考虑土体各向异性的软基排水固结仿真研究.pdf

第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ，收稿日期：?基金项目：湖南省高速集团有限公司科技项目（高速公路下伏不稳定石膏矿采空区处治成套技术研究）作者简介：曾杉（），男，工程师，研究方向：道路与桥梁建设。文章编号：?（）?考虑土体各向异性的软基排水固结仿真研究曾杉，郭峰，许凌，毛阿立（湖南省白南高速公路建设开发有限公司，湖南 衡阳 ；湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 ）摘要：以某路堤软基的塑料排水管排水固结处理工程为例，分析了土的各向异性对排水固结的影响；将可体现各向异性的蠕变 模型引入到数值仿真中，研究塑料排水管固结作用下软基沉降、侧向变形、超孔隙水压力的演变规律，并与各向同性模型计算数据、现场监测数据进行对比，探讨了平均有效应力、孔隙率的横向变化特征。研究表明，塑料排水管的设置可以加速软基沉降，对侧向变形的影响不明显，并且明显加快了超孔隙水压力的消散，设置塑料排水管可以在不破坏软基稳定性的前提下改善排水固结效果；总体来看，各向异性模型更能反映软土的实际特性，可以提高数值仿真的计算精度，为有排水单元嵌入情况下的复杂场地排水固结有限元模拟提供了可靠的手段。关键词：软基；排水固结；塑料排水管；各向异性；数值仿真中图分类号：文献标志码：引言公路工程建设往往涉及许多软基处治，若对工期要求较为宽松，可以采用排水固结的方法，即在软基内设置缩短排水路径的通道（排水管、排水板、砂井等），利用静荷载产生超孔隙水压力，使土中水分快速排出，孔隙率降低，从而提高土的固结度和承载力 。由于软基通常为软黏性土、淤泥、淤泥质土、泥炭等渗透性较差的土，排水通道的合理设置是十分关键的。根据国内外经验 ，利用聚乙烯管等塑料管作为竖向排水体进行软基排水固结处治是可行的，适用的软土厚度可达 ，并可在数个月内快速提高土的强度和抗变形能力；同时，该方法具有施工方便、成本低、使用寿命长等优点 。数值仿真是分析软基排水固结效果的一种常用手段，沙玲等 采用 计算了真空 堆载联合预压荷载下土体的沉降、水平位移和超静孔隙水压力，并与实测结果进行对比分析。赵维炳等 建立了砂墙地基平面应变和轴对称情况下的等效公式，提出了数值分析中砂井地基的处理技术。王柏欢等 、彭稢等 和张力等 分别对联合堆载 竖向排水处理后的固结度、土体强度增长和含水量等方面进行了研究，分析了控制软基工后沉降的方法。以上数值仿真研究成果从不同角度揭示了软土地基排水固结处理的工程特性和加固效果，但采用的软土本构模型均为各向同性模型，事实上，软土具有高度的各向异性，根据文献 的介绍，忽略土的各向异性会导致计算结果偏小，这对于固结沉降处治意味着会高估处治所需的时间，引起错误的工期安排。为了更准确地反映软土的真实情况，本文针对某公路软基的塑料排水管排水固结处理工程，将可体现各向异性的蠕变 模型引入到数值仿真中，研究塑料排水管排水固结作用下软基沉降、侧向变形、超孔隙水压力的演变规律，并与现场监测数据进行对比，同时探讨了平均有效应力、孔隙率的横向变化特征，旨在为类似工程建设提供参考。工程概况某公路路线穿越地区地形平坦开阔，多农田、村湖南交通科技 卷落，水系发育，主要为洞庭湖、湘江、资江、资江及其支流河水、溪沟等，水塘、水库分布较多，年平均降雨量为 左右，雨季多集中于 月。路线范围内特殊性岩土主要为软土、花岗岩残积土、膨胀土，由于地势低平，水网密集，地下水排泄不通畅，地基长期受地下水浸泡而软化，承载力低。某段低填路基建设于 厚的硬壳层上，下部为 厚的淤泥，含水率高达 ，孔隙比 ，采用排水固结法进行处治，其中 长路段采用塑料排水管作为试验段，正方形布管，管的间距为 ，外径为 ，管长为 。使用钢轨式插板机进行塑料排水管施工，将塑料排水管主体结构顺着管套进入梅花桩内，固定塑料排水管位置后，再将塑料排水管后端反插入管套中，利用管套固定塑料排水管于相应位置。接着开启振动锤打坑，达到要求深度后立即关闭离合器。塑料排水管插设完成后，用碎石和泥沙将多余孔洞填平，覆盖土工布。数值分析方法 蠕变 本构关系蠕变 本构模型是 本构模型的改进模型，后者在 、等有限元分析软件中是常用的岩土材料模型，国外学者在 试验路堤等工程的沉降分析中应用过该模型 ，取得了较好的模拟分析效果。蠕变 本构模型能够反映软土的各向异性，而且可以体现软土性质对于变形速率的依赖性。有限元分析软件 中自带蠕变 本构模型，该模型的详细介绍可以参照文献 及 软件说明。其在主应力空间中表示如图 所示，临界状态下的应力比为罗德角的函数，具体如式（）所示。（）（）（）式中：，是 时三轴压缩试验得出的 值，是 时三轴拉伸试验得出的值。