塑料排水板通过缩短软土地基排水距离, 提高软土地基的渗透系数从而加速地基固结沉降, 使软土地基有效应力迅速提升。目前针对塑料排水板地基主要分析方法是将三维砂井地基等效简化为等应变条件下砂墙地基固结问题^[1,2,3,4,5]。迄今为止很多学者对塑料排水板参数进行研究, 分析塑料排水板的打设深度、打设间距及渗透系数对于软土地基处理效果的影响。蒙剑坪等研究塑料排水板堆载预压软基处理的敏感性^[6], 庄研等基于有轨电车软土工程项目对塑料排水板参数进行分析^[7]。然而大多数研究是等效成平面应变问题分析固结沉降问题。

本文通过彭劼等^[8]提出的三维排水板单元, 等效替代塑料排水板单元建立三维模型, 结合大连万科海港城Ⅰ区、Ⅱ区共计约68万m²超大面积堆载预压处理滨海软土地基项目, 模拟分析塑料排水板堆载预压处理软土地基。研究塑料排水板的渗透系数、间距以及打设深度变化对软土地基地表沉降以及地基超孔隙水压力的变化规律。为以后塑料排水板堆载预压处理软土地基设计提供参考。

对于塑料排水板的处理, 目前最常用的方法是将塑料排水板地基转化为砂井地基然后等效简化为砂墙地基固结问题。李豪等提出将砂井地基等效成天然地基的方法, 根据固结度等效的原则将砂井地基等效成渗透系数的天然地基^[9]。然而砂井地基是一个三维的变形和渗流问题, 等效简化后塑料排水板几何位置发生变化, 在固结沉降上计算结果比较可靠, 但计算的孔隙水压力和水平位移结果偏差较大。

本文对于塑料排水板的处理, 选用彭劼等提出的三维排水板单元即主要考虑排水板的轴力以及渗透性的影响而不考虑排水板的自重、受剪、受弯的影响。图1即为排水板单元构造。

本文模型选用C3D8P八结点六面体单元, 三向线性位移, 三向线性空隙压力。排水板单元为两结点的线性单元分别为位移结点和孔隙水压力结点。然后根据排水板一维空间上的有限元格式再转换到三维空间上。完成排水板单元和实体单元的结合。图2所示AB即为排水板单元, AB上的结点和C3D8P单元结点重合, 这样在不增加结点个数的情况下完成了砂井地基的处理, 很大程度地减少了三维模型计算工作量。

AB为自定义排水板单元, 排水板单元等效代替塑料排水板, 通过ABAQUS的二次开发对三维排水板单元赋予属性。需要在inp文件中加入相应语句。

将塑料排水板等效成三维排水板单元, 一方面能减少网格的划分, 提高运算效率;另一方面能够考虑到塑料排水板的空间位置效应, 使所建模型中塑料排水板的位置和工程中的布置完全一致。

本工程是大连市普湾新区海港城项目, 西北侧与滨海公路 (S327) 相邻。场地长1 300m, 宽度约600m, 面积约68万m²。场地原来为海滩盐田, 二期场地目前正在回填整平, 大部分为有水的盐田池, 水深0.5~1.5m, 地面标高-0.390~4.450m, 整体地貌单元属海滩。地基土的物理力学性质较差, 采用塑料排水板堆载预压法进行地基加固处理。Ⅱ区共分4级堆载, 堆载层总厚度为6.8m, 每级高度平均为1.7m, 施加每层填土的时间也均是2d, 预压时间10d左右, 最后一级填土预压时间90d。

大连市普湾新区海港城大部分为有水的盐田池, 整体地貌单元属海滩盐田。据现场钻探揭露, Ⅱ区的地基土层自上而下分述如图3所示。

结合以上塑料排水板处理软基工程实例, 通过ABAQUS有限元进行数值分析。几何模型尺寸长取64m, 加固区16m, 影响区48m, 深度27m, 厚度5.19m, 边坡比为1∶1。软土地基采用DruckerPrager硬化模型, 回填土采用Mohr-Coulomb模型。Ⅱ区采用中粗砂在铺设0.7m厚砂垫层后按等边三角形布置打设塑料排水板。

土体单元采用C3D8P八结点六面体单元, 共建立17 500结点和14 304单元, 塑料排水板共114根。模型边界条件:三维模型左右两侧x方向位移为0, 模型前后两侧z方向位移为0, 模型底部边界3个方向位移均为0。初始条件:模型中各单元初始位移为0, 初始孔隙比为1。有限元模型网格划分如图4所示。

有限元模型所涉及材料主要是回填土、淤泥质黏土和粉质黏土, 回填土采用Mohr-Coulomb模型, 淤泥质黏土和粉质黏土采用Drucker-Prager硬化模型和渗透性模型联合使用。

