真空预压软土地基加固效果影响因素数值模拟研究

摘要 为了研究真空预压软土地基加固效果的影响因素，文章以温州市某软土地基处理项目为依托工程，采用数值模拟与现场实测相结合的研究思路展开研究。首先，根据现有的监测数据，结合ABAQUS对现场工况进行了模拟，以验证ABAQUS预测沉降、孔隙水压力等数据的可行性和准确性；然后，分别模拟不同真空荷载、塑料排水板打设深度、排水板打设间距、排水板布置方式等不同工况，并对其模拟结果进行分析；最后，确定了不同工况下的具体影响效果，以选定合理的优化方式，从而优化设计参数，为后续现场施工提供客观可靠的理论指导和数据支撑。

关键词 真空预压；软基处理；加固效果；影响因素；数值模拟

中图分类号 TU744 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2025）02-0004-03

0 引言

我国沿海地区软土分布广泛，为满足工程建设需求，需要对其进行处理。软土工程力学性能极差，若在建造施工前不进行处理或处理不当，会使其上的构造物产生较大的沉降变形，严重影响其上工程的结构稳定性和耐久性。因此，需要对软土地基进行加固处理[1-2]。

传统的地基处理方法如桩体复合地基法和堆载预压法，存在明显的工期长、造价高、施工难度大、便利性差等缺点。现有工程案例证明，真空预压法[3-5]对软土地基的加固效果良好，且具有很大的经济和社会效益。当前，许多学者已对真空预压法对软体地基加固效果的影响因素进行了许多研究，孙佳锐[6]运用ABAQUS有限元软件在不同真空负压强度条件下，对土体竖向位移和水平位移的影响进行模拟，结果表明真空负压的增大可使土体沉降和水平位移增大，改善土体加固效果；Harvey[7]通过研究发现打设的砂井周围土体最先固结，加固效果受打设深度的影响较大；吴春勇[8]分析了现场监测数据，认为真空预压加固效果受排水板打设深度的影响较大，且成正比关系；张泽鹏等[9]对比了砂井和排水板的加固效果，得到了排水板加固效果优于砂井的结论；娄炎[10]通过实验发现真空预压加固效果受竖向排水板的影响很大，且排水板通水量也能影响加固效果。

综上，该文依托温州市某软土地基处理项目，采用真空预压法对该区域内的软土进行击鼓处理，根据现有的现场监测数据，分别模拟不同真空荷载、塑料排水板打设深度、排水板打设距离、排水板布置方式的工况，并对其模拟得出的数据进行分析，确定不同工况下的具体影响效果，以选定合理的优化方式，从而优化设计参数，为后续的现场施工提供客观可靠的理论指导和数据支撑。

1 工程概况

依托工程区原地形地貌为滩涂浅海区，后经围海吹填造陆而成。地形基本平坦开阔，开工前场地现状主要为荒地，标高相对较低。近些年受周边工程活动影响，局部作为河泥、泥浆及建筑废土的消纳场地，部分地段有大面积积水，水深一般在1 m左右，大部分已长满荒草。根据勘察范围内揭露的地质资料，工程区大范围分布软土层，土体的物理力学性质极差，需要进行地基处理。

2 真空预压数值模拟

2.1 数值模型的建立

2.1.1 拟定ABAQUS模型

该文选用ABAQUS有限元软件进行真空预压数值的模拟，根据加固区域的对称性，选取加固区域长度的一半进行建模分析，模型内加固区域长度为86 m，影响区域长度在加固区边界向外延伸172 m。根据现场地勘报告和设计方案可知，主要加固区底层深度约为19 m，因此将排水板长度设置为20 m，竖向计算深度取40 m进行分析。将其打设间距设置为1 m，其布置方式选择正方形布置。由于排水板对土体扰动较小，故不考虑涂抹作用。加固深度内的土质主要为吹填土、黏土和淤泥质土，具有黏弹塑性，因此选用线弹性模型和塑性摩尔库伦模型进行模拟。

