基于FLAC3D的吹填土真空预压数值分析

林高杰，张宁，李文彬，刘浩斌

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456；2.大连港北岸投资开发有限公司，大连116000；3.大连港集团有限公司，大连116000；4.河海大学，南京210098）

基于FLAC3D的吹填土真空预压数值分析

林高杰1，张宁2，李文彬3，刘浩斌4

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456；2.大连港北岸投资开发有限公司，大连116000；3.大连港集团有限公司，大连116000；4.河海大学，南京210098）

吹填土的固结变形属于流-固耦合大变形问题，通常的有限元软件对此类问题的模拟分析较为困难，而利用FLAC3D对吹填土固结变形进行研究则十分便利，这主要表现为FLAC3D本身的算法更适合解决高度的非线性问题和流-固耦合问题。为了便于研究在真空预压过程中大窑湾吹填土的固结与变形特性，利用FLAC3D将修正剑桥模型和比奥固结理论相结合，分别用“面层负压法”和“节点负压法”模拟两种实际的真空压力施加方法，并通过数值计算对比了这两种方法在加固过程中沉降变化、位移变化及孔隙水压力变化的特点，计算结果表明“节点负压法”更有利于真空度在土体中的传递，相应的加固效果更好。

吹填土；有限元；流-固耦合；剑桥模型；比奥固结理论

随着经济发展和城市建设的开展，利用吹填土来填海造陆已成为沿海沿江城市缓解土地资源紧张及新港口建设的有效途径。然而，由于吹填土具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、密度小、强度低、渗透性小等特点，大大增加了其处理难度［1］。为此，国内外众多学者从吹填土的特性［2］、固结沉降特性［3-4］、数值方法［5-7］及处理方法等方面进行了研究。其中，数值计算具有便捷快速的特点，目前已成为国内外学者研究吹填土的重要手段。宋晶［5］利用三维颗粒流对吹填土的固结和沉降特性进行研究，杨爱武［6］利用ABAQUS对吹填土的流变特性进行了研究，孙立强［7］利用ABAQUS对吹填土真空预压条件下的土体变形和孔压变化进行了研究。但由于吹填土固结属于流-固耦合大变形问题，上述有限元软件对此类问题模拟有待完善。而FLAC3D在算法上采用“混合离散法”来模拟岩、土体的塑性流动和塑性破坏，相对于其他数值计算软件结算结果的更为准确和合理，可以模拟岩土材料的高度非线性特征和流-固耦合作用。

1 大窑湾吹填场地基本特征

大连大窑湾港区位于辽东半岛南端黄海水域的大窑湾内，是大连港现有八大港区之一，也是我国规划建设中的四大深水中转港之一。它与大连港隔海相望，与大连经济技术开发区和大连保税区相连，距沈大高速公路15 km，距大连市中心约40 km，拥有27 km的海岸线。

1.1 大窑湾地质概况

根据大窑湾地形地貌、地层、构造、第四纪堆积物的分布规律和岩土的物理力学性质，可将大窑湾分为三大类场地：基岩山区场地、山前斜坡场地及海滨河口场地。其中，滨海软土地基属于滨海河口场地，其主要分布在大窑湾湾顶及大地村等低洼的泻湖沼泽、湿地地带。其岩性组成为灰色、灰黄色淤泥质粉砂、淤泥质亚粘土、亚砂土，厚度3～5 m，具有高含水量、高压缩性、低渗透性、流变性和不均匀性等特点。

1.2 大窑湾吹填土的组成［8］

土体的颗粒组成，矿物成分、物理力学指标对土体的固结特性及物理力学性质等工程特性有较大影响。通过对大窑湾吹填土颗粒分析和矿物组成分析，并对照相关的勘察资料后得到，待加固区吹填土主要以粉粒和粘粒为主，其中粉粒含量在60%～70%，粘粒含量为20%～30%。

1.3 大窑湾北岸吹填区地层结构

根据勘察资料及我方验证性钻孔，场区地层自上而下分为6层：淤泥（吹填）、角砾（吹填）、粉质粘土（吹填）、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土。其中，吹填淤泥层平均4.2 m，呈黄褐色、灰褐色、饱和、流塑状，是加固的主要土层，该土层主要的物理力学性质指标见表1。

表1 吹填土物理力学性质指标Tab.1Physical and mechanical property indexes of soils

2 吹填土本构模型

对于吹填土来说，在上部荷载作用下，其变形量往往达到土层厚度10%～20%，甚至超过30%。这种应力应变关系具有高度的塑性非线性特点，而一般的弹性或弹性非线性本构关系均难以较好地反映吹填土这种特点。

