含砂层软土地基真空预压二维有限元分析

摘要：采用真空预压处理含砂层软土地基时，受现场试验环境的限制，无法定量分析含砂层会对地基形变产生的影响。以温州某围海工程为例，针对粉砂含淤泥、淤泥等物理力学性质差异明显的土样，通过有限元模型对真空预压加固过程进行数值模拟计算。将模拟分析结果与现场实测数据进行对比分析，明确了含砂层对软土地基排水的促进作用，揭示了在砂层厚度不变的条件下，含砂层埋设深度越深，软土地基的分层沉降及侧向位移越大的规律。研究验证了有限元模型的合理性，可为真空预压技术处理类似地质条件提供有效参考。

关键词：含砂层；真空预压；有限元分析；现场试验

中图分类号：TU470+.3" "文献标识码：A" "文章编号：２０９６-2118（2024）04-0069-08

Two-Dimensional Finite Element Analysis of Vacuum Preloading of Soft Soil Foundation with Sand Layer

XIE Bin1，XIE Zhongwu2，WANG Xiaofeng3*，WANG Long3，4，5，6，7，XU Mintao3，4，5，6，7

（1：Wenzhou Water Conservancy Investment Development Co.，Ltd.，Wenzhou Zhejiang 325000，China；2：Wenzhou Education Infrastructure Center，Wenzhou Zhejiang 325000，China；3：Wenzhou University， Wenzhou Zhejiang 325000，China；4：Zhejiang Province Key Laboratory of Soft Soil Foundation and Reclamation Engineering Technology of Seawall，Wenzhou Zhejiang 325000，China；5：Zhejiang Province Haitu Reclamation and Its Ecological Protection Collaborative Innovation Center， Wenzhou Zhejiang 325000，China；6：Coastal Soft Soil Foundation Disaster Prevention and Mitigation Technology Zhejiang Engineering Research Center，Wenzhou Zhejiang 325000，China；7：Ultra-Soft Soil Engineering Technology and Intelligent Monitoring Zhejiang International Science and TechnologyCooperation Base，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

Abstract：When vacuum preloading is applied to treat soft soil foundations with sandy layers，quantitative analysis of the influence of the sandy layers on foundation deformation is constrained by the limitations of on-site experimental conditions.Taking a coastal engineering project in Wenzhou as an example，finite element modeling was utilized to numerically simulate the vacuum preloading reinforcement process for soil samples exhibiting significant differences in physical and mechanical properties，such as fine sand with silt and silt.The simulation analysis results were compared with on-site measured data，elucidating the facilitating role of sandy layers in promoting drainage in soft soil foundations，it revealed that under the condition of constant sand layer thickness，the deeper the burial depth of the sandy layer，the greater the stratified settlement and lateral displacement of the soft soil foundation.The study validated the rationality of the finite element model，providing valuable insights for the application of vacuum preloading technology similar geological conditions.

Keywords：sand layer；vacuum preloading；finite element analysis；field tests

0 引言

真空预压是在土体当中施加真空压力，促进土体排水固结的一种软基处理方法[1]。然而，为了提升吹填施工的效率，在围垦施工过程中，存在先吹填砂，后吹填淤泥的情况。在此施工条件下，形成了“杂填土-粉砂夹淤泥-淤泥”的复杂地质条件。根据《岩土工程勘察规范GB 50021—2001》[2]，其对夹层的定义为：层厚＜0.5 m，且薄、厚层厚度比为1/10～1/3的土层。

在实际工程中，真空预压对含砂层软土地基的处理效果尚未得到实际验证。在外部荷载的作用下，软弱土层表现出较大的压缩量，相比之下，含砂层的压缩量则较小，造成土层之间显著的沉降差异[3]。有限元分析逐渐成为解决复杂工程计算问题的有效途径。BIOT[4]固结理论在真空预压领域得到了广泛应用，可以准确反映出孔隙水压力消散与土体变形之间的耦合关系。基于Hansbo理论，INDRARATNA等[5]提出了考虑井阻和涂抹效应的简化砂墙的方法。CHAI等[6]借助二维有限元软件模拟了软土地基在真空预压处理前后的变形特点，并获得良好的拟合效果。

本文基于真空预压软基处理项目，进行了现场试验，针对含砂软土地基的特殊工况，利用有限元软件Plaxis 2D对试验过程进行模拟，选取适合的本构模型，建立有限元模型，对真空预压加固过程进行模拟计算。在对比分析模拟结果与现场实测数据吻合的基础上，进一步研究了含砂层在不同埋深条件下，软土地基的变形规律，研究弥补了类似案例的研究空白，可为实际工程提供设计指导。

1 工程概况

以龙湾Ⅱ期智能制造基地工程为例，软土地基沿深度范围内（0～40 m）存在②1粉砂夹淤泥层，如图1所示，场区地貌为海积平原，场地高程2.4 m～6.5 m，地下水位于地表以下约1.5 m～2 m，各层土体均处于饱和状态，其中②1粉砂夹淤泥，②2淤泥夹粉砂为夹层土。类似的地质条件在温州瓯飞、台州市温岭担屿涂等围垦工程中广泛存在。

