真空预压法加固吹填土地基的仿真分析方法

诸葛爱军，刘天韵，陈智军

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

在工程造价和绿色环保的双重要求下，围海造陆工程的填料多选用疏浚土。海底淤泥疏浚土本身颗粒细密，加之吹填过程中的水力分选作用，导致吹填形成地基土上部为具有一定厚度的超软土。新近的超软土地基没有经过长时间的沉淀，其先期固结压力几乎为0，因此相比于普通地基存在诸多问题，尤其是在不均匀沉降方面问题较大，工后沉降量有时会高达2 m多，较大的不均匀沉降量将导致建筑物产生裂缝甚至发生破坏。对吹填土地基进行有效加固，具有重要意义。

有限单元法是20世纪六七十年代发展起来的一种应用广泛且有效的数值分析方法，其实质就是利用数学近似的方法对实际的物理系统进行抽象模拟，以单元为中介，用有限未知量来逼近无限未知量的真实系统。运用有限元法对吹填土地基进行分析的学者很多，邬宜兰[1]采用Abaqus有限元软件建立模型，计算出堆载预压过程各时刻土体的沉降、位移、孔隙水压力等数据，分析了饱和软土地基在多级加载下的复杂的细观力学行为和宏观变形特征。朱峰[2]利用FLAC3D有限差分软件对强夯+井点降水+塑料排水板软基处理进行了研究。王旭升[3]首次实现了砂井地基固结的一维有限差分模拟（自编模拟程序为 SDDM），得到非完整砂井地基单井固结的固结度曲线。王晓平[4]利用FLAC 3D软件对强夯加固技术在软土地区路基填筑及地基处理中的应用进行了研究。曹延亮[5]基于现场竹网堆载管井排水加固超软土地基试验模型，建立了竹网堆载管井排水加固超软土地基的有限元数值分析模型，数值分析结果表明，4级加载稳定后固结度达到 97.7%，表层沉降速率≤1 mm/d，分析结果验证了设计方案的合理性。但在实际工程中[6-7]，运用真空预压法加固吹填土地基的过程十分复杂，主要可分为“抽真空前期和抽真空加固期”两部分，抽真空前期因为准备工作的开展会使地基产生一定的沉降，但其主要沉降量均为抽真空加固期的沉降量，地基的总沉降量为两个过程的共同作用结果，以上学者的研究对象多为抽真空加固期地基土体的变化，未考虑准备期的影响。

本文以连云港某吹填土加固工程为依托，运用有限元仿真方法，将抽真空前期的荷载进行等效，重点分析抽真空过程中吹填土地基的沉降量和孔隙水压力的变化，并将计算结果同现场实测结果进行对比，明确该方法的准确性。

1 工程概况

本依托工程位于连云港徐圩港区某吹填土地基加固工程，原地基为吹填形成的陆域，不能直接作为地基使用，需要进行加固。其土体分布及各物理力学参数见表1。采用常规式真空预压施工工艺加固软土地基，试验场区表面铺设0.5 m厚中粗砂，塑料排水板采用标准板，间距1 m，正方形布置，深度18 m。设计真空度85 kPa，有效抽真空时间150 d。

表1 地基土体参数Table 1 Parameter of foundation soil properties

2 模型的建立

采用ABAQUS中的soil分析步作为分析土体变形和孔压变化的主要分析步。结合工程的施工过程，分别建立初始边界—浅层加固—插板期间—深层加固—停泵分析步，每个分析步计算时继承上一步的应力、应变、孔隙比和超孔压。

为消除边界影响，建立宽28 m、深50 m的土体模型，如图1所示。排水板深度为21 m、间距0.7 m，采用直接施加孔压边界的方法，模拟排水板传递真空度和排出孔隙水的功能。土体选用摩尔—库伦本构模型，约束土体侧面的水平向变形，约束土体底面水平向和竖向的变形。选用带孔压自由度的CPE4P单元模拟土体，土体水平向网格间距为0.175 m，插排水板区域的土体竖向间距为0.5 m，无排水板区域竖向网格间距从0.5 m逐渐增大至1.5 m，共划分11 840个网格。模拟中首先设置地应力分析步，还原土体内部的应力场。然后采用soil分析步模拟真空预压施工过程中土体排水固结的全过程，排水时间和现场施工工程相同。由于将三维固结过程转化成二维模型进行模拟时，排水板被等效成排水墙，因此需要对土体的渗透系数进行调整。

