南京禄口国际机场二期工程飞行区排水预压地基的机理数值模拟与分析.pdf

2 0 1 4 年第4 期 西南公路X1 NAN GO NG L U 南京禄 口国际机场二期工程飞行区排水 预压地基的机理数值模拟与分析 接道波 杨 平 文德 宝 ( 江苏省交通规划设计院股份有限公司 江苏南京 2 1 0 0 1 4) 【 摘要 】采用数据本构分析方法对南京禄 口国际机场二期工程飞行区跑道软土地基排水预压机理进行 分析，并根据A BA QUS 模型的计算结果推算地基的固结度，从而系统地研究场地地基的排水固结程度以及 地 基的强度 变化 ，结合地基沉 降观测 结果对软基处理方案及 固结理论 分析 结果进行 了验证 ，沉降观测结果与 模型分析结果基本一致，本文可供类似工程参考借鉴。 【 关键词 】软土地基；地基处理 ；A BAQ US 模型 ；沉降观测 【 中图分类号 】T U 4 7 2 【 文献标识码 】A 0 弓I 舌 地基 处理 的效果 与荷 载填 筑 、预压 时 间 、排水 板的布设密切相关 ，尤其是荷载的施加 。为此 ，本 文结合南京禄 口国际机场二期工程飞行 区跑道软基 处理项 目，在建立所处理地基数值模型的基础上 ， 采用大型有 限元软件AB AQ US 来 分析该地基在堆 载预压过程中的沉降、孔压变化 ，并根据模型的计 算结果推算地基的固结度 ，从而系统地研究场地地 基 的排水 固结程度 以及地 基 的强 度变化 。 1 土体本构模型 土体 的本构模型是指用数学手段体现试验 中所 发现的土体变形特性。土体 的变形特性非常复杂 ， 通常具有非线性 、弹塑性 、剪胀性 以及各向异性 等 。岩土工程问题 大体上可分为变形和稳定 两大 类 ，传统的岩土工程计算中，对于变形 问题多采用 线弹性模型 ，对于稳定问题采用理想刚塑性模型来 分析 。但岩土的变形和稳定间存在密切 的联系，因 此在数值模拟 中要合理地选择土体的本构模型，才 能使计算结果更为符合土体的真实变形特性 。本文 的计算模型用到了土体线弹性和多孔介质弹性本构 模型及土体摩尔库伦和修正剑桥本构模型。 2 ABAQUS 简介 A B A Q US 是由达索S I MU L I A公司 ( 原A B A Q U S 公 司 ) 进行开发、维护及售后 的有限元分析软件 ，是 国际上功能最强大的大型通用有限元软件之一。 A B A Q US 中提供了岩土工程分析中常用的本构模型， 如弹性和非线性弹性模型，Mo r - C o u l o mb 模型 ，修 正的D r u c k e r - P r a g e r 模型。D P 塑性和蠕变的耦合模 型，修正的剑桥模型，修正的帽子塑性模型，帽子塑 性与蠕变的耦合模型，接力材料模型等。 A B A Q US 提供的单元可模拟各种复杂岩土介质 的力学性能 ，位移一一孔隙压力单元可模拟固体与 流体的相互作用 ；A B AQ US 还可以进行饱和土与非 饱和土的变形一一渗流计算 ，考虑 固体变形 、渗流 和温度影响的三相耦合计算 ，在渗流场的计算中可 计算侵润面，可考虑超出达西定律范围的非线性渗 流定律 ，这些能力都说明A B AQ U S 可以作为岩土工 【 收稿 日 期 】 2 0 1 4 - 0 9 - 0 5 【 作者简介 】 接道波 ( 1 9 7 7 一)，男，江苏盐城人，工程硕士，高级工程师，主要从事岩土工程勘察、试验检测工作。 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 西南公路 程分析的专用软件来看待。 3 塑料排水板堆载预压地基模型的 建立 3 1 基本假定 考虑到地基工程地质条件的复杂程度 ，对于打 设塑料排水板的堆载预压地基 ，做 了以下几点基本 假 定 ： (1)塑料排水板按平均固结等效的原则 ，简 化 为砂墙 地基 ； ( 2)孔隙水的流动符合达西定律 ，即水 、土 为流一 固耦合体； ( 3)按实际的土层情况分 5 层，土层之间的接 触面的竖向位移完全耦合； ( 4) 不考虑打设排水板引起的土体刚度变化。 