软土地基堆载预压处理失效及二次处理分析

薛双运1，俞演名1，夏军红1，宁顺理1，章伟康，史 吏

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310023)

软土地基具有强度低、压缩性大、含水量高、渗透性差以及沉降随时间发展缓慢等特点。这些特点往往会对工程建设产生不利影响，如大幅度工后沉降会导致基础沉陷、机场跑道差异沉降、道路开裂和桥头跳车等工程问题。因此，对软弱土地基进行预处理十分必要。在众多软基处理方法中，堆载预压法[1-2]、真空预压法[3-4]或者两者结合[5-6]应用较广。预压法处理软土地基时，一般在土体里打设塑料排水板或砂井等排水通道，现场实测和模型试验研究[7-10]表明排水体结合堆载或真空预压能起到明显的地基处理效果。竖井固结属于三维问题，已有研究多采用有限单元法对软土地基塑排预压处理效果进行分析[11-12]和优化[13]，且多通过几何匹配或渗透性匹配或两者组合的方式将复杂三维竖井固结处理问题简化为二维问题进行研究[14]。其中，渗透性匹配较为常用：Chai等[15]认为打设砂井增加了地基的竖向渗透性，将砂井加固区简化为竖向和径向的等效渗透系数，从而进行平面应变等效分析；Indraratna等[16]对等效竖井厚度、涂抹区和未扰动区渗透系数进行了二维简化；赵维炳等[17]进一步考虑地基的侧向变形和竖向渗流，提出平面应变“砂墙”等效砂井固结的换算公式。基于赵维炳的简化方法，金亮星等[18]在有限元分析软件ABAQUS中采用Drucker-Prager本构模型模拟土体，建立了塑排堆载预压法处理软基的二维有限元模型，对比了地表沉降的数值和实测结果，两者得出了一致性规律。黄飞等[19]采用有限元分析软件Plaxis，结合Mohr-Coulomb本构模型，研究塑料排水板处理临江软基的作用效果，模型计算的结果和监测结果基本一致。基于Chai的等效方法，董超强等[20]采用Plaxis分析了某滩涂超软土地基工程，将沉降、深层水平位移以及超孔压消散的模拟结果与实测进行对比，验证了Chai方法的可靠性。相较于其他方法，Chai的等效方法具有考虑因素较为全面、计算效率更高等优势[21]。笔者后续计算分析中，将采用Chai的平面应变等效分析方法。

现有预压法地基处理模型试验、数值模拟和现场实测研究多针对土体中设置竖向排水体的工况，鲜有单纯采用堆载预压(即不设置竖向排水体)进行软基处理的相关研究报道。笔者结合某市政道路单纯堆载预压软基处理工程实际，采用Mohr-Coulomb本构模拟土体，在Plaxis中建立二维有限元模型，分析了单纯堆载预压沉降严重偏小的原因，继而对补打砂井二次处理的设计参数进行了优化分析，研究结论可为类似工程提供参考。

1 工程概况及沉降观测

某市政道路设计宽度约为40 m，软土路基段长度约为620 m，如图1所示。原设计对该段软土路基进行等载预压处理(不打设竖向排水体)，堆载施工期30 d，堆载高度为3 m(底部0.5 m为中粗砂、顶部2.5 m为全风化山皮土)，设计堆载压力为54 kPa。地基处理设计工期9个月，设计沉降量为0.45 m。根据地勘报告，拟处理深度范围内的土层参数列于表1，钻孔揭示地下水位埋深1.5 m。

图1 沉降板相对位置示意图Fig.1 The relative position of the settlement plate

表1 主要处理土层参数Table 1 Parameters of strata subjected to treatment

该软基路段东部、中部、西部(近河道一侧)设置了沉降板，见图1。对堆载施工期和恒载期地表沉降进行了观测，结果如图2所示。道路东部和中部最大沉降约为4 cm，西部最大沉降约为10 cm，且处理40 d后的沉降已基本稳定，双曲线法推算固结度已达到95%，但整体沉降量严重偏小(设计沉降量45 cm)，处理效果不理想，预期会产生较大的工后沉降。采用Plaxis模拟该地基处理设计方案(第2节)，可得路基表面中心点沉降发展情况(图2)以及地基超静孔压分布情况(图3)。由图3可知：Plaxis沉降预测与西侧沉降板实测结果较吻合，说明了笔者计算模型的合理性。同时，土体已处于沉降变形稳定状态，粉土层超静孔压已完全消散，但淤泥质粉质黏土层累积孔压无法消散，从而导致固结沉降发展缓慢并很快趋于稳定。分析以上原因，结合现场已回填山皮土而不具备插打排水板施工条件的情况，提出补打砂井的二次处理措施，加速地基径向排水，预期能够有效消散淤泥质粉质黏土层的超静孔隙水压力，从而达到地基处理的目的。砂井施工时可采用钻机预成孔，砂井顶部埋入中粗砂堆载料中，作为砂井顶部的水平排水层。下面拟对砂井打设深度和间距进行参数分析，从而优化砂井设计方案。