各层土体的含水率高于相应液限，抗剪强度较低。初步采用真空预压法提高软土地基承载力，土体物理和力学参数见图2。

2 现场试验

2.1 试验概况

讨论真空预压对于夹砂软土地基的加固效果，采取现场真空预压试验，在位于拟建道路的不同位置设置试验区A～E五片试验区（如图3～图4）。试验总面积约为480.34 m2，现场试验从2022年3月开始至2022年5月结束。

2.2 监测说明

加固区域四周设置深度＞2 m的密封沟，开挖后先铺设无纺土工布和密封膜，埋设深度为1.5 m～2.0 m，将密封沟埋入淤泥层，沟内回填不透气淤泥、黏土及水以保证密封性（见图5）。每片试验区均在波纹管、土工膜下及土中布设真空度探头，以及孔隙水压力计。将连续10 d地表沉降量＜2 mm作为停止真空预压的条件。

试验期间关注膜下真空度变化及分布情况，对于部分区域表面密封膜发生损坏的情况进行了及时修复。试验区A于第34 d停止抽真空，于第47 d重启直至试验结束。

3 有限元模拟

基于Plaxis 2D生成的半对称模型，变形条件为平面应变假设，孔隙水压力计算的类型采用稳态地下水渗流，有限元网格采用15节点三角形单元，划分为691个单元，共5 707个节点。用于生成80 kPa真空荷载的排水体长度为16 m，施加持续61 d真空预压，试验过程按照渗流固结耦合计算分析，边界条件及有限元模型见图6。在有限元分析中，软土的本-构模型采用修正剑桥模型，②1粉砂夹淤泥层采用线弹性模型。土样水平向渗透系数一般为竖直向渗透系数的1.5倍。土体有限元参数见表1。

4 试验结果及分析

4.1 地表沉降

室内压缩试验得到各层土样e-lgσ′关系曲线，如图7所示。根据40 kPa～450 kPa荷载下的压缩指数Cc可将吹填土样按照压缩性分为三类：高压缩性土（淤泥），中压缩性土（淤泥夹粉砂，淤泥质黏土，黏土），低压缩性土（粉砂夹淤泥，粉质黏土）。吹填混合土在荷载作用下形成了砂骨架。骨架形成之前，表现出似黏土性状，而在骨架形成之后，砂颗粒彼此接触，抑制了孔隙比的减小。

地表沉降随时间变化关系对比如图8所示，软土地基经过64 d真空预压加固过后，各试验区最终沉降位于160 mm～250 mm，由于试验期间A试验区停泵14 d，所以试验区A地表沉降量略小于其他四片试验区。有限元模拟得到试验地基经过300 d真空预压后的地表沉降量在310 mm附近。2000年，济南“遥墙”机场路基加固案例中，TANG等[7]针对表层土体含有粉砂的工况，对打设密封墙后软土地基采用真空预压试验处理。该地基在进行了90 d的真空固结后，地表最终沉降量为320 mm。

4.2 真空度及孔隙水压力

通过在试验区内布置真空度监测点，分别监测试验期间土体内部真空度，膜下真空度以及波纹管中真空度。由于风化、浸泡等因素导致土工膜表面发生不同程度的破损，是试验期间的真空度波动主要原因，经及时修复处理后，真空度达到稳定。监测结果显示，本次现场试验中，检测到浅部（1 m～3 m）土体的真空度的与超孔隙水压力变化趋势一致。但由于在监测仪器埋设过程中，自由水在压强的作用下，通过真空探头挤入真空软管中，使得后续试验过程中，真空探头附近的土体在真空荷载作用下发生淤堵，使得软管内的水无法及时排出，导致连接深层土体的真空表无法显示读数[8]。

试验区A在试验第34 d～47 d内经历真空泵停泵。孔隙水压力在真空荷载作用时始终保持张拉状态，并在排水-固结的过程中逐渐消散。停泵后，真空荷载无法继续作用在地基当中，各深度处孔隙水压力有所回升。在重新施加真空荷载后，孔隙水压力继续消散。以试验区C试验区为例，通过有限元模拟得到的孔隙水压力变化曲线呈现为自然对数函数形式，虽然现场实测数据是离散的，但变化关系与模拟结果吻合。从图9中可以观察到，以②1粉砂夹淤泥为分界层，素填土（0～-5 m）内孔隙水压力整体变化趋势较快，并在后续10 d～30 d内逐渐消散。而吹填混合土层（-7 m～-15 m）内孔隙水压力变化趋势较缓，孔隙水压力的变化量先是在真空固结前5 d内达到最大，随后在试验过程中保持稳定。这是因为在一定的含砂粒尺寸下，增加砂-泥混合料中砂的含量，可以增加孔隙水的排出，从而加速孔隙水压力的消散。

4.3 基于不同埋深砂层的影响

本节有限元模型，通过控制含砂层厚度不变（3 m），改变含砂层的埋设深度（5 m，8 m，11 m），探究真空预压对含砂层软土地基加固变形的影响。在本次有限元分析计算中，加固时间为300 d，参考现场工况，排水板（PVD）的打设深度为16 m，相关参数与真空预压现场试验保持一致。具体方案见表2。

