堆載速率對真空聯合堆載預壓路基沉降變形影響分析

陳志浩，王小澤

（濱州市水利資源開發建設中心 256600）

引言

軟土在我國東南沿海地區分部廣泛，因其承載能力較差，需要對軟土地基進行加固處理方能進行建筑施工。真空聯合堆載預壓法以其施工簡單、工期短、加固效果良好等優點得到了廣泛的應用[1-2]。真空聯合堆載預壓法施工通過大型機械在軟土路基中打設豎向排水井，隨后通過在軟土路基上一定方式的加荷，逐步排出軟弱黏土層中的孔隙水，最終軟土路基得到了固結壓縮，路基強度得到了大幅度提高、減少了工后沉降及不均勻沉降。婁炎、尹敬澤[3]提出了真空聯合堆載預壓加固軟基時候需要考慮分級加載及控制加荷速率問題；沙玲[4]和問建學[5]分別采用了ABAQUS和FLAC3D軟件建立了真空聯合堆載預壓模型，將計算結果與現場監測數據進行對比分析，得到較理想的效果。

真空聯合堆載預壓處理軟土路基能有效地解決工后沉降過大、路堤施工穩定性及工期過長的問題。然而，在實際工程施工過程中，部分施工企業并未真正掌握該方法的本質，盲目加快堆載的速度，不控制加荷速率，導致出現一些路堤滑坡、塌方等事故。因此，本文采用了ABAQUS有限元軟件，對真空聯合堆載預壓進行了數值模擬，并通過改變加荷的方式，研究真空聯合堆載預壓路基的沉降變形規律，為實際工程提供施工指導。

1 工程背景及模型建立

1.1 工程背景

本文以實際真空聯合堆載預壓試驗段為工程背景，該試驗段位于珠海市西部某開發片區，試驗段線路里程起止樁號為K0+330—K0+550之間，線路長度220m、平均寬度50m，地面標高2.4m。試驗段加固面積約11 000m2。

圖1 路基平面布置圖

1.2 模型建立

目前，真空預壓數值分析一般都是基于平面應變，由于真空堆載聯合預壓處理的地基都要打設砂井或者塑料排水板而形成砂井地基，用平面應變簡化時，一般是調整土體或者砂井的滲透系數，從而將三維砂井地基轉化為平面應變砂墻地基，使得計算模型和實際的受力、滲流情況有較大的區別。而用三維計算模型就能更真實地反應實際情況[6]。

本文模型仿真采用三維固結有限元來計算。典型的真空聯合堆載預壓處理軟土路基工程如圖2所示，由于軟土路基工程過程中情況復雜多變，在進行三維固結有限元計算時要作一些假設和簡化處理。

圖2 典型真空聯合堆載預壓軟土路基工程示意圖

本次真空聯合堆載預壓仿真將塑料排水板處理后的軟基進行了簡化分析，不需要將塑料排水板簡化為砂墻，只需要將打設的塑料排水版的間距和滲透系數進行等效調整計算。在數值模擬仿真中，經過簡化處理塑料排水板地基，可直接作為均質地基，只是在滲透系數賦值是為等效系數即可。本文所采用的塑料排水板地基轉化為均質地基方法參考于《基于ABAQUS的真空聯合堆載預壓軟基固結分析》[7]一文中介紹的塑料排水板地基轉化為均質地基的方法，模型邊界條件的設定參照了此文中模型的設定，本文不再對此方法進行驗證。

真空聯合堆載預壓路基本次模型仿真取長150m寬40m高40m的長方體路基，其中加固區寬50m，兩側各50m的加固影響區，堆載高度為3.3m、放坡1:1.5，加固深度為25m，其中考慮豎向加固影響范圍，所在模型在豎向深度方向的取值為40m，如圖3所示。模型參數設置如表1所示。

圖3 模型示意圖

表1 土體在數值仿真中的參數

隨后通過參數設置及ABAQUS交互功能，實現了不同堆載速率下的真空聯合堆載預壓路基。真空聯合堆載預壓路基一般承受應力范圍在每級40—50kPa為宜，既每級加載在1.5—1.8m左右最為適宜。本次模型計算通過ABAQUS中相互作用設置功能實現了3.3m高堆載土3種堆載速率，即一次性堆載3.3m高堆載土、分兩次堆載3.3m高堆載土和分3次堆載3.3m高堆載土，其中分兩次與分三次堆載中為均分3.3m。綜上，本次模型仿真共計算3個不同參數下的真空聯合堆載預壓路基。

2 真空聯合堆載預壓路基沉降變形計算結果分析

2.1 路基中心沉降變形分析

真空聯合堆載預壓處理軟土路基沉降變形最大沉降量發生在路基中心處，路基中心點的沉降是土體加固程度、加固效果的主要反應位置之一，路基地表中心點的沉降歷程是土體加固效果的重要依據，最終沉降云圖如圖4所示。

根據圖4所示，在模型計算完成后在ABAQUS的后處理器中查詢計算結果，得到表2路基地表中心點最終沉降量。

圖4 路基最終沉降示意圖

從表2中可以得看出，當堆載速率不同時，將堆載土分3次堆載時沉降量最大，達到2.511m；沉降量最小為一次性堆載3.3m高度下的路基，沉降量為2.201m。沉降量差值為0.31m，最大沉降量為最小沉降量1.141倍。

表2 路基地表中心點最終沉降量

2.2 路基加固區外變形計算結果分析

真空聯合堆載預壓處理軟土路基沉降變形主要是發生在真空聯合堆載預壓加固區內，即豎向排水體插打范圍內。由于施工環境的復雜性，真空堆載預壓沉降變形會對周圍環境造成一定的影響，產生一定的水平位移，不同的加荷方式及大小，帶來的影響不同。根據圖4所示的水平位移云圖，選取加固區外1m地表水平位移為研究點，繪制了水平位移-時間曲線。

從圖5可以看出，隨著堆載土的施加，由于堆載土自身重力的原因，產生了背離路基中心的位移，抵消了部分“包裹效應”，尤其是1次性堆載3.3m的情況下，產生背向路基中心的位移較明顯；分2次堆載、3次堆載的情況下，每次堆載產生一定的負位移，接著進行堆載穩定階段時，位移有一定的恢復現象，隨著堆載的施加真空階段產生的位移基本被抵消，分3次堆載對于加固區外的影響是最小的，最后趨于初始狀態，說明分級加載對軟土路基加固最有利。

圖5 加固區外1m處水平位移-時間曲線

綜上，當堆載速率不同時，對加固區外的變形趨勢造成了一定的影響，但最終結果相差不大。

3 結論

本文以實際工程為背景，研究了不同堆載速率對真空聯合堆載預壓路基沉降變形的影響。根據實際工程條件，采用ABAQUS軟件建立了真空聯合堆載預壓處理軟土路基模型，考慮了一次性堆載3.3m、分2次堆載3.3m、分3次堆載3.3m的3種堆載速率對路基沉降變形的影響?；谟嬎憬Y果得到以下結論：

（1）真空聯合堆載預壓豎向沉降最大處發生在路基中心處，一次性堆載3.3m下的路基豎向沉降變形最小，分3次堆載3.3m下的路基豎向變形最大，處理效果最好。

（2）真空聯合堆載預壓路基堆載速率不同，路基加固區外1m處水平位位移不同，分3次加載時加固區外1m處水平位移最小。

因此，真空聯合堆載預壓處理軟土路基，分級加載的軟土路基豎向沉降變形最大，效果最好，安全性較高，對軟土路基處理最有利，為實際工程提供施工指導?！?/p>