大影响, 对地表中心的最终沉降量并没有影响.当预压时间为1 d时, 沉降速率为15.6 mm/d，沉降速率过大容易导致土体破坏.当预压时间为5 d时, 沉降速率降为7.6 mm/d, 当预压时间增至10 d时, 沉降速率降为4.67 mm/d.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 预压时间对地表沉降影响Fig.9 Influence of preloading time on settlement of soil surface |
对比各图可知, 堆载时间对软土地基超孔隙水压力有较大的影响, 而对沉降影响较小.预压时间对软土地基表面最终沉降量没有影响, 但是对沉降速率有较大影响.预压时间太短时超孔隙水压力曲线比较不稳定, 当预压时间达到一定值后, 预压时间变化对超孔隙水压力没有太大影响.
工程中用沉降速率和孔隙水压消散速率控制堆载的速度, 标准为:堆载时平均沉降量≤10 mm/d, 孔隙水压力值比附加荷载值≤0.5, 大于此数值应延缓堆载速度; 综合考虑沉降和超孔隙水压力, 本文所涉及的工程堆载时间为2 d, 预压时间为10 d, 完全满足工程要求.
4 结论1) 基于ABAQUS软件的三维排水板单元进行模拟计算, 模型计算的沉降值和实际测量值比较吻合, 验证了模型中三维排水板单元的可靠性, 可为以后三维模型模拟提供一种新的手段.
2) 填土堆载时间对软土地基超孔隙水压力影响较大, 对地表中心沉降影响相对较小.工程设计时合理选择堆载时间, 防止堆载时间过短导致超孔隙水压力过大而造成软土地基的破坏.
3) 预压固结时间对软土地基超孔隙水压力影响相对较小, 对地表中心沉降基本没有影响, 对软土地基表面的沉降速率有较大影响.工程设计时合理选择预压时间, 防止预压时间过短导致软土地基沉降过快而造成软土地基的破坏.
4) 模型计算的孔压小于工程测量值, 主要原因是塑料排水板的弯曲会降低渗透效果以及堆载预压过程淤泥会阻塞塑料排水板进而降低排水效果, 另一原因是模型没有考虑井阻效应以及涂抹效应.
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