2.1 应力应变特性

一般来说，土的形成是经过漫长的地质过程的，由于在形成过程中受风化、搬运、沉积和固结的影响，其应力应变关系十分复杂。土的应力应变特性主要有非线性、弹塑性、胀缩性、结构性及流变性等构成，主要的影响因素有应力水平、应力路径和应力历史等。吹填土是在整治和疏通江河行道时，用挖泥船和泥浆泵把江河和港口底部的泥砂通过水力吹填而形成的沉积土。其矿物来源、组成与当地沉积土基本一致，但由于水力吹填作用，改变了它的沉积环境和结构性，进而影响到了它的固结和变形特性。

2.2 本构模型的选择

现有的土的本构模型主要有两大类：弹性模型和弹塑性模型。由于吹填土应力应变关系高度的非线性和塑性变形较大，显然弹性模型不适用于建立吹填土本构模型。结合北岸吹填土特点及室内试验难易程度，剑桥模型是最为合适的选择。这主要体现在以下几个方面：剑桥模型的待定参数最少，便于计算和分析，且比较适用于剪缩性的软粘土。在三轴试验难以进行时，可以采用一维压缩试验，根据求得压缩指数和回弹指数计算λ、κ，其换算关系为λ=cc/2.303，k=cs/2.303；可根据一组剪切试验获得土的内摩擦角φ后计算M，其换算关系为M=6sinφ/（3-sinφ）。其他模型的参数较多，且均需要通过三轴试验进行确定，而对于含水量大于80%的吹填土三轴试验极为困难。修正剑桥模型屈服面为椭圆形，该模型较剑桥模型能更好地反映土体的实际情况，应用范围更广。为此本文吹填土本构模型将采用修正剑桥模型。

在进行吹填土地基固结度计算时，还需要土的渗透系数κ、孔隙流体（水）容重γw，以及土体中的现场原位应力。土体中的原位应力可以根据土的容重和K0获得。此外，为了计算土体的弹性变形还要用到弹性体积模量K，弹性剪切模量G，它们是随应力变化的。

由于实际问题为轴对称问题，当土体处于弹性状态时，可将6×6模量矩阵D可以简化为

当土体达到屈服时，应力状态满足下式

p′c是硬化参数，可由下式来计算

式中：p′0、q′0分别为土的原位平均应力、广义剪应力。屈服后，模量矩阵D定义如下

3 吹填土固结理论

到目前为止，比奥固结理论是比较完备的土的三维固结理论，该理论将弹性理论与水流的连续条件相结合，可以获得土体的应力、应变、孔隙水压力等多个参数。唯一的不足就是无法得到解析解，只能通过数值计算的方法进行求解。为此将有限元与比奥固结理论相结合比常规计算方法优势明显。它可以考虑土体的非线形、粘塑性等特征，可以考虑比较复杂的边界条件以及模拟整个施工过程土体固结变形的发展过程，并能给出任何时刻的应力、变形、孔隙水压力等多个参数变化情况。

3.1 比奥（Biot）固结理论

比奥固结理论的基本公式包含平衡微分方程和连续性微分方程两部分，对于空间问题，土体中任一点的平衡微分方程为

式中：E′、v′、G′分别为排水条件下的弹性模量、泊松比和剪切模量。

假设土的渗透性各向相同，即kx=ky=kz=k，并将εν用位移表示出来，则上式可写为以位移和孔隙水压力表示的连续性方程

式（5）和式（6）联立即为比奥固结方程。

3.2 边界条件

利用Biot固结理论进行真空预压法流-固耦合分析，边界条件包括3种类型：应力边界条件；位移边界条件；孔压边界条件（即真空压力作用面的负压条件）。分析中应力和位移边界条件的类型及处理方法，与一般弹性力学问题有限元单元法中的边界条件完全一样，此处不再赘述。这里仅介绍负压边界条件的处理方法。

根据实际情况，抽真空采用了两种方式。一种是滤管直排方式，抽真空开始后，淤泥面层将很快达到设计的真空值，模拟时直接将负压加在淤泥层表面（面层负压法）。另一种是气管直排方式，将负压逐点施加在排水板上（节点负压法）。该方法需要根据实际排水板的间距、长度以及每米真空度的损失情况进行施加。上述两种抽真空方式总的真空压力均相等为-80 kPa。

3.3参数的选取

参数选取的质量，直接关系到有限元模拟的效果。由于剑桥模型参数较少，且前文已经对该模型3参数的取得做了较为详细的说明，在此不作详述。比奥固结理论主要的控制参数有渗透系数k，弹性模量E、泊松比v、剪切模量G，土体的饱和容重γsat。其中k、γsat均可以通过常规土的物理力学试验获得。G可以根据E、v求得。只有E、v是较难以获得。通常情况下，土体的压缩系数Es是给定的，根据Es与E的关系可以确定E的取值，其关系式中唯一的参数便是泊松比v。由此可见，泊松比是制约G和E取值的关键因素。通常情况下，吹填土的泊松比难以直接测定，只能通过压缩试验或三轴试验测得侧压力系数，然后换算得到泊松比v。