2.1.2 塑料排水板简化

地基沉降实际上是个三维问题，但在ABAQUS模型中将它简化为二维的平面应变问题进行分析，主要将排水板加固的软土地基进行相关计算后转变为砂井地基。该文将等效后的砂井地基按等量排水原则，通过运用赵维炳等推导的砂墙地基与砂井地基的等效转化公式，将排水板处理的地基等效转变为砂墙地基。根据相关计算公式和塑料排水板的实际物理参数，可计算得到相关变量的数值。

2.2 模型可靠性验证

在建立真空预压模型后，即可新建作业运行模型。运行完成后，可根据需要进行相应数据的导出绘图。该文模拟主要输出土体的竖向沉降数据，并绘图比较ABAQUS有限元软件模拟的计算结果与实测数据的相似度，以判定真空预压模型的可靠性。通过ABAQUS有限元软件数值模拟真空预压计算后，输出的真空预压期间土体的竖向位移变形云图如图1所示。

由图1可知，该场区内真空预压主要加固的土层为厚度较大的淤泥土层，土体的沉降量越靠近加固区中心，其沉降数值越大，这与场区内沉降标测得的实际沉降结果相符合。不同深度的土体的竖向沉降量随着土层深度的增加而减小，在施工时为了减少外界水源，对加固区内进行了水补充，并在加固区外围打设了黏土密封墙，因此加固区外的影响区范围内的土体竖向位移相对较小。

通过提取数据，可得到加固区内土体的竖向沉降量和现场实测的沉降数据吻合度较高，沉降速率也较吻合，且沉降速率较大。当开始进行恒定真空加载并设置覆水荷载后，模拟得到的沉降值逐渐大于现场实测值，两者沉降趋势基本吻合。随加载时间增加，两者沉降差值逐渐增大，截至卸载前模拟得到的沉降值为1 126 mm、实测沉降值为1 038.64 mm，两者差值为88.64 mm，误差率为8%，可见模拟得到的数据可靠性较高，模拟效果较好。后续的参数优化，可以选择使用ABAQUS有限元软件进行工况模拟，具有较高的可靠性。

通过数值模拟和实测数据的对比，可确定数值模型的材料参数。基于土体沉降的拟合情况，可对现场土体物理力学参数进行设定和调整，最后综合确定地层的等效力学参数。

经过实际分析可知，由于采用的计算模型、计算参数与实际现场情况存在一定差距，所以模拟结果不能完全符合实测结果，但整体曲线变化规律、沉降计算结果与实际较为吻合。通过沉降量确定不同土层的物理力学参数，并据此进一步拟合在不同加固条件下土体的加固效果影响分析具有可行性。

3 真空预压加固效果影响因素分析

通过对模拟得到的沉降数据与现场实测数据进行对比，在一定精度上验证了ABAQUS有限元软件模拟真空预压的可靠性。为了更具体地研究相关加固因素对真空预压加固效果的影响，该文将真空预压荷载大小、塑料排水板打设深度、塑料排水板布置方式和塑料排水板打设间距确定为对加固效果影响较大的相关因素。通过设置不同参数并控制单一变量，对加固效果的影响因素进行分析。

3.1 真空荷载对真空预压效果的影响

在实际现场加固过程中，真空预压荷载为85 kPa。为了研究不同真空荷载对加固效果的具体影响程度，该文拟将真空预压模型中的荷载分别设定为80 kPa、85 kPa、90 kPa，加固模型中的其他参数保持不变，具体参数如表1所示：

