真空-堆载联合预压软土固结理论和ABAQUS模拟分析

陈锡阳,印长俊,马石城,杨 俐

(湘潭大学土木工程与力学学院,湘潭 411105)

真空-堆载联合预压软土固结理论和ABAQUS模拟分析

陈锡阳,印长俊,马石城,杨 俐

(湘潭大学土木工程与力学学院,湘潭 411105)

真空联合堆载预压法是加固软土地基的一种有效的方法.采用等效砂墙地基法,以江门市滨江大道软土路基处理工程为算例,用ABAQUS软件对真空-堆载预压加固软基中的竖向位移的影响范围进行有限元分析.在模拟过程中考虑渗透系数随饱和度的变化,这样模拟的实验数据与实测数据比较吻合,说明模拟得到的数据能更加准确的反应真空-堆载预压软基的实际情况,计算结果可以给软土地基处理提供参考.

真空-堆载;ABAQUS软件;渗透系数;沉降;饱和度

0 引 言

在我国沿海和内陆地区广泛分布海相沉积、湖相沉积和河相沉积的软弱黏土层.这种土的特点是含水量高,压缩性大,强度低,透水性差.由于其压缩性高、透水性差,在建筑物荷载作用下会产生相当大的沉降和沉降差,而且沉降过程延续的时间可能很长,有可能影响建筑物的正常使用.另外,由于其强度低,地基承载力和稳定性往往不够,不能满足工程要求.真空联合堆载预压法是一种行之有效的加固软土地基的方法,该方法是在真空预压法基础上发展而来的,具有真空预压和堆载预压的双重效果,这种加固方法可增加地基的稳定性,加固时间也相对较短,是工程中较常使用的软土地基加固方法.

本文以江门市滨江大道软土路基处理工程为算例,用ABAQUS软件对该实例进行模拟,建立合理的有限元模型,对真空-堆载预压加固软基进行数值分析[1].在数值分析中采用等效砂墙地基法,在建立砂井地基与等效砂墙地基的渗透系数换算关系式后,根据比奥固结理论,在ABAQUS中设定 渗透系数随饱和度的变化,材料的本构模型采用线弹线模型[2].数值分析的计算结果与该实例的实测数据进行对比,并且对实例的加固效果进行评价和该方法模拟真空-堆载预压软土的优越性.

1 工程概况和地质情况

该工程是该地区城市规划中的一条观光大道,为提高城市品味,体现交通与人文景观相结合的理念,充分运用清澈见底的西江水环境,拟建公路线路走向主要沿着西江方向,与江堤并行.研究区内第四系沉积类型较多,以残积、坡积、洪积、冲积为主,并以滨海三角洲(海陆交互)相沉积的淤泥、淤泥质土层厚度较大,分布范围广泛.根据钻探及试验结果,试验段地质情况如表1所示.

表1 土体主要物理力学性质指标

2 理论分析

依据固结度等效的原则,对砂井的处理barron(巴隆,1949),和 Hansbo(汉斯波,1981)提出了自己的理论.目前,主要处理方法有两类:一种是将砂井加固的基地简化成渗透系数较大的天然层地基(即均质地基)进行计算[3];另一种是将砂井转化为砂墙,对砂井间距和砂井渗透系数进行等效调整,来简化计算[4].

在处理砂井问题是可以先把砂井转化为砂墙问题[5].砂井固结中,Hansbo在推导过程中曾假设Zlr(径向固结度)在竖直方向不变,相比之下,Barron理论则假设其随着深度变化,因此更具有严密性.对砂井地基进行平面应变有限元分析,把砂井地基变成了砂墙地基的同时,还应在划分网格调整砂井(即砂墙)的间距.这些处理应保证处理前后地基的平均固结度或同一深度处的平均孔压保持不变的前提下进行.这可以通过在平面应变有限元计算时调整砂井地基的实际渗透系数来实现.由此,赵维炳得到平面应变有限元计算中所采用的水平和竖直渗透系数kxp,kzp分别是实际砂井地基水平和竖直渗透系数kra,kza的Dx和Dz倍,即

Dx为水平渗透系数的调整系数:

Dz为竖直渗透系数的调整系数;

其中:

np=B/rwpsp=rsp/rwpv为泊松比

L=B/re L为砂井间距的放大倍数

β=kra/ks p

n=re/rwa为砂井的井径比,s=rs/rwa涂抹区半径与砂井半径之比,rwa为砂井半径,rs为涂抹半径,ksp为涂抹区渗透系数,rwp为砂墙厚度的一半,B为砂墙间距的一半,rsp为涂抹区外缘离中心的距离,rs为单井的有效排水半径.

根据实例的数据进行砂井参数调整,如表2所示.

表2 砂井参数调整

本文还考虑了渗透系数随饱和度变化,材料渗透系数随基质吸力、饱和度随基质吸力的关系为[6]:

式中Kws是土体饱和时的渗透系数,ua和uw分别是土体中的气压和水压力.aw、bw、cw是材料系数.

