基于ABAQUS对某变电站软基真空预压处理优化设计

吴 浩,盛学庆

(1.国网浙江省电力公司杭州供电公司,浙江 杭州 310019；2.杭州市电力设计院有限公司,浙江 杭州 310006)

基于ABAQUS对某变电站软基真空预压处理优化设计

吴 浩1,盛学庆2

(1.国网浙江省电力公司杭州供电公司,浙江 杭州 310019；2.杭州市电力设计院有限公司,浙江 杭州 310006)

以温州科技220 kV变电站软土地基采用真空预压处理为例,利用ABAQUS有限元软件对处理过程进行模拟,获得加固区及周边一定影响区范围内的沉降、水平位移及土体孔隙水压力变化云图。针对不同真空作用时间及膜下不同真空度情况的分析计算,对地基处理过程提出优化设计。

变电站；软土地基；真空预压；优化设计

真空预压是一种有效加固软土地基的方法,其主要施工过程为：在加固的软土中打设砂井或塑料排水板,在地面铺设砂垫层及排水通道,并在其上覆盖不透水密封膜,通过真空设备抽真空,在地基中形成负压,使软黏土地基排水固结,从而达到提高地基承载力,减小工后沉降的目的[1-2]。

该方法具有施工工艺、机具和设备简单以及造价经济等优点,在国内外均有广泛的应用,并取得了良好的效果。如1958年,美国费城飞机跑道扩建工程,采用的是真空井点降水与排水砂井结合处理方法[3]；20世纪70年代,日本利用真空预压法加固东北地区新干线上淤泥土地区；我国于20世纪80年代后期,在环渤海地区、长江三角洲及珠三角区域,采用该方法对高速公路、港口软基进行处理,并取得良好效果[4]。

在利用真空预压加固软基过程中,膜下真空度及真空作用时间的控制为两个关键的要素。本文针对温州某220 kV变电站软土地基采用真空预压为例,利用ABAQUS软件对其加固过程进行有限元分析[5],获得了加固区及其周边一定影响区土体的固结沉降、侧向位移、孔隙水压力消散特性；对比分析了不同的真空作用时间、膜下真空度对地基处理效果的影响,进而为优化地基处理方式的设计,提供参考依据。

1 工程概况

场地位于温州市经济技术开发区纬十三路附近,为围垦区。工程依据《国家电网220千伏变电站通用设计(2011年版)》220-A3-4方案,采用半户内GIS布置。围墙尺寸为85.5 m×80 m,围墙内用地面积0.684 hm2,站址总占地面积约0.814 2 hm2,建筑面积4 487 m2,两幢配电装置楼为双层钢筋混凝土框架结构。各土层物理力学性质指标见表1。根据工程地质剖面图资料,土层厚度见表2。

表1 地基土物理力学性能指标一览表

表2 土层厚度分布

2 有限元分析过程

2.1 基本假定

在模型建立之前,对ABAQUS模拟排水板真空预压法处理软基作如下基本假定：

1) 土体完全饱和,横向各向同性并且土颗粒和水都不可压缩；

2) 孔隙水的流动符合达西定律；

3) 土体的渗透系数保持不变；

4) 不考虑打设排水板引起的土体的刚度变化；

5) 不考虑在初期预压过程中地下水位的变化；

6) 砂井按照平均固结度等效的原则,简化为砂墙地基；

7) 不考虑涂抹效应的影响；

8) 按实际的土层情况分为7层,土层之间的接触面竖向位移完全耦合；

9) 膜下真空度稳定值不低于80 kPa。

2.2 模型建立

根据场地形状、加载的形式和分布特点,采取对称分析,取加固区的一半进行研究,取模型左下角为坐标计算原点。整个待处理地基的计算宽度为120 m,其中0～40 m宽度范围为加固区,40～120 m宽度范围是计算的影响区；塑料排水板为正三角形布置,间距1.1 m,打设深度28 m,排水板等效为宽66.5 mm的砂墙。考虑砂垫层、地层分布情况以及真空预压对竖向加固的影响范围,计算深度取51.5 m,土层厚度分布按表2。建立排水板等效成砂墙的二维成层软土地基计算模型[6],进行有限元分析。模型尺寸示意图见图1。

