吴叶波
浙江振丰建设有限公司
摘要：针对软弱低透水地层的地质条件特性，分析此类地层对于上部建筑物的整体危害性及其灾变影响定性规律并结合有限元模型，仿真模拟土体排水特性，得到排水固结法使用条件下的土体变形特征及其规律性质，相关结论可为同类型的工程项目提供丰富的工前数据及处理建议与意见，提高土体预处理的成功率。
关键词：软弱低透水；真空预压法；数值模拟
随着我国国民生产总值的提高，经济社会呈现一片热闹景象，各地活跃的市场活动也不断促生着各类建设工程项目的普及与开展。中大型城市的体量随着时间与资本的积累，建筑物的群体密度在加大，建筑物的分布位置也在不断外扩与延伸，各个城市体的体量在加速膨胀，土地资料减少，土体价值逐年攀升，随之而来的变化是建设项目模式逐渐开始从“项目选择场地条件”模式向“项目适应场地条件”。早期建设项目的选址建设主要考虑基础条件是否满足上部建筑物的使用需求，当前的建设方式则是通过改造优化建筑物下方的场地基础条件，人为地将场地基础打造成承载能力满足要求的建设基础。对于东南沿海地区的建设项目，坐落的地基基础一般条件较差，承载能力差，土体性质容易受到施工建设的扰动影响，稳定性较差，所以普遍需要进行大规模大范围的地基处理工作。在长三角这一带大量分布着湿地、河漫滩以及裸露的河床等不良地质条件，这些地质条件中主要分布有低透水性的软黏土且分布深度较厚以及软黏土夹砂的地层条件，透水性不良，土体的抗剪强度不高，如果要在此类地质条件下进行高大体量的施工建设活动，对于地基的处理工作就是重中之重，以往案例中由于地基处理不当引起的事故和带来的重大损失现象屡见不鲜，需要引起工程界的重视与关注。对于此类地质条件的处理办法主要采用排水固结法，但是现有项目施工过程当中一般都是照搬照抄固定模式，对其内在影响规律不明晰，控制标准选用不当，导致最终的使用效果层次不齐[1]。
所以本文针对软弱低透水地层的地质条件特性，分析此类地层对于上部建筑物的整体危害性及其灾变影响定性规律并结合有限元模型，仿真模拟土体排水特性，得到排水固结法使用条件下的土体变形特征及其规律性质，相关结论可为同类型的工程项目提供丰富的工前数据及处理建议与意见，提高土体预处理的成功率。
1 软弱地层的灾变规律
土体是由固相、液相和气相通过不同比例进行组合、排布，最终形成三相融合的非连续的物质，如图1。土体的各项特性表现与土体的各相颗粒级配，颗粒和颗粒之间的粘结性质以及每相物质在土体中的运移行为方式与模式。软弱地层中的土体组分中有机质含量占比较多，土体颗粒直径较小，颗粒表面较为光滑，土颗粒之间的粘聚性较大，土体的保水性较好，这就导致了该类土层中的含水量较大，一般在40%以上，土体的流塑性能要比其他类型土体要好，这就导致了此类土层的抗剪强度很低，土层的承载力较差，当静力作用在土体上时，颗粒与颗粒之间的内摩擦角较小，土颗粒之间容易发生相对滑移，加之土层含水量较大，土颗粒之间的摩阻力就更小，土体容易发生变形现象；若是动荷载作用在此类土层上，由于土体内部的高含水量，容易发生振动液化现象，土体与水分分离，水分汇聚在土体上表面，这种明显的分层现象会导致作用在此类混合土体上的结构受力不明确，土体变形不容易控制，固、液、气三相相互耦合的作用规律愈发不明朗，会引起严重的剪切破坏甚至是其他类型的破坏突变[2-3]。
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图1 软弱土层中土颗粒组分划分图
土体变形的特性与规律是和土体内部颗粒的大小与颗粒自身的转动方式方法有密切的联系，如果从理论计算角度出发考虑土体变形，会存在大量的简化工作计算得到的结论存在一定的偏差，对于土体的变形的切真分析目前可以依托三维有限元的方式进行分析工作，可以在最大程度上还原土颗粒、水相、气相之间的作用关系以及不同土颗粒之间的耦合转动结果。
2 排水固结法类型
排水固结法是在实际项目主体结构施工之前，对于建设项目下方的软弱土层进行加压预处理，如图2，使得下部土层中的土体含水量通过一定途径排出，增强土体强度与地基的承载能力[4]。
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图2 排水固结组成系统
通过排水系统与加压系统的不同方式的选择来确定不同的排水固结方法，具体分为以下几类，如图3。其中排水系统的组成主要由竖向排水系统与水平向排水系统，一些项目中会同时结合两种排水方式，需要结合工程实际进选择；加压系统中较为常用的是堆载法和真空法以及两种方式结合的加压法，以下就常见的集中排水固接法进行优缺点的总结与归纳。
