真空预压影响区有限元

真空预压加固软基影响范围有限元分析摘要结合浃里陈大桥试验段的测试结果，通过平面应变有限元的方法对真空预压加固软基中的有效影响深度与水平影响范围进行了分析。分析结果表明，负压的传递深度随塑排的打设深度而增加。在井阻较小的情况下，负压一般可传递到塑排以下4~6m的淤泥中，与实际情况相吻合；随着塑排打设深度的增加，土体竖向位移与水平位移的总量随之增加，影响范围随塑排深度的增加而扩大；真空预压的有效影响深度可以超过10m；水平影响范围基本上在塑料排水板打设深度的一倍范围内较大。关键词真空预压，有限元，有效影响深度，影响范围1引言真空预压法已在我国沿海软土地区已进行广泛的应用，并有着广阔的发展前途。真空预压法机理相对比较复杂，其有效影响深度是目前研究的热点问题，已有许多文献对此作了深入研究[1-5]，但尚存在较多的争议，有观点认为真空预压法只对10m以上的土层有加固效果，竖向排水体打设超过10m以下部分基本上不起作用；也有认为真空预压法的有效深度与竖向排水体的打设深度有关。真空预压法在应用过程中会对周围环境产生较大的影响，甚至发生工程事故。真空预压对周围环境的影响已有较多文献[5-6]报道，目前对水平影响范围及其与塑料排水板打设深度之间的关系尚不明确。本文结合浃里陈大桥试验段的测试结果，采用平面应变有限元法，对真空预压的影响深度与水平影响范围进行深入的分析。2试验段情况简介路桥至泽国一级公路起点为浙江省台州市路桥区松塘大转盘，全长9.979km。线路由起点向东前行1公里左右，经路桥区下浃里陈村转向南，终点为温岭市泽国镇下洪洋村，K0+657-K0+722段采用真空联合堆载预压法处理。本试验段真空堆载加固场地面积为3300平方米，塑料排水板的设计打设深度为21m，平面布置为梅花型，间距为1.2m，采用静压打设方式。真空联合堆载预压的施工方案中，第一个月采用真空预压法，膜上覆水70cm，一个月后路基填土进行联合堆载。在抽真空过程中，布置的射流泵为6台，一般开2～4台，剩余的为备用。实际施工过程中，真空排水预压52天，经过52天的真空预压，地面沉降达80cm，真空预压的效果较为明显。从孔压的监测结果可知，竖向排水体中的孔压受膜下真空度的影响较大，加固区塑排以下4~5m处的淤泥地基中仍存在较大的负压，说明真空预压中孔隙水压力的影响深度与塑料排水板打设的深度有关。分层沉降监测成果表明，塑排以下尚有一定的沉降量，约占总沉降量的16%；说明真空预压的影响深度可以达到塑料排水板底下一定深度，这部分沉降主要是由于地下水位下降所增加的附加应力压缩固结所致。从试验段水平位移的监测结果可知，影响深度可达到15m，为塑排深度的75%，由此说明真空预压的影响深度与塑排板打设深度相关，其有效影响深度可以超过10m。3真空预压加固软基平面应变有限元分析模型在本文中采用弹性本构方程进行有限元分析。真空预压是通过减少边界孔隙水压力与土体产生水头差而发生排水固结，在负压的边界处理中，令砂垫层中所有节点的孔隙水压力为膜下真空度值。砂井地基固结问题是一个三维固结问题，由于三维有限元分析的计算成本较高，一般采用平面应变有限元分析砂井地基固结问题。因此，必须将砂井地基三维固结问题转化为平面应变固结问题，将砂井地基转化为砂墙地基。将砂井地基转化为砂墙之后，由于砂墙本身尺寸很小，间距也较小，划分的单元多，计算工作量仍较大，因此还需放大砂墙的间距。加固区宽56m，深20m。考虑到路堤的对称性，以路堤中心线为对称轴，取整个地基的一半建立模型，地基的计算宽度为80m，其中28m是加固区，52m是影响区。按土质条件及真空预压的影响深度，计算深度取40m。有的研究者认为，砂墙间距的一半B取为2R=1.26；文献[3]分析认为，B/D不宜大于4；文献[7]建议除了保持变换前后的水平固结度一致外，还需考虑每一土体体积分担的负孔压相等，建议一般取B=R；本文综合上述三者的建议，根据实际情况，取B=1m，n按计算是18，从而得到khp/kh是0.78。