图1 真空预压试验模型网格划分Fig.1Vacuum preloading test model grid

4 吹填土固结沉降模型分析

4.1 吹填土真空预压流-固耦合模型的建立

真空预压是典型的流-固耦合过程，一般情况下抽真空时间为3～4个月。由于吹填土含水量高，渗透性差，设置抽真空时间为4个月。通过对真空预压模拟，探求真空预压固结沉降特性。为模拟排水板群办效应，设定4根排水板，加固深度4.2 m与现场一致（图1），排水板间距0.8 m，尺寸为4.0×100.0 mm，换算等效直径为6.6 cm，吹填土完全饱和。

4.2 数值模拟结果及分析

由于所建三维模型无法看清排水板内及土体内孔隙水压力消散情况，在实际计算时截取排水板中心所对应的剖面，以便观察孔压和沉降变化规律。

4.2.1 孔隙水压力分析

图2、图3分别为滤管和气管方式抽真空结束时的孔隙水压力云图。从图2和图3中可以看出，滤管方式抽真空在顶部以下1.0 m范围内土体孔隙水压力消散最为明显，而采用气管方式抽真空后在整个加固深度内孔隙水压力均得到了明显的消散，这与室内试验实测情况不同。分析原因可能为土体的渗透性差，孔隙水压力计被淤泥堵塞，造成负压损失或滞后。此外，发现滤管方式抽真空孔压的实测值与数模值差异巨大，这说明目前滤管方式抽真空尚需进行改进，以便对该工艺进行完善。

图2 滤管方式抽真空孔压云图Fig.2Vacuum preloading pore water pressure nephogram with filter tube

图3 气管方式抽真空孔压云图Fig.3Vacuum preloading pore water pressure nephogram with exhaust tube

图4 滤管方式抽真空沉降云图Fig.4Vacuum preloading settlement with filter tube

图5 气管方式抽真空沉降云图Fig.5Vacuum preloading settlement with exhaust tube

4.2.2沉降分析

图4是滤管方式抽真空结束时对应的沉降云图。从图4中可以看出，累计沉降最大点发生在土层顶面中心处为288.8 mm，比实测沉降量大56.8 mm。图5是气管方式抽真空结束时对应的沉降云图。从图5中可以看出，累计沉降量最大点发生在边界处，为455.6 mm，接近实测最大值466.2 mm。并验证了开启气管方式抽真空后沉降最大点发生了改变。分析认为气管方式抽真空在排水板中真空度传递良好，在真空吸力作用下排水板周围土体向排水板位移收缩较滤管方式更为明显，并在排水板周围形成致密的“土柱”，从而导致排水板间和边界处沉降比排水板处沉降更为显著。

4.2.3 位移分析

图6、图7分别为滤管和气管方式抽真空结束时的水平位移云图。从图6和图7中可以看出，滤管方式抽真空位移云图呈沙漏型，存在2个极大值，一个出现在顶部，一个出现在深度0.8 m处。气管方式抽真空位移云图呈橄榄型，最大位移点出现在深度1.0 m处。这主要是抽真空工艺不同造成的。从图中还可以看出，滤管方式抽真空最大位移为36.6 mm，气管方式抽真空最大位移为40.3 mm，两者相差微弱。对比沉降云图，发现无论采用何种抽真空方式，水平位移量仅为沉降量的8.5%～12.6%，说明沉降是吹填土变形的主要方面。

5 结论

将修正剑桥模型和比奥固结理论相结合，利用数值计算方法对大窑湾吹填土进行了沉降固结特性的研究。其主要结论如下：

从大窑湾吹填土的特性出发，对比了目前软土的各类本构关系。结合吹填土特点及室内试验难易程度，认为修正剑桥模型是最为合适的选择。

吹填土的沉降和固结是一个问题的两个方面，从现有固结理论来看，选用比奥固结理论是最为合适的选择。并结合实际情况对模型的边界条件、参数选取进行了详细的描述。

将修正剑桥模型和比奥固结理论相结合，建立吹填土的流-固耦合计算模型。并预测了滤管和气管直排方式抽真空沉降、位移和孔压变化规律，对比了它们之间的差异，并为设计和施工起到了指导。

图6 滤管方式抽真空位移云图Fig.6Vacuum preloading displacement with filter tube

图7 气管方式抽真空位移云图Fig.7Vacuum preloading displacement with exhaust tube

［1］JGJ79-2012，建筑地基处理技术规范［S］.

