高真空击密法处理吹填粉细砂地基施工参数优化研究

陈雷，张尧禹，马坤，沈宇鹏

（1.唐山建标工程项目管理咨询有限公司，河北 曹妃甸 063200；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

高真空击密法是一种新型的加固软土地基的专利技术，适用于加固处理粉土、黏性土、砂土等类型土的地基。通过新型节能高真空动态抽吸水装置使土体形成高真空后施加不同能量级别强夯的工艺，通过高真空排水-强夯击密的多遍循环，再利用人工抽真空形成的压力差，加速软土地基土中水排出，逐步降低土体的含水率，使得地基土的密实度和地基承载力逐步提高，两道工序的有机结合和相互作用是高真空击密法的独特机理；多遍的真空排水和强夯击密会使得施工地基表层形成一道硬实土层，可以有效地提高地基的承载力，还能达到减少差异沉降和工后沉降的目的[1-4]。

目前不少学者的研究表明高真空击密法具有较好的软土地基加固处理效果，能有效地减轻对周围环境的破环，值得推广和应用。但该技术在现阶段仍然存在一些需要进一步研究的地方，例如，缺乏完整的理论体系，缺少相应的参数设置依据，缺少详细的规范约束，缺少施工参数优化的研究等。因此，在以后的实际工程中还应不断的总结规律，并加强对处理方法的研究创新[5-9]。

本文针对曹妃甸工业区吹填土地基的工程地质条件，运用二维有限元软件PLAXIS模拟了高真空击密法的施工过程，并以施工期沉降量为评价指标，优化了该技术的施工参数。

1 工程概况

本文依托的吹填土地基处理工程位于唐山市曹妃甸工业园区迁曹高速公路连接线，临近渤海；场地原为海域，现已吹填成为陆地，吹填厚度约为5～7 m，高程3.90～5.75 m，属于滨海平原地貌，地势较为平坦，地下水丰富且埋深较浅，约0.0～4.1 m，属于浅层滞水。处理区域地层分布如下：

①层为吹填土，灰色，主要由粉细砂组成，混少量黏性土，含贝壳，松散，湿—饱和，人工吹填而成，土质极不均匀。

②层为亚黏土，灰色，人工吹填而成，主要成分为亚黏土以及亚砂土，其中混有少量细砂，含贝壳，松散且土质极不均匀。

③层为粉细砂，灰色，无摇振反应，稍有光滑，干强度及韧性中等，软塑—流塑，含砂粒及贝壳碎屑。

④层为亚黏土，灰色，含贝壳及粉细砂，摇振反应中等，无光泽反应，干强度及韧性低，湿，密实状态中密—密实。

各土层物理力学性指标见表1。

表1 各土层物理力学性指标Table 1 Physical and mechanical properties of each soil layer

2 计算模型

2.1 几何模型

本文运用二维有限元软件PLAXIS仿真模拟了高真空击密法的施工过程，研究地基是以夯锤中心为中轴线的圆柱体，设任意径向的变形和应力状态相同，将三维问题转化为二维平面应变问题。几何模型采用的是15节点的平面应变二维模型[10-12]，考虑到边界对计算结果的影响，计算模型的径向取34 m，深度方向取20.5 m，重力加速度为9.8 m/s2。

边界条件：在远离夯锤的竖向边界，固定水平向位移；在土层底部，考虑基岩的实际情况，固定竖向和水平向的位移。强夯的夯击过程是一个动力作用过程，在边界处理上采用的是动力边界处理（人工透射边界），即在当计算模型的尺寸较大的时候，边界的反射能量可以忽略，能够保证计算结果的正确性，因而采用了简便易行的标准固定边界[13-14]。

PLAXIS的几何计算模型由上到下分为4层，第1层土为吹填土，平均厚度为4.5 m；第2层土为亚黏土，平均厚度为2.3 m；第3层土为粉细砂，平均厚度为10.3 m；第4层土为亚黏土，平均厚度为3.4 m。地下水位取-1.3 m。

高真空击密的点间距为3.5 m×3.5 m；高真空排水管的间距为3.5 m×3.5 m，深管的深度为6 m，浅管的深度为3 m。

模拟方案采用多点多次夯击，建成的PLAXIS模型见图1。

图1 几何模型Fig.1 Geometric model

2.2 施加荷载

根据强夯时接触应力的实测结果分析，夯锤对地面冲击过程时的应力波为一个尖峰。计算时可以将强夯荷载简化为半周期简谐波荷载，详见图2。

图2 半周期简谐波荷载Fig.2 Half-cycle harmonic load

假设锤底接触面的最大应力为σmax，接触时间为Δt。郭见扬[15]从动量定理推出了接触面应力的峰值和平均值公式[9]：

式中：W为夯锤的重量，kN，夯锤的质量取15.6 t，W=mg=152.88 kN；S为夯锤的底面积，夯锤的直径为2.3 m，故S=1/4πd2=4.15 m2；h为夯锤落距，取14.5 m。如果忽略夯击时的夯能损失，则有从夯锤与地面接触到夯锤入土静止所需要的时间：