图1 模型计算简图

2.3 初始边界条件确定及有限元网格划分

边界条件的确定：根据对称性,限制模型中土层的左、右边界的水平位移,不限制竖向位移；土层底部边界水平位移和竖向位移均为0；除土层表面外,其他边界都为不排水边界。

网格划分：土体单元采用固体与液体耦合的平面应变孔压单元类型CPE8RP(8节点二次减缩积分四边形网格),结构化网格(Structured)划分。加固区域网格划分较密,影响区域划分较稀疏。

2.4 荷载步的确定

第一阶段低位预压阶段,加固区表面作用荷载,按照线性加载至10 kPa,加载时间为0.5 d,并维持10 kPa作用3.5 d；第二阶段为真空预压阶段,加固区膜下真空度按照线性从0 kPa加至85 kPa,该过程作用3 d,然后维持不变,稳定70 d,第二阶段仍然维持10 kPa预压荷载；第三阶段为真空、低位预压卸载阶段,卸载时间为6 d。荷载变化曲线见图2。

图2 荷载变化曲线

3 模拟结果对比分析

3.1 地基沉降分析

从地基处理的关键时刻——低位预压结束时刻、真空预压结束时刻的竖向位移云图(图3)及提取的关键计算数据(表3)可知：在加固区的中心位置处沉降最大,且在维持真空预压结束时刻(77 d)达到最大值。软土地基沉降过程成“碗底”形状,由于初期预压对加固区边缘外有挤土效应,因此加固区边缘出现地基土的“隆起”形状,且随着离加固中心距离越远,所受影响越小。计算的沉降曲线与实测值发展趋势一致(图4)。

图3 真空预压结束竖向位移计算云图

表3 地表不同位置处沉降值

图4 地表中心位置处的沉降曲线图

3.2 侧向位移结果分析

从计算数据(表4)及计算云图(图5)可知：在低位预压期间,加固区土体向外侧发生位移,位移值先增大后减小；随着真空预压的进行,加固区逐渐向内侧发生位移,在加固区以外40～80m范围内均受到一定的影响,因此在采用真空预压法施工时应考虑对周边环境的影响。

图5 真空预压结束侧向位移计算云图

表4 地表不同位置处侧向位移值

3.3 孔隙水压力结果分析

低位预压初期,加固区地基土中水不能及时排除,产生超孔隙水压力,随着固结的进行,超孔隙水压力消散,有效应力增加,产生沉降,期间孔压分布云图见图6；真空预压期间,土体中为负的超静孔压,随着负孔压增加,导致地表外与地表内的压力差增大,引起地面沉降,期间孔压分布云图见图7。真空预压60 d后,打设排水板深度软土层的超孔隙水压力几乎消散,从而达到加固地基的预期效果。

图6 低位预压期孔压分布云图

图7 真空预压期孔压分布云图

3.4 固结度曲线分析

由平均固结度曲线可知,在加固区的0～20 m范围内,固结度随时间增长较快,且差别不明显,离加固中心区越远,固结度增长速率越慢,真空预压60 d后基本趋于稳定。从另一方面也反映出低位高真空预压对地基土加固效果及沉降发展速率的影响范围。见图8。

图8 按沉降定义的平均固结度曲线

4 设计优化

根据：1)膜下真空度不小于80 kPa;2)真空卸载前按照沉降定义的平均固结度不小于90%;3)连续5 d实测沉降速率不大于2.5 mm/d的原则,进一步对该方案做出优化设计。

4.1 真空预压加固时间优化

膜下真空度85 kPa,考虑不同真空预压加固时间对地基加固效果的影响。

表5 真空预压期间不同位置处的固结度

从计算数据(表5)可以看出,当真空预压作用时间为60 d,可以达到预期的加固效果；当作用时间为70 d,x=0 m,x=20 m,x=40m处的平均固结度达到93.42%,92.13%,81.15%；当作用时间为80 d,x=0 m,x=20 m,x=40 m处的平均固结度达到93.44%, 92.67%,83.10%,如再增加真空预压时间,加固效果提高不明显。因此从经济性和地基处理效果考虑,选取真空加固时间60 d为最佳加固时间。

