土质市政路基排水固结-预压联合方法案例研究

摘要：近年来，排水固结-预压联合方法因成本低、环保、效果好被广泛使用。为了进一步探讨PHDs和PVDs在市政路基加固中的作用机理和效果，利用MIDAS有限元软件建立了排水固结-预压联合的实际工程的计算模型，模拟PVDs和PHDs的预压。通过垂直沉降、水平位移和孔隙水压力方面的对比实验，研究结果表明：PHDs的固结效果要好于PVDs。

关键词：市政路基；排水固结-预压；有限元模型；PVDs；PHDs

0" "引言

真空预压法是一种市政路基疏浚污泥处理方法，可以有效解决传统真空预压固结应力受限、真空度沿深度衰减、深层土的加固效果不理想、不均匀沉降等问题，但同时存在排水板容易淤积、排水板周围形成土柱等问题，进而导致不均匀沉降。

在真空预压过程中，小颗粒易堵滤膜孔，导致排水板淤积，细颗粒向排水板迁移，在其周围堆积形成渗透性差的土柱，降低了排水率，影响排水固结效率。近年来，排水固结-预压联合方法因成本低、环保、效果好被广泛使用。本文通过现场对比实验，建立了MIDAS有限元模拟排水固结-预压PVD（预制竖向排水板）和PHD（预制水平排水板）的预压，通过垂直沉降、水平位移和孔隙水压力方面的数据进行对比实验。

1" "工程概况

1.1" "工程基本情况

某市政路基新会城至崖门段一期工程位于我国南部地区。地基处理总面积分为13个处理区，其中1、3、6～10区的地基处理方法为排水固结-预压联合方法。

本文选择区域1作为研究对象进行模拟分析，其中软土地基处理面积为48m×106.9m。该区域的软土具有“三高一低”的特点，即高含水率、高孔隙率、高敏感性、低强度，因此工程性能差，需要进行软土地基处理。

1.2" "软土地基处理方法

根据施工设计图纸的要求，先进行前期准备工作，如平整场地，开挖排水沟。然后铺设砂垫层，再进行排水固结-预压联合的施工。地基处理深度约为13m，塑料排水板的埋设深度为12m，分别埋设PVD和PHD。塑料排水板完成后，铺设上部砂垫，开始真空预压。

经过10d的真空抽气，膜下的真空压力可以维持在85kPa。后期真空预压法的加固效果逐渐减弱时，进行堆积预压，累计加载量为3级。通过对沉降观测数据的分析，在沉降满足设计要求后，可以停止真空预压。

2" "相关理论基础

2.1" "固结理论

1925年，德扎格在对土体的固结性质进行分析时，首次提出并推导了一维固结的数学模型，为传统土体的固结提供了依据。基于此理论，Biot于1943年建立了三维固结模型，将土壤固结问题看作是土壤中的一个等效应力的转换。在此基础上，建立了土体的物理、几何及连续方程，分析了土体的力学性质。最后用达西定律及边值问题求解了土体的固结问题[1]。

在排水固结-预压联合方法中，由于排水板的存在，加固地基的排水固结是一个三维问题。但由于排水板密集布置在市政路基软土中，可以假设排水板在纵向上连接成一个平面，然后简化为一个平面应变问题进行处理。因此，Biot固结方程可以简化为：

式中：G为土壤剪切模量；v为泊松比；u为孔隙水压力；K为渗透系数，假设土壤中的渗透系数在各个方向上都相同；γw和γ分别为水的重力和土壤的重力。

在平面应变条件下，方程中的拉普拉斯算子和体积应变表示如下：

2.2" "排水板等效原理

2.2.1" "等效直径公式

排水板的作用是排出和传递真空负压，但塑料排水板在有限元平面计算模型中无法模拟，因此将排水板转换为砂墙进行处理[2]。排水板相当于砂井，具有相同的排水能力，并且砂井的直径可以设置为排水板的等效直径。Hansbo于1979年首次提出塑料排水板的等效直径公式可以表示为：