式中：L为夯锤单击时的夯沉量，取55 cm。根据该公式可以求得Δt=0.16 s。将以上参数代入式（1）得 σmax=869 kPa。

2.3 模型验证

为验证数值计算模型合理性，故对模型进行施工阶段的模拟计算，计算工况完全依照实际施工工况建立，单击夯击能2 216 kN·m，夯击次数为6次，夯锤直径为2.3 m，深管的深度为6 m，浅管的深度为3 m。图3为模型计算得到的沉降值与现场实测沉降值的数据对比。

图3 实测沉降与模型计算沉降对比Fig.3 The comparison of measured settlement and model calculation settlement

经比较，模型模拟计算所得的沉降值与现场实测的沉降值变化趋势基本一致，模拟沉降值在各次夯击下均略小于实测沉降值，但最大误差仅有0.095 m，误差仅为实测值的4.7%，故认为PLAXIS计算模型是可靠合理的。

3 参数优化

3.1 夯击次数优化

高真空击密法地基处理模型采用4个夯点，每点6次夯击，单击夯击能2 216 kN·m，锤高1.2 m。取相同的夯锤底部中心与地面的接触点为研究对象，高真空击密法地基处理模型沉降曲线见图4。

图4 不同夯击次数下的沉降曲线Fig.4 The settlement curves under different tampered times

在曹妃甸迁曹高速连接线地基处理工程中，要求一遍强夯击密的控制深度为1.5 m，从图4可以看出，第4击结束时的累积夯沉量已经达到了1.58 m，因此可以将一遍的强夯击密次数优化为4次，一方面满足了工程要求，又可以减少不必要的击密次数，降低了造价，也节省了工期；另一方面，实际施工过程中不应该一遍击密过深，造成起锤困难，图4中6次击密累积夯沉量已经达到了1.90 m，而锤的高度只有1.2 m，势必会造成起锤困难，不可取。

3.2 夯锤直径优化

分别建立夯锤直径为2.3 m、2.1 m、1.9 m的3个高真空击密法地基处理模型，分析在单击夯击能不变，夯锤质量m不变的条件下，改变夯锤的直径（夯锤高度也随之改变），击密效果的优劣。夯锤的直径在模型中表现为均布动荷载的宽度，得到的沉降曲线见图5。

图5 3个不同夯锤直径模型的沉降曲线比较Fig.5 Comparison of settlement curves of three different rammer diameter models

从图5中可以得到，夯锤直径为2.3 m时，最终沉降为1.9 m；夯锤直径为2.1 m时，最终沉降为2.3 m；夯锤直径为1.9 m时，最终沉降为2.7 m。

因为夯点间距为3.5 m×3.5 m，在总面积3.5 m×3.5 m=12.25 m2区域范围内夯点面积和夯间土面积见表2。

表2 夯点面积和夯间土面积Table 2 Ram point area and the soil area between ram points

从表2可以看出，在夯点间距相同的条件下，夯锤直径越小，夯间土的面积就越大，占总面积的比也越大。在实际工程中，进行一遍击密后，要将场地推平，以便进行下一遍击密，并且测定这一遍击密后的平均沉降。在用软件模拟时，将夯点处的沉降平均到整个3.5 m×3.5 m=12.25 m2的区域范围内，可以得到该范围内的平均沉降，见表3。

表3 换算成3.5 m×3.5 m区域范围内的平均沉降Table 3 The average settlement converted into within the range of 3.5 m×3.5 m region

由表3可知，换算成3.5 m×3.5 m=12.25 m2区域范围内的平均沉降后，夯锤直径为2.1 m的平均沉降最大，夯锤直径为2.3 m的次之，夯锤直径为1.9 m的最小。综上可得，夯锤直径越小，夯间土的面积就越大，占总面积的比也越大；在其他条件相同时，夯锤直径取2.1 m应该为处理曹妃甸地区吹填土路基的最佳夯锤直径。

3.3 排水管深度优化

前述模拟中，高真空排水管采用浅管长度3 m，间距3.5 m×7 m；深管长度6 m，间距3.5 m×3.5 m。下面模拟浅管长度不变，深管长度分别取5.5 m、6.0 m、6.5 m时地基的沉降变化，分别建立3个不同深管长度的高真空击密法地基处理模型，经过相同的施工工序，得到的沉降曲线见图6。

图6 3种不同深水管长度模型的沉降曲线比较Fig.6 Comparison of settlement curves of three different length models of deep drainage pipes

由图6可以看出，深管长度为6.0 m的模型沉降要比深管长度5.5 m的模型沉降大10 cm左右；深管长度为6.5 m的模型沉降要比深管长度6.0 m的模型沉降大10 cm左右。

因为地基模型中从上而下4.5～6.8 m处的土层为不排水的亚黏土层，由以上的结论可得，深管长度在4.5～6.8 m这一土层内，深管长度越接近6.8 m，所得到的沉降越大，综合考虑，可将深管长度优化为6.5 m。

4 结语

1）高真空击密法处理吹填土地基过程中，要求一遍强夯的控制深度为1.5 m，PLAXIS模拟时，第4击结束时的累积夯沉量已经达到了1.58 m，因此可以将一遍的夯击次数优化为4次。

2）在其他条件相同时，夯锤直径取2.1 m为处理曹妃甸地区吹填土路基的最佳夯锤直径。

3）地基模型中从上而下4.5～6.8 m处的土层为不排水的亚黏土层，深管长度在4.5～6.8 m这一土层内，深管长度越接近6.8 m，所得到的沉降越大，综合考虑，可将深管长度优化为6.5 m。