式中Sr为饱和度,Si为残余饱和度,Sn为最大饱和度 ,as、bs 、cs是材料系数 .

根据实例的参数,再把式(5)和式(6)中的参数也设定好,得出如图1和图2所示.

3 实例模拟和沉降量的对比

由于对称性,仅取加固区一半作分析,中心为对称轴,取整个地基的一半建立型.根据土质条件及真空预压的影响范围,地基的计算宽度为80 m,其中30 m是加固区,50 m是影响区.按土质条件及真空预压的影响深度,计算深度取40 m.土体单元采用耦合的空隙流体/应力单元CPE4RP,土体模型采用摩尔库伦模型,分析模型的网格划分如图3所示:

图3 分析模型的网格划分

模型中的边界条件如下:左右两边均为不透水边界,且只有垂直沉降,无水平位移;底面为无位移边界;顶面为自由排水边界,没有堆载的一边设为空压为零的透水边界条件,堆载区就设孔隙水压力为膜下真空度值.

计算真空预压时,让加固区表面各点的孔压按线性从0减少到一80 kPa,然后保持不变;在堆载时按实际加载曲线分级施加上去.真空卸载时,让加固区表面各点的孔压按线性从一80 kPa增加到0.真空联合堆载加载曲线如图4所示.

图4 荷载与时间的关系图

模型建好后就对地基沉降进行分析,模型的沉降云图如下图5所示.

图5 模型最终的沉降云图(变形图)

本人取出模型中沉降最大的中心点的沉降计算值与实际中心点的沉降实测值进行对比,结果如下图6所示.

图6 地基的中心点的实测值与模拟计算值对比图

如上图示黑色的曲线是实测值和红色的曲线是模拟计算值,两者的曲线比较接近,这说明模拟是非常成功的.在预压的后期,模拟计算值和实测值有偏差,但总的趋势还是一致的.地基中心的沉降计算值为2.033 m和实测值为2.021 m,计算值比实测值稍大,可能是由于未考虑打设砂井和砂垫层施工对土体的影响造成的.

4 结 论

(1)计算结果表明:在模拟过程中分别考虑和没有考虑渗透系数随饱和度变化模拟真空-堆载预压,得出的结果分别和实测值进行对比,得出考虑渗透系数的计算值更加接近实测值.

(2)采用等效砂墙地基法处理排水板,处理后在模拟进行有限元分析得出的计算值与实测值比较符合.

(3)用本文章的方法在ABAQUS模拟真空-堆载联合预压软土,得出的计算值都比实测值都大,在模拟过程难免会出现误差,但总体看起来比较符合实际,说明采用此方法是比较合理的.

(4)本文在模拟过程中加入了渗透系数的变化,这样更加逼真模拟预压的实际情况,使模拟得出的计算值更加准确,更加有参考价值.

(5)用ABAQUS软件,只要设置好参数,建立好模型,并做好一定的假定,对真空-堆载联合预压方面的有限元分析是可行的,可以运用到实际工程当中去.

[1]刘 华,钱德玲.基于ABAQUS的软土地基加固有限元分析[J].合肥工业大学学报,2009,32(8):1229-1232.

[2]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出社,1996:56-64.

[3]Harvey J A F.Vacuum Drainage to Accelerate Submarine consolidation at Chek Lap Kok,Hong Kong[J].Ground Engineering,1997,(6):34-36.

[4]Arutiunian R N.Vacuum accelerated Stabilization of Lique Fied Soils in Landslide Body[C]//Proc ofⅧECS2MFE,1983:575-576.

[5]赵维炳,陈永辉,龚友平.平面应变有限元分析中砂井的处理方法[J].水利学报,1998,(6):53-57.

[6]费 康,张建伟.ABAQUS在岩土工程中的运用[M].北京:中国水利水电出版社,2010:222-226.

Vacuum-surcharge Preloading Soft Soil Consolidation Theory and Simulation of ABAQUS

CHEN Xi-yang,YIN Chang-jun,MA Shi-cheng,YANG Li

(Civil Engineering and M echanics College of Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

Vacuum preloading in combination with surcharge fill preloading is an effective technology to consolidate soft soils.The equivalent sand wall foundation method is used in the paper,Jiangmen Binjiang avenue soft soil subgrade treatment engineering is taken as an example,and the ABAQUS software is used to analyze the vertical displacement and the sphere of influence in soft base consolidation by vacuum-heap load preloading.In the process of simulation,the permeability coefficient varies with the saturation of change,and the simulation data is consistent with the experimental data,which demonstrates that the simullation data can more accurately reveal the actual situation of the vacuum-heep load preloading.The calculation results can provide references for the soft soil foundation treatment.

vacuum-load preloading;ABAQUS;permeability coefficient;settlement;saturation

O151.2

A

1671-119X(2011)02-0082-04

2010-12-07

陈锡阳(1986-),男,硕士研究生,研究方向:岩土.