式中：dw为排水板的等效直径；a和b分别为塑料排水板的宽度值和厚度值；α为转换系数，通常为0.75～1.0。

2.2.2" "模型简化

针对砂井固结问题常采用三维空间模型进行计算。然而，由于三维有限元分析本身工作量大，再加上密集的砂井，网格单元大大增加，故采用二维平面有限元分析可以大大减少计算量。因此，在将塑料排水板转化为砂井的基础上，将砂井转化为砂墙，将空间问题转化为平面问题，以简化计算。转换后的砂墙渗透系数与砂井渗透系数的关系如下：

式中：kxa和kza分别为砂井基础的水平和垂直实际渗透系数，Dx和Dz分别为水平和垂直渗透系数调整系数。

3" "MIDAS有限元建立

3.1" "建立有限元模型

本文采用MIDAS有限元软件，建立排水固结-预压联合计算模型。模型的钢筋宽度为20m。真空预压会影响排水板底部下方和加固区域外部的土壤，计算模型的宽度和高度设为80mm和20m，排水板尺寸设为4.5mm×100mm，埋深为12m。根据土层和排水板的基本参数，可以得到模型和网格划分，有限元模型如图1所示。

3.2" "数值模拟分析

先对PVD和PHD排水固结-预压联合进行数值模拟分析。排水固结-预压联合中的荷载，主要是土壤自重、排水体中的真空负压和作用在加固区土壤表面的堆载压力[3]。

在初始应力阶段，激活所有土层（包括沙垫）、排水板、地基边界约束和质量。在定义构造中，将位移检查为零，并将初始应力阶段的位移设置为初始值。

在真空预载阶段，激活垫子排水条件和排水板排水条件。真空负载设定为负节点压力头，持续时间为30d。在真空联合堆载阶段，激活堆载土及其不固结条件，进行分级堆载。每个阶段的附加预压持续10d，在最后阶段的附加预压结束后，应一直保持到固结效果明显较弱为止。

4" "结果与分析

4.1" "竖向沉降位移计算与分析

4.1.1" "垂直沉降计算云图

有限元垂直沉降计算云图如图2所示。从图2可以看出，无论是采用PVD还是PHD，土层的沉降变形从上到下都是凹陷的。随着深度的增加，土壤的沉降量在减少，沉降趋于平缓。

排水板底部的土壤沉降轮廓线类似于一条直线，沉降主要发生在加固区范围内。在影响区外有一定程度的变化，其主要是因为加固区的市政路基土在排水固结-预压的作用下向影响区移动[4]。

4.1.2" "沉降与深度关系分析

深度与最终沉降之间的关系曲线如图3所示。从图3可看出，地表的土体沉降量最大，PVD的土体最大沉降量小于PHD。两种排水板的最大沉降量分别为0.692m和0.742m。

分析认为，采用PHD时，土体的固结方向与真空吸力的方向一致，即主要造成垂直沉降。随着固结的进展，相邻PHD之间的距离逐渐缩短，排水距离减少，可以有效缩短固结时间，提高土壤加固效果。

4.1.3" "沉降与时间关系分析

通过分析预压区的地表中心点，获得地表沉降与时间在中心点上的变化曲线。地表中心沉降与时间关系曲线如图4所示。从图4可以看出，采用真空预压法后，2种排水管道都出现了较快的沉降，其沉降量为60%左右。地面沉陷在预压阶段基本成直线，但随着预压时间的延长，沉陷速度逐渐减缓。

在荷载作用的初始阶段，沉降量显著增大，随后逐渐减小。在30d内，沉降量仅为3%。这是由于在荷载作用下，市政道路地基上的过量孔隙水迅速排出，使土体中的孔隙水压力迅速转变为有效应力，从而使土体中的孔隙减小。在后期，由于细粒物质易阻塞排水板的过滤薄膜，并不断积聚，使排水板周围产生“土柱”，从而使排水效果降低，并使后期沉降变得迟缓。

一般来说，使用PHD的地表沉降量要比使用PVD的地表沉降量大。这是因为在使用PVD固结的过程中，由于土体的初始应力和板块的压缩弯曲，排水板出现严重变形，并向一侧明显弯曲。