4.2 膜下真空度优化

真空加固时间70 d,分别考虑膜下真空度80 kPa、85 kPa对固结度的影响。

表6 真空荷载80 kPa不同位置处的固结度

图9 不同真空度平均固结度曲线

从计算数据(表6)和平均固结度对比曲线(图9)可知,当维持真空预压70 d,真空度为85 kPa较真空度80 kPa的平均固结度曲线增长速率更快：当膜下真空度为80 kPa时,主要加固区域平均固结度未达到90%；当膜下真空度取85 kPa时,主要加固区域平均固结度满足真空预压卸载前要求效果。当维持真空预压60 d,真空度取85 kPa时,x=0 m,x=20 m,x=40 m处的平均固结度分别为92.59%,91.69%,80.31%,主要加固区域平局固结度亦满足真空预压卸载前的要求效果。

5 结 语

5.1 结 论

利用ABAQUS工程有限元分析软件,对温州科技220 kV变电站地基采用高真空预压及冲击压实处理方法进行全过程模拟,通过对加固区及周边一定范围的影响区土体的沉降量、侧向位移、孔隙水压力变化及固结度计算分析,得出如下结论：

1)真空预压过程当中,加固区中心位置处竖向位移最大,预压结束时刻达到最大值；中心位置处模拟计算累积沉降值与实测值发展趋势一致；初期预压对加固区边缘外有一定的挤土效应,在加固区边缘产生“隆起”形状,离加固中心距离越远,所受影响越小；沿地基土深度方向,在45 m深范围以外,土体压缩可忽略。

2)初期预压期间,加固区土体向外侧发生位移,沿x正向,位移数值先增大后减小, 在离加固区中心20 m附近达到最大值；真空预压后,加固区逐渐向内侧发生位移,在其边缘处位移最大,在加固区以外40～80 m范围内受到一定影响,因此在采用真空预压法施工时,如周边有建筑物,应考虑水平向的加固措施。

3)前期预压初期,加固区地基土产生超孔隙水压,随着固结进行,孔隙水压力消散；真空预压期间,地表内外压力差产生额外的超静孔压,60 d后,打设排水板深度范围内超孔压几乎消散。

4)加固区0～20 m范围内,固结度随时间增长较快,且差别不明显,离加固中心区越远,固结度增长速率越慢,真空预压60 d后基本趋于稳定。

5.2 建议

通过综合分析对比如下因素：1)真空预压时间因素对加固土体固结度影响;2)膜下不同真空度对土体固结度影响。从加固效果以及经济效益方面考虑,建议选取膜下真空度为85 kPa,维持真空预压作用时间60 d为最佳设计优化。

[1] 龚晓南, 岑仰润. 真空预压加固软土地基机理探讨[J].哈尔滨建筑大学学报, 2002,35(2):7-10.

[2] 夏邦海. 真空预压在软土地基加固中的应用价值[J].铁路工程造价管理,2005:16-17.

[3] 张仪萍,严露,俞亚南,等. 真空预压加固软土地基变形与固结计算研究[J]. 岩土力学,2011(增刊1):149-154.

[4] 许 胜, 王 媛. 真空预压法加固软土地基理论研究现状及展望[J].岩土力学， 2006(增刊2): 943-947.

[5] 刘向明,程向东.基于ABAQUS的真空预压有限元数值模拟[J].价值工程,2012(27):194-195.

[6] 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]. 水力学报, 1998(6): 54-58．

Optimum Design of Vacuum Preloading Treatment Based on ABAQUS for the Soft Foundation of a Transformer Substation

WUHao,SHENGXueqing

2016-12-28

吴浩(1988—)，男，江西萍乡人，工程师，从事软黏土工程和地基处理研究.

TU447

B

1008-3707(2017)02-0029-05