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图3 排水固结方法
2.1 堆载预压法
堆载预压法是利用与既定上部建筑物同等荷载的重物例如土石、水等材料，如图4，对目标场地范围内的软弱土层进行预压工作，逐步将荷载施加在地基上方，目的是让下方软弱地基提前完成固结沉降，一方面是利用前期的荷载施加以达到压实软弱土层的效果，另一方面是将原本发生在成型建筑物服役是产生的地基沉降提前利用重物进行消耗，减少后期土体的竖向沉降变量。
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图4 堆水预压示意图
2.2 真空预压法
真空预压法主要是利用砂井（或者塑料排水板）、砂层、塑料密封膜以及真空泵将目标土层上方的压强降低，通过压力差将土体内部的水分按照预设排水路径排出目标地基外侧，土体提前完成固结沉降变形，提高了土颗粒之间的有效应力，将土体通过压缩的方式提高强度与承载力[5-6]，如图5所示。
真空预压法相对于堆载预压法而言，施工工序较为简便，所需材料的数量与体量相对较小，工后回收材料方便，排水固结的效率与效果要优于堆载预压法
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图4真空预压示意图
3 真空预压法数值模拟
根据上文的分析，选择在工程中优势显著且使用频数较多的真空预压法采用PLAXIS 2D软件进行排水加固模拟，旨在分析软土地基在经过真空预压方式处理后的土体沉降规律与特征[7]。
3.1 模型建立
本模型模拟高水位下软弱地层的固结排水情况。假定地下水位位于地表，目标地基土层分布主体为淤泥质土与淤泥土，竖向排水方式采用塑料排水带，水平排水方式采用上覆50cm砂层全覆盖，塑料排水带的布置间距为1.5m，塑料排水带插入土体的深度为12m，模型见图5。在模型中抽吸真空压力保持在95kpa，由于选择的目标地基呈规则矩形，所以在模型当中建立一半目标地基作为建模基础。模型中各项材料的属性见表1。
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PLAXIS 2D软件可以在塑料排水板的位置自动对其加密处理，便于后续各个组分之间的拟合工作，利用系统进行网格划分，如图6。
为了简化计算过程，软件中设定三个施工步骤：1）将目标项目的初始状态数据录入模型；2）利用真空泵抽15天的真空压力直至目标压强；3）保持真空压强12天，让土体进行充分的固结。
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图6 模型网格划分
3.1 结果查看
通过软件的计算，可以得到阶段一完成后土体沉降量，如图7。可以明显地看出，排水固结区域中土体发生了沉降变形，其中在竖向塑料排水板位置的沉降量是最明显的，靠近地表位置的沉降量最大，并且向x，y方向扩散减小[8]。
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图9为土体中的真空吸力分布图，如图中所示，随着土体深度的增加，土体中的吸力在地表是最大，在塑料排水带的中下部位吸力逐渐降低至0。
4 结论
针对软弱低透水地层的地质条件特性，分析此类地层对于上部建筑物的整体危害性及其灾变影响定性规律并结合有限元模型，仿真模拟土体排水特性，得到排水固结法使用条件下的土体变形特征及其规律性质，相关结论可为同类型的工程项目提供丰富的工前数据及处理建议与意见，提高土体预处理的成功率。
参考文献
[1] 房营光. 土体强度与变形尺度特性的理论与试验分析[J]. 岩土力学, 2014, 35(1): 41-47.
[2] 冯德銮, 房营光, 侯明勋. 土体力学特性颗粒尺度效应的理论与试验研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(S1): 209-214.
[3] 冀宾, 陈万吉, 赵杰. 岩土软化行为的网格依赖性问题研究[J]. 工程力学, 2008, 25(8): 36-41.
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