图2 现场实测结果与Plaxis预测结果对比图Fig.2 Comparison between field measurement and Plaxis simulation result

图3 超静孔隙水压力分布云图Fig.3 Contour plot of excess pore water pressure

2 堆载预压及补打砂井二次处理有限元模型

2.1 有限元计算模型

建立堆载预压法处理软土路基的二维有限元计算模型，如图4所示。考虑渗流边界条件的要求，计算断面的宽度和深度分别取60 m和20 m。考虑对称性，取路基横断面的一半进行分析。根据Chai等[15]的等效公式，调整砂井加固区的竖向渗透系数，从而进行二维平面应变等效分析，即

(1)

(2)

式中：Kve为等效竖向渗透系数，m/d；l为砂井排水距离，m；De为单井等效范围直径，m，正三角形布置砂井，De=1.05Sb；Sb为砂井间距，m；kh和kv分别为地基土水平向和竖向渗透系数，m/d；ks为涂抹区的渗透系数，m/d；qw为砂井通水性能qw=Aw×k，m3/d，其中Aw为砂井截面积，k为砂井渗透系数；井径比n=De/dw；涂抹比s=ds/dw；ds为涂抹区直径，通常为4～6倍的井直径，m；dw为砂井直径，m。

图4 几何模型及边界条件Fig.4 Model geometry and boundary conditions

堆载简化为均布荷载直接施加在地表，限制模型底部的位移和两侧的水平位移，模型顶部及右侧边界透水，模型左侧边界为对称面，故设置为不透水边界，淤泥质粉质黏土的下卧土层为黏土，故模型底边界设置为不透水。

2.2 土体本构模型

据已有软基预压处理有限元方面的研究文献，出现的土体本构类型有D-P模型[18]、HSS模型[11]、剑桥模型[12]以及M-C模型[9,11,19]，其中M-C本构模型更为常用，主要是因为它参数最少，且工程勘察报告中也基本包括了M-C的本构模型参数。另外，考虑到软基预压处理过程中，土体处于单纯加载状态，M-C本构模型在描述加载变形和破坏方面的精度是满足工程使用要求的，其余更高级的本构模型如HSS模型，其复杂性主要是体现对卸荷响应的合理描述上。综上所述，笔者采用M-C本构模型进行有限元数值分析，其本构参数主要为杨氏模量E、泊松比ν、土体塑性的内摩擦角φ和内聚力c等。

2.3 计算工况

堆载分三级施工，每级堆载高度为1 m，堆土高度随时间变化关系见图5。在原设计方案处理到第60天时补打砂井，根据不同砂井深度和间距组合，共设计了5 种二次处理工况，见表2，表中同时包括了原设计的单纯堆载预压方案(工况1)。各二次处理工况中的砂井为正三角形布置，直径dw=70 mm，砂井的砂料应选用中粗砂，其黏粒含量不应大于3%。

图5 堆土高度(荷载)—时间曲线Fig.5 Surcharging load and time curve

表2 分析工况Table 2 Simulation cases

2.4 参数取值

模型土层计算参数见表1，其中弹性模量和压缩模量之间的换算可以由侧限条件推得，粉土和淤泥质粉质黏土的泊松比分别为0.35和0.4。据表1，2可得二维等效简化模型(式1，2)的输入参数，见表3。软土kh/ks一般取为13.5，通水性能qw取80 m3/d[22]。

表3 二维等效简化模型计算输入数据Table 4 Input data for two-dimensional simplified equivalent model

确定以上等效模型计算输入数据后，可得各工况下土层的等效竖向渗透系数，见表4。

表4 土层等效渗透系数Table 4 Equivalent permeability of soil

3 数值模拟结果及对比分析

3.1 砂井深度的影响

3.1.1 不同砂井深度的地表沉降

选取路基中部地表观察点A(图4)，A点处地表沉降随时间的变化见图6。由图6可见：在堆载期间，地表的沉降变化较大，随后沉降变化趋于平缓，但不同工况之间存在差异。其中，工况1(单纯堆载预压)沉降量最小，为14.4 cm。砂井进入淤泥质粉质黏土层深度为4，6，8 m时(工况2，3，4)，120 d的地表沉降值分别为20.3，21.1，22.6 cm。可知，补打砂井能有效加速沉降发展，随着砂井打设深度增加，地表沉降均有较明显增加。

图6 工况1～4的地表沉降对比图Fig.6 Comparison on ground settlement between cases 1-4

3.1.2 不同砂井深度的孔隙水压力

取路基中线正下方埋深为16 m的B点(进入淤泥质粉质黏土层8 m，图4)作为观察点，其超静孔隙水压力随时间的变化如图7所示。可以看出：在堆载填筑期间，孔压急剧增加，120 d时工况1～4超孔隙水压力数值分别为40.78，39.3，34.9，24.5 kPa。随着砂井深度的加大，孔压消散速率不断增大。