按井径比不变，等效砂墙的宽度取为0.12m。加固区内共设置12道砂墙。计算模型的网格划分如图所示，在加固区采用加密的网格，共划分1440个单元，1492个节点。计算中假设土层为均质土层，土的变形模量为3MPa，土的渗透系数为3E－8cm/s，砂墙的渗透系数为2E-2cm/s，变形模量与土体相同。位移边界条件如下：（1）左右两边均为不透水边界，且只有垂直沉降，无水平位移。（2）顶面为自由边界。（3）底面为无位移边界。4影响深度与水平影响范围分析俯为了分析类真空预压脱的有效影誉响深度，沉分别拳取贱10搏m祥、勺20书m袄、弯30堪m脖打设深度酸的塑排进虽行有限元肤分析，考锡察在不同境塑排打设舌深度下的译负压、竖祝向位移及肌水平位移逆的分布状拒况。从上帮面的分析膝可知，在区工程实际康中，塑料探排水板井强阻对负压徒分布的影仅响较小。这因此，因穿此取砂墙苏的渗透系姥数均为狂cm/缠s拿进行分析费，咽不考虑涂颜抹作用混。从晋图趋2塑（顺a生），期（休b台），斯（午c溪）中可以世看出，在蝴竖向排水柏体井阻相给对较小的姨情况下，奴负压可以炎传递到塑吸排底部篮约锈4~6共m间处，本试宰验段的塑把排打设深巾度乱为窃20嚼m掘，实测结论果表明，奸在笑26权m霞的深度仍搅存在较大臂的负压。旧由此表明驶，塑排的锯打设深度朗对负压的海影响深度惕有较大的招影响。队图什1竖肚分析模型岂的网格划攀分太Fig.甜1庙N问etwo该rko损fco六mput姻iona咸lmo浊del多(a)扒10绢m椒塑排打设归深度时的逆真空预饼压筝6纷0龙天负压分毁布单(倾a)d煮istr相ibut峡ion配ofn钥egat秒ive黎pore阻-wat那erp蓬ress项ure暮with造the绳10m任dept绢hof乡PV挺Dsa徐fter蜘six雄tyd思ays六(b)愁20醒m敞塑排打设钞深度时的厉真空预牵压穴6唯0宜天负压分羡布暑(音b)d杂istr啄ibut敏ion真ofn失egat补ive校pore顽-wat扶erp倍ress带ure浆with薯the宜20m橡dept束hof很PV闸Dsa协fter始six胶tyd剥ays示（取c恋）此30赠m牵塑排打设托深度时的扩真空预著压梦6捏0纳天负压分支布宣（膏c们）汉dist恋ribu记tion促of欧nega会tive狐por眼e-wa许ter骨pres漠sure意wit仗hthe熟30m迅dep练tho妈fP惩VDs抖afte辨rsi守xty明days挽图蚂2昨兆不同塑排缎深度下的穷负压分布住状况投Fig.匠2量dist锈ribu平tion房of豪nega观tive喷por预e-wa投ter以pres眠sure仙wit劈hth鼠ed复iffe蚊rent满de漂pth帝of辰PVDs睡从旅图遣3舞（番a裹），帆（说b顺），精（雅c苍）中可以远看出，在店其它条件好相同的情钳况下，随板着塑排深夸度的增加弟，竖向位造移随之增球大，说明励塑排深度而的增加有易助于增加牺真空预压赶的加固效损果。同时胞分层沉降书可以看出取，竖向位筛移主要集姻中在塑排蛛打设范围掏之内，这他与现场测女试的结果挠相近。如授前所述，课本试验段令分层沉降驶的测试结呼果表明，办在抽真混空秃5督2爪天后，主中要沉降发叉生在塑排逆打设区范柱围内屑；雁锁塑排以下财仍有少部艘分沉降，宴约占总沉坦降量氧的看15五%真左右，但缝这部分沉怠降主要是域由于地下乏水下降增处加的附加帐应力引起参的。番（牺a满）作10显m要塑排打设独深度时的牵真空预机压勤6李0小天竖向位捞移分布凤（罢a尼）购dist矩ribu蚂tion教of梁vert剖ical典dis蚀plac焰emen遣twi琴thth捏e10趴mde救pth牌of温PVDs顷aft浇ers短ixty循day域s老（抬b碎）通20拉m腿塑排打设糊深度时的庸真空预辣压勒6此0麦天竖向位状移分布菊（迈b告）弹dist攻ribu赶tion柄of扛vert话ical捡dis彩plac焦emen肉twi橡thth诉e20辨mde览pth绍of仔PVDs多aft蛮ers斤ixty挨day忧s春（让c查）疫30匹m兼塑排打设传深度时的险真空预睛压唉6粒0绵天竖向位芒移分布肯（泽c袭）齿dist型ribu冈tion购of奶vert识ical孝dis纪plac哄emen备twi个thth对e30浓mde宅pth墙of词PVDs恶aft创ers习ixty讲day请s谷图君3老阻不同塑排毕打设深度妹下的竖向监位移分布羡状况丢Fig.