动力排水固结法加固软土路基孔隙水压力长消规律数值分析

薛 茹，李广慧

(郑州航空工业管理学院 土木建筑工程学院，郑州 450015)

动力排水固结法加固软土路基孔隙水压力长消规律数值分析

薛 茹，李广慧

(郑州航空工业管理学院 土木建筑工程学院，郑州 450015)

采用FLAC3D软件对动力排水固结过程进行数值模拟，对动力排水固结法加固软土路基时土中孔隙水压力的变化做了分析，以探求孔隙水压力的长消规律，为动力排水固结法加固机理及施工方法提供理论根据。

动力排水固结法 软土地基处理 孔隙水压力 数值模拟

随着工程建设规模和复杂程度的不断加大，岩土工程所面临的荷载、岩土性质、边界条件等也愈加复杂，许多工程问题离开大型数值模拟软件和电子计算机便无法进行理论分析［1］。动力排水固结法处理淤泥、淤泥质软土时能否取得预期的加固效果，关键取决于土中孔隙水压力能否迅速消散，孔隙水能否尽快排出［2］。亦即，动荷载作用下孔隙水压力的发展变化是土体变形和强度变化的根本因素［3］。

FLAC3D特别适合于模拟岩土材料达到屈服极限后产生塑性流动状态的力学行为［4］。本文以珠江三角洲某高速公路试验路段为例，采用 FLAC3D软件，综合考虑地基及施工条件后进行了动力排水固结法的数值模拟。研究动力排水固结法施工时软土中孔隙水压力的变化规律，为动力排水固结法加固机理的研究提供一定的理论依据。

1 工程概况及计算方案

1.1 工程概况

为了研究动力排水固结法加固软土路基的数值方法，我们选取珠江三角洲某高速公路为研究对象。该场地地处珠江入海口，地貌主要属低丘陵地带。沿线主要为海河冲积平原，地势开阔低平。上覆土层软弱，软土发育，厚度大。在路基填土及持续的交通载荷作用下，很可能会因为软土强度不足造成地基破坏，或者由于软土固结沉降缓慢引起较大的工后沉降而造成路面结构的破坏［5］，不能满足道路对地基的要求，因此采用动力排水固结法对软土进行处理。

1.2 计算方案

计算中夯锤质量取16 t，夯锤直径取2 m，夯锤接触地面瞬间的速度为11.2 m/s。计算时考虑夯一击，垂直落距为6.37 m，模拟总时间0.16 s。为了研究袋装砂井的排水固结作用，按不加砂井及加砂井两种情况来计算，但不考虑砂井强度对地基强度的影响。

2 计算模型及参数选取

2.1 基本假定

影响动力排水加固效果的因素很多，用数值模拟方法分析所有的确定或不确定因素既不可能也无必要，我们所研究问题的重点是了解夯击过程中孔隙水压力的变化规律，因此在数值模拟分析中作如下假设：

1)地面以下土体为水平层状，每层土视为均值、各向同性。

2)夯锤施加的荷载在接触面上均匀分布。

3)夯锤为短圆柱状，故可视为轴对称动力问题。

2.2 计算范围及网格划分

为消除边界效应的影响，参考实际工程的现场监测资料，确定以夯锤中轴线为中心，向两边各取15 m，深度取18 m为数值模拟的计算范围。砂井长12 m，直径10 cm，按间距2 m布置。

划分计算区域网格时，依照模型的空间网格尺寸应该小于输入波长的1/8到1/10，同时考虑缩短计算运行时间的原则，取夯锤中轴线左右各3 m范围内的基本网格为0.5 m×1.0 m×1.0 m，其余部分网格调整为1.0 m×1.0 m×1.25 m。采用右手螺旋坐标系，规定原点在夯锤底面圆心处，x轴向右为正，z轴向上为正。在砂垫层及淤泥之间设置界面单元连接。

2.3 边界条件及模型计算参数

模型的左边界、右边界为位移约束边界，约束水平方向的位移;模型的底面也为约束边界，同时约束垂直与水平方向的位移。对于流体边界，左右边界为透水边界，底面为不透水边界。数值模拟的主要参数见表1。

表1 主要计算参数

3 计算结果及分析

3.1 砂井对土体固结的作用

图1给出了夯击后0.1 s时加设砂井与不加设砂井两种情况下的孔隙水压力等值线。由图1可以看出，加设有砂井的土体中孔隙水压力分布图被砂井分割成几个部分，而不加设砂井的分布图中，孔隙水压力的升高区域为一个整体，而且升高幅值大于加设砂井的情况。由此可见，砂井的存在既改变了土中孔隙水压力的分布，又改善了孔隙水的排水路径，这对加快软土地基固结速率起到了十分重要的作用。

图1 0.1 s时孔隙水压力等值线

3.2 孔隙水压力的变化情况

图2给出了0.02 s及0.10 s时不同深度、不同水平距处土体的超孔隙水压力变化曲线。可以看出，孔隙水压力峰值首先在浅部(0.02 s时在深度2.5～3.0 m处)出现，然后向深处发展(0.1 s时在深度6.5～7.0 m处)。砂井中以及浅部土体由于排水路径畅通，超孔隙水压力增加较小，且孔隙水压力消散也快。而在淤泥中超孔隙水压力峰值则大得多。随着时间的延长，超孔隙水压力峰值向深处发展且峰值逐渐减小，反映了应力波在土体中由浅部逐渐传入深处，使得土体固结度逐渐增强。

图2 0.02 s及0.10 s时孔隙水压力随深度变化曲线

4 结论

1)用FLAC3D模拟动力排水固结过程，计算过程中不需要加入其它人为已知量，计算简单可靠，可用于动力排水固结法加固机理及施工技术研究。

2)软土中由于土颗粒表面水结膜的黏滞作用，使得孔隙中水的排出受到阻碍。砂井的打设很好地改善了土体的排水性能，这对动力排水固结法的加固效果是非常有利的。

3)在动力荷载作用下，土体中各点孔隙水压力随冲击力的作用，表现为一个脉冲响应过程，在夯锤与土体初始接触阶段，孔隙水压力急剧升高，且升高的峰值较大。随着时间的延续，孔隙水压力的峰值点也随之向深处发展，且有逐渐减小的趋势。在深度较深和水平距较大处，孔隙水压力增幅较小，夯击能逐步消散，土体基本不受夯击作用影响。

［1］丁振州，郑颖人.强夯法加固饱和软黏土地基数值模拟［J］.地下空间，2002，22(2)：137-141.

［2］郑颖人，陆新，李学志，等.强夯加固软黏土地基的理论与工艺研究［J］.岩土工程学报，2000，22(1)：18-22.

［3］赵维柄，施健勇.软土固结与流变［M］.南京：河海大学出版社，1996.

［4］刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［5］陈宝，马传明.珠江三角洲地区高速公路软基路堤工后沉降分析［J］.西部探矿工程，2003，15(6)：154-156.

TU472

B

1003-1995(2011)03-0085-03

2010-09-01;

2010-12-31

2010年河南省科技攻关项目(102102210372)

薛茹(1965— )，女，河南焦作人，教授，工学博士。

(责任审编 葛全红)