3 2 计算区域的确定 取J C 一 9 监测点所在的横向断面作为地基平面变 形模型 ，道槽宽度为 6 0 m，道肩宽度为 l O re，对载 体顶面边线按道肩边线外延 2 0 m，土面区影响宽度 取为 1 5 m。利用堆载地基的对称性 ，取整个地基的 一 半即3 0 m+ 1 0 m+ 2 O m + 1 5 m= 7 5 m来进行模拟分析和 研究 ，塑料排水板插至 2 层土底面 ，插板深度为 1 7 m，根据土层的分布取计算深度为2 3 m，A B A Q U S 软件模拟的地基断面如图 1 所示。 填 土 ( 2) ， ： ， 道面区 道槽 区 土面 区 图 1 堆 载预压地基计 算模型 3 -3 数值模拟荷载的确定 地基堆载预压模型的加载曲线如图2 所示 ：三 级荷载分别在 07 0、9 01 1 0 、 1 3 01 4 0 d 线性 加载，第 1 4 0 d 堆载结束，满载预压 l O O d 。 1 1 1 生1 一 辐 嬷 图2计 算模型加载 曲线 3 4 数值模拟边界条件与初始条件的确定 (1) 初始边界条件 在充分研究所选区域的地质条件后 ，对模型的 边界条件做出了合理简化。模型中限制地基的左 、 右边界以及填土的右边界水平位移 ，不限制竖 向位 移 ；填土的右边界和地基表面为 自由变形；限制地 基底部边界水平位移和竖向位移。除地基表面外， 其它边界都为不排水边界。 ( 2)初始应力条件 地基在施工之前 ，各个单元结点的超静水压力 和初始位移均为0 。但土体在 自然状态下是存在初 始应力的，大多数情况下的初始应力场即为土体的 自重应力场。 自重应力可根据土力学 中的计算方 法 ，由式 ( 1) ( 2) 来估算： 盯 ) ， 啊 ( 1 ) i 盯 = Ko a ( 2) 式 中 ： 、h i 分别为第 f 层土的重度和层厚 ； 为静止侧压力系数。 (3)根据上述理论 ，地基模型的初始应力为 ( 取模型左下角为原点 )： T y p e=s t r e s s ， g e o s t i c Pa r t 1 ， 一 2 0 9 1 ， 0 ， - 1 4 9 7 ， 6 ， 0 5 ， 0 5 Pa r t 2， 一 1 4 9 7 ， 6 ， - 1 1 6 8 ， 9 5 ， 0 5 ， 0 5 Pa r t 3 ， 一 1 1 6 8 ， 9 5 ， - 2 8 8 ， 2 0 5 ， 0 5 ， 0 5 Pa r t 4， 一 28 8 ， 2 0 5 ， 一 1 0， 2 2 5 ， 0 5 ， 0 5 Pa r t 5 ， 1 0 ， 2 2 5 ， 0， 0 ， 0 5 ， 0 5 3 5 数值模拟计算参数的确定 塑料 排水采 用标 准 B型 ，正 三角形 布置 ，按平 均固结等效的原则 ，简化为砂墙地基 。等效砂墙地 基的相关参数如表 1 所示 。填土 、 、 层土采 用摩尔库仑本构模型， ， 层土采用修正剑桥本构模 型 ， 层土不单独分层 ，将其土层性质折算至 。 层土中。软土的模型参数见表2 、3 。 表 1 塑料排 水板 转换 为轴 对称砂墙地基 的参数 插 等效 有效 涂抹 砂墙 涂抹 砂墙 水平向 水平向 板 半径 排水 区半 宽度 区宽 间距 渗透系 渗透系 间 半径 径 度 数调整 数调整 距 ( mm) ( ram) ( m) ( m) ( m) ( mm) 系数 系数D ， 1 2 m 5 0 1 - 2 6 0 3 3 5 5 6 6 1 2 7 35 9 0 2 6 9 O 8 9 1 5 m 5 0 1 5 7 5 0 3 3 5 4 5 3 1 01 6 44 9 0 2 4 7 O- 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 接道波，杨平，艾德求：南京禄 l=_ 】 周际机场二期T程 行区排水预 地基的机理数值模拟与分析 表 2 修 正剑桥 模型参数 y M k h ( m s ) ( m s ) ， 淤 泥质 粉质粘 ： L l 8 0 3 8 1 1 6 6 0 1 2 6 8 6 8 1 0 。 