榨3肯dist漂ribu顷tion盲of坏vert馆ical料dis配plac俊emen劳twi踩thth争edi从ffer陡ent役dep柄tho壁fP背VDs筹(a)喜10输m缴塑排打设事深度时的谁真空预葡压躺6兄0冤天水平位居移分布属（早a约）震dist羽ribu目tion奸of倚hori倘zont款ald司ispl嫂acem进ent旧with安the扑10m混dept醉hof惜PV看Dsa蜘fter剪six堡tyd学ays桐从叔图纱4科（饲a询），业（榨b口），铜（尚c艘）中可以钥看出，当淹塑排打设疮深度雨从抹10仿m乎增加伟到艘30培m腹时，水平诉位移随着河塑排深度糕的增加而渴增大。水哑平影响范疲围基本上宾在塑料排杰水板打设俘深度的一产倍范围内具较大，而转在一倍范抓围以外，骂水平位移快的影响相取对较小。脂从本试验精段的现场精观测发现克，周围地情表的裂缝臂最远的距蠢离岩在禁20牵m秃左右础，扫20煎m陵外基本上运未发现裂裹缝，位匪于雄20棉m盘处的居民氏房未受影亡响，可以搏说明在塑丽料排水板咸的一倍范奇围躺21缘m圆以外水平擦位移已相党对较小。缠水平位移沟在土层的糠深部移动善较少，主名要集中在倚上部。本柿试验段四在深军度睁15锯m钟以下基本秒上不存在满水平位移跑。营(b)原20金m太塑排打设鞭深度时的借真空预膀压惑6庙0适天水平位携移分布记（兰b宣）穗dist誓ribu哥tion怪of底hori假zont流ald般ispl团acem贡ent碑with啊the票20m邪dept醒hof舟PV济Dsa葱fter薯six客tyd摊ays对(c)献30挠m表塑排打设野深度时的捧真空预赏压积6较0意天水平位岛移分布伤（员c言）辫dist凝ribu酒tion爷of姿hori芽zont稠ald词ispl趣acem砖ent携with宽the使30m写dept笛hof首PV悉Dsa朋fter依six救tyd请ays裙图婶4傻创不同塑排怕打设深度核下的竖向雄位移分布惰状况萄Fig.奉4半dist豪ribu羡tion奴of坝hori挪zont朋ald寺ispl执acem躲ent焦with忽the咏diff剃eren冬td期epth讽of插PVD骨s井5恰霉结论妹（傻1沈）负压的驶传递深度田随塑排的段打设深度扛而增加。电在井阻较兔小的情况绵下，负压终一般可传芦递到塑排白以骂下逮4~6辣m帮的淤泥中今，与实际妄情况相吻兄合。瞒（腹2屯）泪双随着塑排栋深度的增锻加，竖向哪位移随之榨增加，竖萝向位移主肌要集中在杠塑排打设浊的范围内刚，塑排深挤度以下有棉少量的竖否向位移，株但这部分显沉降主要哲是由于地昏下水下降够增加的附断加应力引拣起的。驾（撇3优）随着塑克排深度的弃增加，影森响区水平忍位移随之助增加，说朵明影响范咸围随塑排献深度的增浸加而扩大荡。水平影矿响范围基常本上在塑辽料排水板巧打设深度炕的一倍范锡围内较大丰，而在一珍倍范围以唱外，水平牙位移的影猾响相对较掏小。泰（琴4喘）真空预歇压的有效挡影响深度惭与塑料排睁水板的打握设深度具编备一定关沃系，有效马影响深度然可以超曾过盆10党m耽。参考文献仔彭步劼埋侄刘汉龙录等蒜这真扛空袜-药堆载联合弱预压法软必基加固对盒周围环境自的影腰响爆玉岩土工程就学砍报顷,200背2,24动(5):殃656-婆659发朱建电才赵长真空联合绸堆载预压派加固软基抓机理及工突艺研政究诊[D]刃辽飘杭州：浙继江大学种，定2004邀朱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