堆载速率对真空联合堆载预压路基沉降变形影响分析

陈志浩，王小泽

（滨州市水利资源开发建设中心 256600）

引言

软土在我国东南沿海地区分部广泛，因其承载能力较差，需要对软土地基进行加固处理方能进行建筑施工。真空联合堆载预压法以其施工简单、工期短、加固效果良好等优点得到了广泛的应用[1-2]。真空联合堆载预压法施工通过大型机械在软土路基中打设竖向排水井，随后通过在软土路基上一定方式的加荷，逐步排出软弱黏土层中的孔隙水，最终软土路基得到了固结压缩，路基强度得到了大幅度提高、减少了工后沉降及不均匀沉降。娄炎、尹敬泽[3]提出了真空联合堆载预压加固软基时候需要考虑分级加载及控制加荷速率问题；沙玲[4]和问建学[5]分别采用了ABAQUS和FLAC3D软件建立了真空联合堆载预压模型，将计算结果与现场监测数据进行对比分析，得到较理想的效果。

真空联合堆载预压处理软土路基能有效地解决工后沉降过大、路堤施工稳定性及工期过长的问题。然而，在实际工程施工过程中，部分施工企业并未真正掌握该方法的本质，盲目加快堆载的速度，不控制加荷速率，导致出现一些路堤滑坡、塌方等事故。因此，本文采用了ABAQUS有限元软件，对真空联合堆载预压进行了数值模拟，并通过改变加荷的方式，研究真空联合堆载预压路基的沉降变形规律，为实际工程提供施工指导。

1 工程背景及模型建立

1.1 工程背景

本文以实际真空联合堆载预压试验段为工程背景，该试验段位于珠海市西部某开发片区，试验段线路里程起止桩号为K0+330—K0+550之间，线路长度220m、平均宽度50m，地面标高2.4m。试验段加固面积约11 000m2。

图1 路基平面布置图

1.2 模型建立

目前，真空预压数值分析一般都是基于平面应变，由于真空堆载联合预压处理的地基都要打设砂井或者塑料排水板而形成砂井地基，用平面应变简化时，一般是调整土体或者砂井的渗透系数，从而将三维砂井地基转化为平面应变砂墙地基，使得计算模型和实际的受力、渗流情况有较大的区别。而用三维计算模型就能更真实地反应实际情况[6]。

本文模型仿真采用三维固结有限元来计算。典型的真空联合堆载预压处理软土路基工程如图2所示，由于软土路基工程过程中情况复杂多变，在进行三维固结有限元计算时要作一些假设和简化处理。

图2 典型真空联合堆载预压软土路基工程示意图

本次真空联合堆载预压仿真将塑料排水板处理后的软基进行了简化分析，不需要将塑料排水板简化为砂墙，只需要将打设的塑料排水版的间距和渗透系数进行等效调整计算。在数值模拟仿真中，经过简化处理塑料排水板地基，可直接作为均质地基，只是在渗透系数赋值是为等效系数即可。本文所采用的塑料排水板地基转化为均质地基方法参考于《基于ABAQUS的真空联合堆载预压软基固结分析》[7]一文中介绍的塑料排水板地基转化为均质地基的方法，模型边界条件的设定参照了此文中模型的设定，本文不再对此方法进行验证。

真空联合堆载预压路基本次模型仿真取长150m宽40m高40m的长方体路基，其中加固区宽50m，两侧各50m的加固影响区，堆载高度为3.3m、放坡1:1.5，加固深度为25m，其中考虑竖向加固影响范围，所在模型在竖向深度方向的取值为40m，如图3所示。模型参数设置如表1所示。

图3 模型示意图

表1 土体在数值仿真中的参数

随后通过参数设置及ABAQUS交互功能，实现了不同堆载速率下的真空联合堆载预压路基。真空联合堆载预压路基一般承受应力范围在每级40—50kPa为宜，既每级加载在1.5—1.8m左右最为适宜。本次模型计算通过ABAQUS中相互作用设置功能实现了3.3m高堆载土3种堆载速率，即一次性堆载3.3m高堆载土、分两次堆载3.3m高堆载土和分3次堆载3.3m高堆载土，其中分两次与分三次堆载中为均分3.3m。综上，本次模型仿真共计算3个不同参数下的真空联合堆载预压路基。

2 真空联合堆载预压路基沉降变形计算结果分析

2.1 路基中心沉降变形分析

真空联合堆载预压处理软土路基沉降变形最大沉降量发生在路基中心处，路基中心点的沉降是土体加固程度、加固效果的主要反应位置之一，路基地表中心点的沉降历程是土体加固效果的重要依据，最终沉降云图如图4所示。

根据图4所示，在模型计算完成后在ABAQUS的后处理器中查询计算结果，得到表2路基地表中心点最终沉降量。

图4 路基最终沉降示意图

从表2中可以得看出，当堆载速率不同时，将堆载土分3次堆载时沉降量最大，达到2.511m；沉降量最小为一次性堆载3.3m高度下的路基，沉降量为2.201m。沉降量差值为0.31m，最大沉降量为最小沉降量1.141倍。

表2 路基地表中心点最终沉降量

2.2 路基加固区外变形计算结果分析

真空联合堆载预压处理软土路基沉降变形主要是发生在真空联合堆载预压加固区内，即竖向排水体插打范围内。由于施工环境的复杂性，真空堆载预压沉降变形会对周围环境造成一定的影响，产生一定的水平位移，不同的加荷方式及大小，带来的影响不同。根据图4所示的水平位移云图，选取加固区外1m地表水平位移为研究点，绘制了水平位移-时间曲线。

从图5可以看出，随着堆载土的施加，由于堆载土自身重力的原因，产生了背离路基中心的位移，抵消了部分“包裹效应”，尤其是1次性堆载3.3m的情况下，产生背向路基中心的位移较明显；分2次堆载、3次堆载的情况下，每次堆载产生一定的负位移，接着进行堆载稳定阶段时，位移有一定的恢复现象，随着堆载的施加真空阶段产生的位移基本被抵消，分3次堆载对于加固区外的影响是最小的，最后趋于初始状态，说明分级加载对软土路基加固最有利。

图5 加固区外1m处水平位移-时间曲线

综上，当堆载速率不同时，对加固区外的变形趋势造成了一定的影响，但最终结果相差不大。

3 结论

本文以实际工程为背景，研究了不同堆载速率对真空联合堆载预压路基沉降变形的影响。根据实际工程条件，采用ABAQUS软件建立了真空联合堆载预压处理软土路基模型，考虑了一次性堆载3.3m、分2次堆载3.3m、分3次堆载3.3m的3种堆载速率对路基沉降变形的影响。基于计算结果得到以下结论：

（1）真空联合堆载预压竖向沉降最大处发生在路基中心处，一次性堆载3.3m下的路基竖向沉降变形最小，分3次堆载3.3m下的路基竖向变形最大，处理效果最好。

（2）真空联合堆载预压路基堆载速率不同，路基加固区外1m处水平位位移不同，分3次加载时加固区外1m处水平位移最小。

因此，真空联合堆载预压处理软土路基，分级加载的软土路基竖向沉降变形最大，效果最好，安全性较高，对软土路基处理最有利，为实际工程提供施工指导。□