［2］王华敬，顾长存，苏慧.钱塘江吹填土的沉淀特性研究［J］.连云港职业技术学院学报，2002，15（2）：60-63. WANG H J，GU C C，SU H.Study of the sedimentation of the Qiantang River′s hydraulic fill［J］.Journal of Lianyungang of Tech⁃nical College，2002，15（2）：60-63.

［3］Been K，Sills G C.Self⁃weight consolidation of soft soil—an experimental and theoretical study［J］.Geotechnique，1981，31（4）：519-539.

［4］Znidarcic D，Schiffman R L，Pane v，et a1.The theory of one⁃dimensional consolidation of saturated clays（Part V）：constant rate of deformation testing and analysis［J］.Geotechnique，1986，36（2）：227-237.

［5］宋晶.分级真空预压法加固高粘性吹填土的模拟试验与三维颗粒流数值分析［D］.吉林：吉林大学，2011.

［6］杨爱武.结构性吹填软土流变特性及其本构模型研究［D］.天津：天津大学，2011.

［7］孙立强.超软吹填土地基真空预压理论及模型试验的研究［D］.天津：天津大学，2010.

［8］天津港湾工程质量检测中心有限公司.大连港大窑湾港区二期续建工程17#、18#泊位真空联合堆载预压法地基加固效果检测报告［R］.天津：天津港湾工程质量检测中心有限公司，2007.

思茅港至老挝国际航道将于2025年建成

本刊从2014年12月3日于昆明召开的“澜沧江—湄公河国际航运发展规划（2015年～2025年）磋商会”上获悉，到2025年将建成从中国云南思茅港南得坝至老挝琅勃拉邦长度890 km，通航500 t级船舶的国际航道，并在沿岸布设一批客运港口和货运港口。澜沧江—湄公河国际航运开创于20世纪90年代初，2001年6月实现正式通航。由于老挝会晒至琅勃拉邦300 km河道未实施整治工程，枯期宽浅河段仅能通航60 t级船舶，上下游航道开发不一致，限制了国际航运整体运力的提升和综合效益的发挥，需要通过科学的方法对澜沧江—湄公河国际航运发展做出合理规划。此次会议规划目标的实施，将极大地改善国际航道条件，提高港口服务功能，加快中老缅泰4国互联互通合作。（殷缶，梅深）

江汉运河正式通航

本刊从交通运输部获悉，经过两个月试运行，2014年11月26日，新中国第一条运河——湖北江汉运河正式通航。江汉运河航道建设期名为引江济汉通航工程，全长67 km。船舶由长江中游沙市到汉江中游潜江，走江汉运河，67 km到达，比沿长江绕道武汉缩短水运里程681 km；船舶由沙市到汉口，走江汉运河，337 km到达，比沿长江缩短水运里程141 km。（殷缶，梅深）

天津港大港港区防波堤东段工程完成

本刊从天津港获悉，天津港大港港区东、北防波堤东段工程已于2014年11月底前完全结束。该工程分为两段，总长度4 076 m，两段均为半圆体结构段，各段均长2 038 m。建成后对大港港区及即将建成的10万t级航道形成进一步掩护，改善口门处流场条件，降低船舶航运风险，起到防砂、减淤的作用，从而减少港区航道的维护量。（殷缶，梅深）

Analysis on dredger fill by vacuum preloading with FLAC3D

LIN Gao⁃jie1,ZHANG Ning2,LI Wen⁃bin3,LIU Hao⁃bin4
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety, Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2.The North Shore of Dalian Port Investment and Development Co., Ltd.,Dalian 116000,China;3.PDA Corporation,Dalian 116000,China;4.Hohai University,Nanjing 210098, China）

The dredger fill consolidation is a kind of large⁃strain of fluid⁃solid coupling problems,so it is very difficult to simulate and analyze by using finite element software.The FLAC3D algorithm is more suitable for solv⁃ing the advanced nonlinear deformation problems and fluid⁃solid coupling problems than other FEM algorithms,and it is very convenient to solve large⁃strain of fluid⁃solid coupling problems by using FLAC3D.In order to analyze on⁃solidation deformation properties of the dredger fill in vacuum preloading,the modified Cambridge model and Biot′s consolidation theory were used.Surface⁃vacuum method and node⁃vacuum method were employed to simulate two kinds of vacuum loading.Through numerical calculation and comparison,characteristics of settlement,displace⁃ment and pore water pressure change were studied.The calculation results show that the node⁃vacuum method is more conducive to vacuum transfer in the soil,and the corresponding reinforcement effect is better.

dredger fill；finite element；fluid⁃solid coupling；the Cambridge model；Biot′s consolidation theory

TV 331

A

1005-8443（2014）06-0623-06

2014-06-03；

2014-06-12

林高杰（1980-），男，河南省人，工程师，主要从事水运工程试验检测研究。

Biography：LIN Gao⁃jie(1980-)，male，engineer.