4 x 1 0 3 0 x 1 0 质 土粉 1 9 3 0 3 7 1 1 8 7 0 0 8 3 4 3 4 x 1 0 。 5 x 1 0 1 0 0 1 0 。 表 3 摩 尔库伦模型参数表 C t ( k N m ) 已 ( k P a ) ( 。 ) f k P a ) V ( m s ) ( m s ) 1 9 4 0 7 9 2 3 0 4 1 5 1 5 0 0 0 0 3 7 1 X 1 0 1 0 1 0 l 9 4 0 7 9 1 1 5 5 1 2 2 4 0 0 0 O l3 9 1 l 0 。 1 0 x 1 0 1 9 9 0 6 9 2 6 6 6 l 7 2 7 0 0 0 0 -3 5 1 1 0 3 。 4 x 1 0 3 6数值模拟模型网格的划分 将 填 土模 型划分 为 三个部 分 ，分 别模 拟施 加 的 i级荷载。地基模型分为四个部分 ，塑料排水板贯 穿 ， 、 ， 、 、 层土以及砂垫层 ，不再插入 层土中。地基为流体渗透应力耦合模型，采 用 C P E 4 P 单 元 ；填 土 为 平 面应 变模 型 ，采 用 C P E 4 单元。整个模型划分为个6 7 1 3 单元 ，网格的划分如 图 3 所 示。 塑料排水板 “ 细而密”地分布在地基中，作为 竖向排水通道 ，将其孔压边界设为0 。塑料排水板 的 网格划分 如图4 所示 。 图3 轴对称砂墙地基堆 网格划分 图4 塑料排水板 网格 划分 3 7 数值模拟计算结果分析 计算从第一级堆 载开始到预压结束总共时间 2 4 0 d 。与堆 载分 级 相对 应 ，分 为一 个 自重 同结 G e o s t a t i c 分 析步 和六个排 水 固结 S o i l s 分析 步 ，基于 超静孑 L 隙水压力进行计算 ，分别模拟了荷载填筑过 程 、满载预压过程中的土体应力应变情况。图5、6 分 别为 计算 结束 时 的总位 移 和竖 向位移 云 图 ，图 7 为孔隙水压力云图。 图 5 飞行 区软土段落总位移云 图 董 、 I 曩 巍赫 海濑警 等 酽 图 6 飞 行 区软 土 段 落 竖 向位 移 云 图 从 图 6 上 可 以 看 I叶 J ，最 大 沉 降 发 生 在 地 基 顶 面 ，沉降量为3 0 2 6 m m。沉降量 自顶面向地面逐渐 减小 ，这与分层沉降监测结果保持一致。在堆载区 以外 的土 面区 ，地 基土有 微小 的隆起 ，这 是 因为该 区 域 顶 面没 有 荷 载 ，地 基 土 的变 形 在顶 面不 受 限 制，因而在剪应力的作用下土体变形向上发展。 分析孑 L 压云图，如图7 所示，可以发现 以排水 板为中心 ，孑 L 隙水压力向两侧逐渐升高 ，塑料排水 板 之 间的土 层超 静孔 隙水 压 力稳 定在 2 0 k P a 左右 。 且 层土中的孔隙水压力明显高于插设排水板的上 面 几层土 ，这说 明塑料排 水板 和砂垫层 在地基 排水 固结中起到重要作用。 图 7 飞 行 区软 土段 落 孔 隙 水 压 力 云 图 图8 为原地面沉降量的实测值与数值模拟计算 值 的对 比。从 罔可 以看 出实 测沉降数 据和有 限元计 算结果之间变化规律大致一样，但也存在一定的差 异 。一是有限计算的沉降量在第 2 3 0 d 时趋于平稳 ， 实测沉降在第2 0 0 d 时已经m现平缓趋势 ，有限计算 的收敛速度较实测曲线的收敛速度慢。二是原地面 沉降量相差较大，尤其是在第 三级荷载填筑开始后 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 西南公路 二者的沉降差值明显加大。数值模拟计算结束时， 沉降量计算值 比实测值小出5 8 m m。软件计算结果 与实测数据差异原因大致为： (1)本文在根据土工试验结果计算土体本构 模型参数的过程中，采取了一些简便的计算方法 ， 使模型计算与实际飞行区场地多层土体的相互作用 结果有一定出入。 ( 2)由于处理软土地基范围较大，排水板插 设密集 ，计算模型采用简化的砂墙地基模型，现场 监测数据反映的是密集排水板条件下的沉降规律和 孔压消散情况 ，故模型计算结果与实际情况存在一 定的差异性。 