式中:β为D-P模型内摩擦角;φ为M-C模型内摩擦角;σ_c⁰为单轴抗压强度;K为流动比。

Hansbo提出塑料排水板转化为砂井的等效直径公式:

式中:w为塑料排水板宽度;t为塑料排水板厚度;α为换算系数, 取0.75~1^[10]。

模型参数如表1所示。

图5为滨海饱和软土地表沉降随堆载预压时间变化的曲线。主要分为两阶段:堆载阶段和预压阶段。由图5可知, 施加填土堆载阶段地表沉降速率明显大于预压阶段, 软土地基表面大部分沉降发生在堆载阶段, 总体来说模拟计算结果和现场实测曲线变化趋势相符, 计算值和实测值基本吻合。

孔隙水压力是反映软土地基排水固结的一个重要指标, 图6为不同深度的孔隙水压力随加载时间变化的曲线, 由图6可知地下深度2m和8m处有相同的变化趋势, 施加荷载阶段孔隙水压力迅速增大, 预压阶段孔隙水压力逐渐减少, 最终恒压预压软土地基, 地基排水固结超孔隙水压力消散, 孔隙水压力趋于稳定。模拟计算值均小于现场监测值, 原因是堆载过程中地基渗透系数逐渐减小, 另一方面实际中随着堆载预压的进行, 塑料排水板可能发生阻塞或者弯曲导致渗透系数降低。总体来说, 模型计算曲线和现场监测所得曲线变化趋势一致且数值比较吻合。

塑料排水板的打设深度、打设间距以及渗透系数是塑料排水板堆载预压加固软基的重要参数, 对于工程具有很重要的指导意义。本文主要考虑这些参数的变化对软土地基加固效果的影响。

塑料排水板处理软土地基主要作用是提高软弱层的排水能力加速软弱层排水固结, 使软土地基的有效应力提高同时沉降达到稳定。通过改变排水板渗透系数来观察软土地基表面沉降曲线及地下8m处超孔隙水压力曲线的变化规律。

图7a为塑料排水板的渗透系数分别为5×10^-2, 5×10^-3, 5×10^-4, 5×10^-5cm/s以及未打设排水板时地下8m处超孔隙水压力变化曲线。由图7a可知排水板的渗透系数对超孔隙水压力有显著的影响, 未打设排水板时, 地下8m最高超孔隙水压力达到22.4k Pa, 易导致软土地基破坏。排水板渗透系数达到5×10^-4cm/s时, 最大超孔压降至18.7k Pa。当渗透系数达到5×10^-2cm/s级别时, 随着渗透系数增大, 超孔隙水压力变化不敏感。图7b为塑料排水板不同渗透系数时地表沉降曲线, 由图7b可知随着排水板渗透系数的增加, 在施加荷载阶段地表沉降速率增大, 但预压结束时地表最终沉降量没有变化。

图8为改变塑料排水板间距对地下8m处超孔隙水压力变化以及地表沉降影响。由图8a可知排水板间距由3m减少到1m时地基超孔隙水压力由22k Pa减至19k Pa, 结果表明减少排水板间距能降低软土地基超孔隙水压力。由图8b可知, 排水板间距减少地表沉降速率增大但增幅很小, 且地表最终沉降量基本没有变化。

图9a为塑料排水板打设深度为6m (为打穿淤泥层) , 8m (打穿淤泥层) , 10m以及未打设排水板时软土地基地下8m处超孔隙水压力变化曲线。未打设排水板时超孔隙水压力过大容易导致软土地基破坏, 排水板深度为8m和10m时, 地下8m处超孔隙水压力基本不变, 可知打穿淤泥层后可以明显降低超孔隙水压力, 但是打穿后继续增加排水板深度对于超孔隙水压力的影响并不大。图9b为塑料排水板深度为6, 8, 10m时地表沉降曲线。由图9b可知打设排水板和无排水板相比, 地表沉降速率提高, 但最终沉降量一致。排水板深度的变化对于地表沉降并没有影响。且排水板深度在6, 8, 10m时地表沉降速率基本相同。

1) 塑料排水板渗透系数对软土地基超孔隙水压力较为敏感, 当渗透系数达到5×10^-2cm/s级别时继续增大渗透系数, 超孔隙水压力不会明显变化;排水板渗透系数增大能加速软土地基排水固结使得沉降速率增大, 但对于最终沉降量没有影响。

2) 塑料排水板间距减少能降低地基超孔隙水压力, 当打设间距为1m时, 超孔隙水压力明显降低至16.2k Pa, 考虑到土的扰动作用, 工程中打设塑料排水板间距一般为1m。

3) 塑料排水板未打穿软弱层时, 随着深度增加, 超孔隙水压力明显降低, 打穿软弱层时, 继续增加排水板深度, 超孔隙水压力变化不明显, 同时地表沉降速率变化也不明显。因此工程中排水板只需要打穿软弱层即可。