真空预压排水固结法有限元模拟及分析

■吴炎辉

（东山县海通建设工程有限公司，漳州 363400）

1 前言

随着我国经济的快速发展，沿海地区的围海造地工程不断增加。但由于沿海地区分布着大量的软土，其含水量高、抗剪强度低以及渗透系数小等特点使其成为在该区域建设工程时的一大难题。为使工程项目达到预期的安全标准和进度要求，就需要对软土进行人工处理，真空预压排水固结法是软土加固处理中重要的方法之一。

真空预压法自1952 年首次提出至今已有相当大的发展，在沿海地区的应用迅速增多，为了保证建设质量和建筑物的正常使用，对真空预压法进行更深入的研究十分重要。

2 有限元模型的建立

有限元数值计算方法是目前运用最广泛的数值计算方法之一，其中大型有限元分析软件ABAQUS 具有很好的处理非线性和复杂边界条件的能力，因此本文拟用ABAQUS 对真空预压过程进行有限元建模和分析，并对模型中的参数进行敏感度分析。

2.1 真空预压法简介

如图1 所示，真空预压法是通过在软土地基内部打入竖向排水系统，同时在软土表面铺设砂垫层作为水平排水系统，用不透气的密封膜将表面密封使其与大气隔绝，然后利用抽真空装置对排水系统进行抽真空，使排水系统内形成一定的真空度并逐渐扩展至加固区土体内部并产生孔隙水压力差，从而让孔隙水向排水系统流动并最终排出，最终达到加固土体的目的。

图1 真空预压排水系统

2.2 砂井与砂墙的等效

砂井地基严格意义上是属于三维固结问题，应该采用三维有限元模型进行计算，但由于三维有限元分析计算量太大不利于应用，因此将三维问题转换为二维问题进行计算分析的方法被广泛采用。

如图2 所示，将三维和二维问题进行等效的原则是保持等效前后不同时刻具有相同的固结度，其主要方法是通过修改渗透系数达到的，等效后与等效前的渗透系数之比为：

其中：khp为二维模型中土体的等效渗透系数；n 为涂抹区直径与砂井直径之比；s 为砂井有效排水直径与砂井直径之比。

图2 三维与二维问题等效示意图

2.3 模型参数的选取

该模型在大型通用有限元软件ABAQUS 里建立，采用平面应变有限元模型，其尺寸如图3 所示，由于的二维模型是左右对称的，为了便于分析，该模型取整个二维边界的右半边进行建模，土体高10m，宽15m，加固区宽度5m，竖向排水板深度5m，模型左右两侧采用限制水平位移的边界条件以模拟对称及土体无限延伸的情况，底部采用限制水平和竖直位移的边界条件用以模拟半空间无限体的条件，固结时间设置为约694h。土体及排水板参数如表1 所示：

图3 有限元模型尺寸及边界条件示意图

表1 有限元模型计算参数

3 有限元模型计算结果分析

3.1 位移计算结果分析

井阻为真空度在排水板内传递的衰减率，该模型采用的井阻参数为16kPa/m，其排水板内真空度分布图如图4 所示。

图4 排水板真空度分布图

图5 和图6 分别是预压结束时得到的水平位移和竖向位移云图，从图中可以看出，土体沉降主要集中在加固区中心，并随着与中心距离的增大而逐渐减少，其中心点沉降约为40mm，加固区边缘处的沉降约为35mm，而距离中心10m 和15m 处的沉降分别为10mm 和8mm，不足中心点沉降的1/3。

水平位移方面，加固区中心点处的水平位移几乎为0，加固区边缘的水平位移约为18mm，而最大水平位移发生在距离加固中心约6.5m 处，其水平位移约为22cm，方向指向加固区。

图5 预压结束时竖向位移云图

图6 预压结束时水平向位移云图

不同深度处横向水平位移分布情况如图7 所示，虽然位移量有所差异，但不同深度处的最大水平位移都在离中心约6.5m 的位置。

图7 不同深度处水平向位移的横向分布

3.2 超孔隙水压力计算结果分析

超孔隙水压力在模型中的分布情况如图8 所示。从图中可以看出，真空荷载使土体内产生负超孔隙水压力，并形成一种以加固区为中心向外逐渐扩散的形式。

图8 预压结束时超孔隙水压力云图

图9 所示的为距离加固区不同距离的超孔隙水压力随深度的分布。从图中可以看出，越远离加固区，其超孔隙水压力的下降得越快，如图10 所示，土体表面、2m 深和4m 深处超孔隙水压力随水平距离的变化率分别为14.5kPa/m、8.9kPa/m 和1.8kPa/m。

图9 超孔隙水压力随深度的分布

图10 超孔隙水压力沿水平方向的分布

3.3 土体固结效率对井阻的敏感度分析

井阻大小受排水板材料、抽真空器材及加固区土体情况等诸多因素的影响。图11、图12 和图13 为不同井阻情况下加固区中心处土体不同深度的沉降情况。

图11 加固区中心土体表面沉降值

图12 加固区中心3m 深处沉降值

图13 加固区中心5m 深处沉降值

在加固区中心点处，不同深度的沉降差随井阻大小的变化而改变。随着深度的增加，沉降差逐渐增大，如图14所示。井阻16kPa/m 与5kPa/m 的沉降差在表面可达到0.041m，其斜率为0.0037，在3m 和5m 深度处沉降差分别为0.033m 和0.019m，其斜率分别为0.003 和0.0017，可以看出，加固区较深位置的沉降量受井阻影响较小。

图14 中心点不同深度处沉降差

4 结论

（1）土体最大竖向位移处于加固区中心，在加固区以外的地方，其竖向位移大幅减小。而最大水平位移发生在靠近加固区边缘的地方。

（2）加固区土体内的真空度可以维持在与排水板内真空度相当的水平，在远离加固区的地方，由于没有采用密封措施，其真空度则难以保持在一个较高的水平。

（3）井阻对土体固结效率有显著影响，如果能使井阻维持在一个较小的数值，对土体效果能起到非常积极的作用。

[1]费康,张建伟.ABAQUS 在岩土工程中的应用[M].北京市:水利水电出版社,2010.

[2]Li B,Wu S F,Chu J,et al.Evaluation of Two Vacuum Preloading Techniques Using Model Tests[C].ASCE,2011.636-645.

[3]陈环.真空预压法机理研究十年[J].港口工程,1991,(4):17-25.

[4]Indraratna B,Sathananthan I,Rujikiatkamjorn C,et al.Analytical and numerical modeling of soft soil stabilized by prefabricated vertical drains incorporating vacuum preloading[J].International Journal of Geomechanics,2005,5(2):114-124.

[5]张泽鹏,李约俊,冯淦清,等.塑料排水板在真空预压加固软基中的作用[J].广州大学学报(自然科学版),2002,1(2):68-71.

[6]沈珠江,陆舜英.软土地基真空排水预压的固结变形分析[J].岩土工程学报,1986,8(3):7-15.