飞行 区J C 0 9 监测点所在 区域的最终沉降量为 3 2 5 m m，堆载第2 4 0 d 的固结度为8 1 。将计算模型 的第三个分析步的时长增加 1 2 0 0 d 再次计算软土地 基的固结 ，原地面沉降计算结果如图9 ) iJ i ： 示 ，图中 显示原地面沉降量收敛于3 5 2 m m。将3 5 2 m m作为数 值模拟计算的最终沉降量，则堆载第2 4 0 d 的固结度 为8 6 ，满足设计要求。 图 8 飞行 区J C 0 9原地面沉降计 算值与 实测值对 比 o 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 oo o 1 2 o o 1 4 o o 图9 飞行 区软土段 落 1 2 0 0 天 的原地 面沉降量时程 曲线 3 8 监测成 果分 析与验证 2 0 1 3 年 6 月开始至2 0 1 4 年 3 月为飞行区道面施 工期 ，江苏远卓监测有限公司2 0 1 3 年 8 月至 2 0 1 4 年 3 月开始飞行区道面监测工作。沉降观测点位采用全 站仪坐标放样并红油漆做标记 ，道面共布设 5 8 个沉 降观测点 ，采用红油漆在道面做标记 ，观测采用二 等几何水准测量方法进行。 了 2 1 j ： 一s 婷一 7 9 B C 2 9 累计沉降量一 沉降速率一 时程曲线 时间 ( t ) 图 l 0飞行区道面区BC 2 9累计沉 降量 一沉降速 率 一时程 曲线 B C 0 2 累计沉降置一 沉降速率一 时程曲线 目 一 衄 世 媾 篓3 0 0Et- 譬至 一 一 单 敬 沉 辟 量 m m = = = = = ； = = = r _ 一 时 L t J 图 1 1 飞行 区道 面区BC 0 2累计沉降量 一沉降速 率一时程 曲线 通过以上典型沉降曲线 ( 如图1 0 、图 1 1 所示 )可 以看出：飞行区道面沉降变形较小，平均沉降速率小 于0 1 mm d，沉降速率较为稳定 ，累计沉降量均小于 8 m m，说明本次地基处理效果明显，满足设计要求。 4 结论 结合南京禄口国际机场二期飞行区场地工程地质 特征，通过对堆载预压排水固结理论的分析及排水预 压地基加固的数值模拟与分析，得到以下成果 ： (1)分析 了堆载预压排水固结 的计算理论 ， 得到了任意时刻地基固结度的计算方法。 (2)建立 了排水 预压地基 的三维有 限元 模 型 ，分析了地基 中的沉降和孔压等规律 ，研究了堆 载预压加固软土地基 的机理 。 ( 3)结合监测结果对软基处理方案及 固结理 论分析结果进行 了验证 ，结果表 明沉降观测结果与 模型分析结果 基本一致 。 参考 文 献 1 】费康， 张建伟A B A Q U S 在岩土工程中的应用【 M 北京： 中国水利水电出 版社 ， 2 0 1 0 2 】杨光华 土的本构模 型的数学理论及其应用 D 北京 ： 清华 大学， 1 9 9 8 【 3 】孙德安， 姚仰平， 殷宗泽 初始应力各向异性土的弹塑性模型 J J 岩土力 学 ，2 0 0 0 ，2 1 ( 3 ) ：2 2 2 2 2 6 4 孙 吉主， 高晖 A B A Q US 在软基 固结分析 中的应用 J 1 l 岩 土力学， 2 0 0 6 ， 3 5 ( 增刊 ) ： 8 - 1 1 5 王守林 TA B A Q U S 对排水板堆载预压法处理软基的沉降分析 D 长 沙： 中南大学， 2 0 1 2 6 王金昌， 陈页开A B A Q U S 在岩土工程中的应用 M 杭州： 浙江大学出版 社 2 0 0 6 【 7 】刘世涛 寒区公路软土地基变形现场监测及数值分析 D 哈尔滨： 东北 林业大学 ， 2 0 1 0 【 8 】沈建东 塑料 排水板堆载预压法处理软 土地基的工后沉降控制研究 D 】 广州： 华南理工大学， 2 0 1 2 0 铷 瑚瑚瑚瑚伽 g 蛔世蜉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m