随着PVD之间的距离越来越远，排水路径被拉长，固结排水更加困难。在用PHD固结的过程中，排水板可以随市政路基土体均匀下移，排水板几乎没有弯曲变形，使真空传递更加均匀有效。

4.1.4" "排水板位移分析

图5为排水板的位移矢量图。从图5中可以看出，排水板的变形量随着深度的增加而逐渐减小，且PHD的最大位移差为50mm，PVD的最大位移差为80mm，即水平排水板的变形小于垂直排水板。

4.2" "水平位移计算与分析

4.2.1" "水平位移分析

水平位移云图如图6所示。从图6中可以看出，在排水固结-预压过程中，最大的正负水平位移出现在第一层和第二层土之间，影响范围大于沉降区的影响范围。采用PHD的排水固结-预压最大水平位移大于采用PVD的最大水平位移，分别为96.8mm、93.8mm，两者相差3mm。

4.2.2" "水平位移与时间关系

当埋深为6m时，对受力区与加固区交界处土体的水平位移进行分析。水平位移与时间的关系曲线如图7所示。从图7可以看出，在真空加载过程中，受影响区的土体被挤压到加固区（水平位移表示为负值），而在附加物预加载过程中，产生了土体从加固区向受影响区挤压的趋势（水平位移表示为正值）。在真空预压初期，加固区方向的水平位移呈线性快速增加，达到最大负值后逐渐放缓。

分析认为，由于开始抽真空，薄膜中的真空度迅速增加，真空吸力使影响区的土壤向加固区移动。然后，随着孔隙水的排出，上层土的有效应力增加，上层土对下层土施加压力，导致水平位移逐渐减小。随着附加预压的增加，土体在真空压力下的侧向收缩变形进一步减慢，逐渐产生侧向膨胀变形，土体从加固区向影响区移动。

4.3" "孔隙水压力的计算和分析

孔隙水压力与时间的关系曲线如图8所示。从图8可以看出，在真空预压初期，孔隙水压力迅速消散，然后在真空负压的作用下逐渐减慢，但仍保持消散的趋势。当附加预压开始时，每一级预压都会使孔隙压力突然增加，然后缓缓消散。在附加预压结束后，孔隙压力仍然缓慢消散，直到达到约-85kPa，然后趋于平缓。

同时，有PHD的土层孔隙水压力消散速度比有PVD的快，孔隙压力值在最后阶段达到吻合。这是因为PHD的弯曲变形小，排水效果好。在固结过程中，PHD的间距逐渐减小，排水路径缩短，排水效率较高，所以孔隙压力消散较快。在最后阶段，由于模型的节点水头值所设定的真空负压是相同的，所以最后两者的孔隙水压力是一致的。

5" "结束语

真空预压法是一种市政路基疏浚污泥处理方法，可以有效解决传统真空预压固结应力受限、真空度沿深度衰减、深层土的加固效果不理想、不均匀沉降等问题，但同时存在排水板容易淤积、排水板周围形成土柱等问题，进而导致不均匀沉降。

本文基于新会城至崖门段一期工程，利用MIDAS有限元软件建立排水固结-预压联合计算模型。在PVD和PHD在排水固结-预压联合作用下，对局部淤泥等市政路基软土的加固效果进行了对比分析，研究结果表明：PHD的固结效果要好于PVD。

参考文献

[1] 王同材.超声波水囊激振路基预压沉降变形特性技术研究"[J].中国水运，2023，23（22）：121-123.

[2] 卢萍珍，曾静，盛谦.软黏土蠕变试验及其经验模型研究[J].岩土力学，2008，29（4）：1041-1044+1052.

[3] 爱武，梁振振，卢力强，等.基于干湿循环与三维条件下污泥固化土邓肯-张模型研究[J].中国公路学报，2023，36（2）：69-79.

[4] 答治华.排水固结法在高速铁路无砟轨道路基软土地基处理中的应用效果分析[J].铁道建筑，2016（5）：131-134.

（广西建设职业技术学院，广西南宁" "530007）