图7 16 m深度处孔压消散Fig.7 Dissipation of pore pressure at the depth of 16 m

图8为堆载施工完成时超孔隙水压力分布云图，图9，10为工况1，2的120 d超孔隙水压力分布云图，工况3，4孔压云图分布规律与工况2类似，但云图范围逐渐缩小。可知堆载完成时超孔隙水压力积聚在淤泥质粉质黏土层。在不打砂井的情况下，固结120 d后粉土层的超孔压基本消散完，但黏土层的超孔压仍难以消散。补打砂井后，淤泥质粉质黏土层中的超孔压加速消散，且随着砂井深度越深，孔压消散越明显。

图8 堆载完成时孔压云图Fig.8 Excess pore water pressure distribution cloud when the loading completed

图9 工况1的120 d孔压云图Fig.9 120 days excess pore water pressure distribution cloud in case 1

图10 工况2的120 d孔压云图Fig.10 120 days excess pore water pressure distribution cloud in case 2

3.1.3 不同深度砂井的平均固结度

图11，12分别为不同砂井深度下的应变固结度和孔压固结度曲线。单纯堆载预压时(工况1)，120 d的应变固结度仅有37%，而其他3 种工况所对应的120 d应变固结度分别为51.3%，63.5%，81.5%。同样的，工况1的120 d孔压固结度为64%，而其他3 种工况所对应的120 d孔压固结度分别为74.4%，78.7%，85.4%。结合沉降、孔压和固结度的发展情况，可见增加砂井深度可明显加速软基固结沉降。因此，建议本工程采取16 m的砂井深度为宜，即砂井进入淤泥质粉质黏土层8 m。

图11 应变固结度Fig.11 Strain consolidation

图12 孔压固结度Fig.12 Pore pressure consolidation

3.2 砂井间距的影响

3.2.1 不同砂井间距的地表沉降

路基中部地表点A处地表沉降随时间的变化见图13。砂井间距分别为1.5，2，2.5 m时(工况4，5，6)120 d地表沉降值较单纯堆载预压的工况分别增加了8.2，6.8，6 cm。结合Plaxis模拟得到的沉降云图见图14(工况5，6沉降云图分布规律类似，但沉降幅值范围有一定缩小)，显示沉降区域的范围和量值都有较明显减小。可以得出，随着打设砂的井间距变大，沉降量不断减小。

图13 工况1，工况4～6的地表沉降对比图Fig.13 Comparison on ground settlement between cases 1 and case 4-6

图14 工况1的120 d沉降云图Fig.14 120 days settlement distribution cloud in case 1

3.2.2 不同砂井间距的孔压

B点超孔隙水压力随时间的消散情况见图15。可以看出，随着砂井间距减小，孔压的消散也越明显。120 d后4 种工况对应的超孔隙水压力数值分别为40.78，34.1，30.6，24.5 kPa。对比不同砂井深度下最大超孔隙水压力消散值(14.8 kPa)，不同砂井间距工况下最大超孔隙水压力消散值减少为9.5 kPa。相较而言，改变砂井的打设深度对下层淤泥质粉质黏土超孔隙水压力消散更有效。

如图16所示为工况5下超孔隙水压力分布云图，工况6孔压分布规律类似，但孔压聚集区的范围缩小。砂井打入黏土层后，黏土层中的超孔压消散加速，且随着砂井间距的增加，超孔隙水压力消散越慢。

图15 16 m深度处孔压消散Fig.15 Dissipation of pore pressure at the depth of 16 m

图16 工况5的120 d孔压云图Fig.16 Excess pore water pressure distribution cloud in case 5

3.2.3 不同砂井间距的平均固结度

图17，18分别为不同砂井间距下的应变固结度和孔压固结度曲线。单纯堆载预压工况时(工况1)，120 d的应变固结度仅有37%，而其他3 种工况所对应的120 d应变固结度分别为81.5%，63.1%，53.1%。同样的，工况1的120 d孔压固结度为64%，而其他3 种工况所对应的120 d孔压固结度分别为85.4%，80.4%，76.1%。综合沉降、孔压和固结度的发展情况，建议本工程砂井打设间距以1.5 m为宜。

图17 应变固结度Fig.17 Strain consolidation

图18 孔压固结度Fig.18 Pore pressure consolidation

4 结 论

分析了原堆载预压处理方案沉降发展缓慢的原因主要是地基下部黏土层的渗透性很低，超孔隙水压力积聚而难以消散，导致土体固结沉降缓慢，进而提出补打砂井的二次处理措施。同时，验证了补打砂井能明显加快淤泥质粉质黏土层的孔压消散和固结沉降，并且相较于减小砂井间距，加大砂井进入淤泥质粉质黏土层深度对沉降发展贡献更大。最后，建议本工程补打砂井的深度为16 m(即砂井进入淤泥质粉质黏土层8 m)，砂井间距为1.5 m，此时可得到较好的地基处理效果。