不同荷载下的沉降—时程曲线如图2所示：

由图2可知，在不同真空荷载作用下，土体的沉降趋势保持一致，且沉降速率都在减小，但由于真空荷载大小的不同，导致土体的沉降速率和卸载前的沉降量存在一定差距。在真空预压初期30 d内，不同荷载条件下的土体沉降速率相差不大，85 kPa和90 kPa产生的竖向沉降量比较接近，且均比同一时刻下80 kPa数值大。在真空预压加固30 d后，随着时间的增长，80 kPa与85 kPa、90 kPa在沉降量上逐渐产生较大的差值且沉降速率相对较慢。截至真空预压卸载前，三者的沉降量分别为976 mm、1126 mm和1184 mm，虽然荷载差值均为5 kPa，但85 kPa的沉降影响效果优于90 kPa。考虑场区加固面积较大，需要的真空射流泵数量较多，且使用的真空预压荷载越大，所需真空射流泵的功率越高，导致单位时间内的电力成本增加，全过程加固该场地则会增加大量的电力消耗，经计算得到的电力成本表如表2所示：

由表3可知，虽然85 kPa真空荷载达到规范卸载要求的时间要比90 kPa多10 d，但其可节约电力成本1.6万元；而90 kPa相对于85 kPa而言，荷载的稳定施加较为困难，不仅增加了射流泵台数或加大了功率，而且增加了工艺难度，提高了人力和物力成本。因此，从工程经济和可行性角度来讲，使用90 kPa真空荷载对场区进行加固并不可取。

综上，将真空荷载设置为85 kPa，在满足土体平均固结度要求的同时还可以减少一定量的电力消耗，加固效果较好，现场加固方案所设定真空荷载合理。

4 结论

该文根据等量排水原则将排水板地基简化为砂墙地基，进行了真空预压模型的建立。通过对比模拟得到的沉降数据与实测数据，验证了有限元模拟真空预压的可靠性。

对不同工况下的真空预压法处理软土地基的加固效果进行了数值模拟分析，结果表明：真空荷载数值、排水板布置方式、打设间距和打设深度均为加固效果的重要影响因素。该实验场地条件下排水板的打设深度设置为20 m、真空荷载设置为85 kPa合理，布置方式考虑设置为正三角形，打设间距考虑设置为1.2 m，在工期不变的条件下具有更好的性价比。

真空荷载对沉降量影响显著，在固结度为80%时，85 kPa真空荷载可节省更多电力成本，且易施加并维持荷载的稳定。排水板布置方式有正三角形、正方形和正六边形，正三角形布置使土体产生较大沉降，可在满足固结度的同时，缩短工期20 d，工程造价低。排水板铺设间距与沉降量存在线性关系，1.2 m间距能够满足固结度要求并节约排水板数量，降低工程造价。排水板打设深度对土体沉降影响较大，打设18 m不满足固结度要求，而打设22 m浪费材料，经济效益较差，所以打设20 m为最优方案。

参考文献

[1]周建标.深圳后海湾填海区软土地基处理技术研究[D].长沙：中南大学， 2009.

[2]刘洪滨，孙丽，何新颖.山东省围填海造地管理浅探——以胶州湾为例[J].海岸工程， 2010（1）：22-29.

[3]刘松玉，韩文君，章定文，等.劈裂真空法加固软土地基试验研究[J].岩土工程学报， 2012（4）：591-599.

[4]扬子江，余江，刘辉，等.增压式真空预压施工工艺研究[J].铁道标准设计， 2011（8）：26-31.

[5]夏玉斌，陈允进.直排式真空预压法加固软土地基的试验与研究[J].工程地质学报， 2010（3）：376-384.

[6]孙佳锐.直排式真空预压法在杭州湾软土地基加固中的应用研究[D].长春：吉林大学， 2019.

[7]HarveyJ.Vacuum Drainage to Accelerate Submarine Consolidation at Chek Lap Kok， Hong Kong[J]. Ground Engineering， 1997（6）：34-36.

[8]吴春勇.真空预压加固深度分析与探讨[J].东北水利水电， 2010（12）：1-3+71.

[9]张泽鹏，李约俊，冯淦清，等.塑料排水板在真空预压加固软基中的作用[J].广州大学学报（自然科学版）， 2002（2）：68-71.

[10]娄炎.真空预压加固中使用的密封膜[J].公路， 2003（9）： 98-100.