4.3.1 分层沉降

基于含砂层不同埋设深度，为研究真空预压法对软土地基分层沉降的影响，有限元模型在控制含砂层厚（3 m）不变的基础上，改变粉砂夹淤泥层的埋设深度，如方案1，方案2，方案3，进行300 d真空预压有限元分析，基于有限元计算结果，在1 m，3 m，5 m，7 m，10 m，13 m，15 m处的观测点，得到如图10所示的分层沉降对比。

由图10可知，在真空预压期间方案1，方案2，方案3的分层沉降，随加固时间进行而不断增加，后期变化趋势逐渐趋于平缓。相同层厚（3 m）的含砂层不同埋设深度的条件下，分层沉降变化各不相同，具体表现为：方案1在1 m，3 m，5 m处的沉降量分别为21.6 mm，11.1 mm，6.64 mm；方案2在1 m，3 m，5 m处的沉降量分别为25.29 mm，15.2" mm，9.31 mm；方案3在1 m，3 m，5 m，7 m处的沉降量分别为27.88 mm，18.03 mm，11.89 mm，7.79 mm，经过300 d真空预压加固，相同含砂层厚（3 m）在不同埋设深度下的软土地基，在埋设深度相同的位置处，分层沉降随含砂层埋设深度的增加而相应增大。这主要是因为素填土与粉砂夹淤泥层的压缩模量差异加大：素填土层在真空荷载作用下，相较于粉砂夹淤泥产生了较大的形变量，粉砂夹淤泥层以下的深层淤泥沉降量变化较小，在真空压力下产生的形变较小，限制了该处的分层沉降。分层沉降模拟结果表明，具有相同含砂层厚的软土地基在不同埋设深度下（5 m，8 m，11 m），真空预压产生的分层沉降随含砂层埋设深度增加而增大。

4.3.2 侧向位移变化

为研究含砂层对软土地基侧向位移的影响，有限元模型在控制原有含砂层厚不变（3 m）的基础上，如方案1，方案2，方案3，改变粉砂夹淤泥层的埋设深度，分别为5 m，8 m，11 m，进行300 d真空预压有限元分析，基于有限元计算结果，在1 m，3 m，5 m，7 m，10 m，13 m，15 m处的观测点，得到如图11所示的侧向对比。

在含砂层厚（3 m）不变的情况下，通过调整含砂层顶部及底部标高，得到含砂层的不同埋设深度工况，经过300 d真空预压加固处理，软土地基的侧向位移随含砂层埋设深度增加而逐渐变大，方案1在1 m，5 m，10 m处的侧向位移分别为110 mm，45 mm，30 mm；方案2在1 m，5 m，10 m处的侧向位移分别为195 mm，48 mm，15 mm；方案3在1 m，5 m，10 m处的侧向位移量分别为210 mm，48 mm，15 mm。侧向位移并不会随含砂层的厚度发生改变，且地基发生侧向位移的主要深度位于-5 m以上，受埋深及含砂层的限制影响，淤泥层的侧向位移在真空预压加固第25 d内达到最大，后保持不变。含砂层软土地基侧向位移变形证明：在保证含砂层层厚不变的条件下，含砂层埋设深度对软土地基的侧向变形影响较大，同时含砂层对软土地基侧向变形起到约束作用。

5 结论

1） 采用有限元模拟真空预压处理含砂软土地基时，对粉砂夹淤泥采用线弹性本构模型，素填土、淤泥夹粉砂、淤泥采用修正剑桥模型，计算过程采用流-固耦合，计算结果与实测值更为一致。

2） 孔隙水压力对比结果证明，含砂层对软土地基的排水效率具有促进作用。

3） 随着砂层埋深的增加，软土地基的分层沉降及侧向位移越大。

参 考 文 献

[1]WANG J，MA J，LIU F，et al.Experimental study on the improvement of marine clay slurry by electroosmosis-vacuum preloading[J].Geotextiles and Geomembranes，2016，44（4）：615-622.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.岩土工程勘察规范：GB 50021—2001[S]北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3]董志凌，曲月华，戴约林.吹填软弱土夹层的真空预压加固方法探讨[J].水道港口，2015，36（4）：350-354.

[4]BIOT M A.General theory of three dimensional consolidation[J].General Theory of Three Dimensional Consolidation，1941，12：155-164.

[5]INDRARATNA B，REDANA I W.Plane-strain Modeling of Smear Effects Associated with Vertical Drains[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123（5）：474-478

[6]CHAI J，CARTER J P，LIU M D.Vacuum Consolidation and Deformation Analyses-Case Studies in Japan，Proceedings of the International Conference on Ground Improvement amp; Ground Control，October 30-November 2，2012［C］.Singapore：Research Publishing，2013.

[7]TANG M，SHANG J Q.Vacuum preloading consolidation of Yaoqiang Airport runway[J].Géotechnique，2000，50（6）：613-623.

[8]张功新，莫海鸿，董志良，等.真空预压中真空度与孔隙水压力的关系分析[J].岩土力学，2005（12）：1949-1952.

编辑：杨 洋