图1 有限元分析模型Fig.1 FEA model

工程施工过程荷载包括欠固结土自重载荷、真空预压等。设置对应排水板位置处土体节点的超孔压为负值，并沿深度逐渐递减，模拟真空荷载沿深度损失。在荷载幅值曲线中设置荷载-时间表格，模拟现场开泵数量由少到多，稳步施加真空荷载的过程。工程中为了加快固结和提升标高，在吹填土表面吹填黑砂。吹砂过程相当于对吹填土施加永久堆载，通过线性增加的均布荷载来模拟该过程。均布荷载与土体负孔压荷载同时施加时即模拟真空-堆载联合预压作用。同时，在吹填土表面模拟了由于真空度差异导致的气压荷载，荷载大小与真空度关联。

3 分析结果

运用数值模拟方法对吹填土地基的加固过程展开分析，并将计算得到的表层沉降量和孔隙水压力结果同现场实测值进行对比，以验证该方法的有效性。

3.1 表层沉降

基于ABAQUS有限元软件，运用上述计算方法计算吹填土地基的表层沉降，其计算得到的云图如图2所示。

图2 有限元计算得到的沉降云图Fig.2 Settlement nephogram obtained by finite element calculation

由图2可知，不同土层产生的沉降量不同，表层土层产生的沉降量最大，约为1.75 m，与现场实测值1.77 m相差不大，仅为1.1%。由此可知采用上述有限元计算方法模拟真空预压加固吹填土地基的表层沉降是有效的，基本与现场实测结果相吻合。

为了更好地评估该仿真分析方法对于吹填土地基表层沉降量变化趋势的模拟效果，特将有限元计算结果与实测值进行对比，并将对比结果绘制于图3之中。

由图3可知，采用上述有限元仿真方法计算抽真空过程中，吹填土地基表层沉降量变化趋势与现场实测值基本吻合，由此可知，运用该有限元仿真分析方法计算吹填土地基表层沉降的变化趋势是有效的。

图3 有限元计算结果与现场实测结果对比曲线Fig.3 The comparison curve between finite element calculation results and in-site test results

3.2 孔隙水压力

孔隙水压力是衡量吹填土地基加固效果的重要指标之一，基于ABAQUS有限元软件，计算吹填土地基在加固过程中的孔隙水压力，其计算得到的孔隙水压力分布云图如图4所示。

图4 有限元计算得到的孔隙水压力云图Fig.4 The nephogram of pore water pressure calculated by finite element method

由图4可知，有限元计算得到吹填土地基中的排水板附近的孔隙水压力较周边土体较小，说明排水板作为排水通道可以有效使地基中的孔隙水压力得到消散。孔隙水压力分布云图中显示，地基5 m深度处的孔隙水压力大小为41.82 kPa与现场监测值41.17 kPa相差仅为1.5%。在数值上，仿真分析的结果与实测值相差较小。

为了更好地了解该有限元计算方法在计算吹填土地基加固过程中孔隙水压力的消散情况，特将不同加固时刻、不同深度处的孔隙水压力大小和变化趋势绘制于图5。

图5 有限元计算结果与现场实测结果对比Fig.5 The comparison of finite element calculation results and in-site test results

由图5可知，有限元计算得到不同深度的土层在不同加固时刻的孔隙水压力值与现场实测结果的变化趋势基本一致，但在数值上还存在一定的差距，尤其在深度较深的土层差异较为明显（深度超过11 m后计算值与现场实测值差异明显），其上部土层（5 m、8 m部分）的现场监测结果与有限元仿真结果差异则较小。

4 结语

基于ABAQUS有限元软件，并将仿真分析结果与现场实测结果进行对比，得到以下结论：

1）真空预压法加固吹填土地基的过程可以分为“抽真空前期和抽真空加固期”，吹填土地基产生的总沉降量为两个过程的共同作用结果，在模拟地基土加固过程时，需考虑其综合作用的影响。

2）本仿真分析模型可有效计算吹填土的沉降量，无论是在沉降量的大小还是变化趋势上与现场实测结果均十分接近，最大差异不超过1.1%。

3）本仿真分析模型可有效模拟真空荷载作用下吹填土地基的孔隙水压力大小，也可准确计算出不同加固时刻、不同深度处的孔隙水压力大小和变化趋势，计算结果与现场实测结果相差不到20%。