不同 下破坏面在 平面中表示如图 所示。当 和 相等时，破坏面在 平面中恢复为 破坏面 。数值模型由于三维有限元计算需要很大的计算成本，往往将该类问题 ，作为二维轴对称问题处理。有限图 主应力空间中的蠕变 模型 图 不同 值下的 平面上的破坏面元模型的几何形状如图 所示，模型的水平尺寸为 ，顶宽度 ，采用四边形 三角形混合（）未处治模型（）处治模型图 数值仿真模型期曾杉，等：考虑土各向异性的软基排水固结仿真研究单元进行网格划分。底部边界设为不透水边界，约束垂向和水平位移，左、右边界约束水平位移，地表和左右边界为透水边界。根据地下水出露情况，初始地下水位设置为地面线。塑料排水管作为排水单元嵌入到模型中。路堤本身采用了理想弹塑性模型 模型，参数如下：弹性模量 ，泊松比 ，黏聚力 ，内摩擦角 ，重 度 为 。其 余 地 层 采 用 蠕 变 模型，参数如表 所示，参数含义可以参照文献 及 软件说明，在此不做详述。该路堤的填筑速率为 ，利用流固耦合分析研究软基的沉降、侧向变形等指标的演变情况。表 地层参数参数类别初始状态弹性参数临界状态各向异性参数破坏参数黏性参数渗透参数 （）（）（）第 层（）第 层（）第 层（）第 层（）第 层（）试验结果分析 沉降图 显示了几种软土本构模型下，路堤中心地基面沉降随时间的变化，除了采用蠕变 模型（各向异性模型）之外，还采用了 自带的 种各向同性模型进行对比，分别为 修正剑桥模型（各向同性模型 ）和 模型（各向同性模型 ），此外还列出了现场监测数据进行验证。根据图（）中的监测值，堆载施工后 、的沉降值分别为 、，采用 和 模型时计算误差较大，而采用体现软土各向异性的蠕变 本构模型后，沉降值与监测值更加接近，以 的计算结果为例，和 的计算误差为 和 ，而蠕变 的计算误差仅为 ，尽管数值仿真计算结果仍偏保守，但是采用蠕变 模型后计算精度有了很大提高，这与该模型可体现应变软化导致计算变形增大有关。图（）显示加入塑料排水管进行处治后，堆载施工后 、的沉降值分别为 、，相对无塑料排水管时，监测沉降值和计算沉降值都显著增大，以 计算值为例，监测值、各向同性模型 计算值、各向同（）无排水管（）有排水管图 路堤中心地基面的沉降曲线湖南交通科技 卷性模型 计算值、各向异性模型计算值分别增大 、，这说明增设塑料排水管对于加速软基排水固结是非常有效的，各向同性模型 和 的计算值误差依然较大，而各向异性模型计算值已经比较接近监测值，计算精度比较理想，这是由于蠕变 模型的横向渗透系数大于竖向渗透系数，即，这与软土本身的性质更加接近。图 （）（）为无塑料排水管时，路堤开始施工 、后的地表沉降对比图，无论是否采用塑料排水管，处治范围（路堤范围）以内的地表沉降都是较大的，沉降量整体趋势由中线向边缘递减。总体来看，种模型的计算值在短期内都与监测值吻合较好，但从长期来看，各向异性模型的计算精度最理想，其次为各向同性模型，而各向同性模型（模型）严重低估了地面沉降。图 （）（）为采用塑料排水管时，路堤开始施工 、后的地表沉降对比图。此时使用各向异性模型时沉降的增加更加明显。同时可以看出不同本构模型反映的沉降影响范围是不同的，对于各向异性模型，沉降区域非常广，可达距离中心 处，而各向同性模型预测出的沉降范围为 。（）无排水管（）（）无排水管（）（）有排水管（）（）有排水管（）图 路堤表面沉降对比 侧向变形侧向变形可以反映软基排水固结处治过程中的稳定性，图显示了距离中心处软基不同深度的侧向水平变形。如图 （）（）所示，对于无排水管工况，监测数据达到 的峰值，随后向深度逐渐减小，后监测数据在深度方向上出现了“锯齿”状，可能是由于监测误差增大导致的。各向同性模型显然低估了浅层软土的侧向变形，各向异性模型更能准确预测各个深度上的侧向变形。对于有排水管工况，见图 （）（），监测数据表明地表以下 范围内侧向变形增加了近 倍，这可能是地表施工扰动造成的。以下 种条件下的侧向变形监测值十分接近，这说明设置排水管对侧向变形的影响很小。尽管 种模型的计算误差都较大，但采用各向异性模型的计算结果仍是相对可靠的。期曾杉，等：考虑土各向异性的软基排水固结仿真研究（）无排水管（）（）无排水管（）（）有排水管（）（）有排水管（）图 软基侧向变形 超孔隙水压力一般情况下，超孔隙水压力在路堤施工堆载过程中产生，并随着时间增加而消散。图 显示了软基不同深度的超孔隙水压力的变化。如图 （）（）所示，对于无排水管工况，个模型都显示出了超孔隙水压力在施工开始后有急剧的增长，可见种本构模型都高估了 处超孔隙水压力的峰值，在各向同性模型下超孔隙水压力的消散更快，时从 降至 左右，时降至 左右，而各向异性模型下超孔隙水压力消散得相对较慢，尤其在 深度处，超孔隙水压力是持续上升的，与实测结果有一定误差。有排水管工况见图 （）（），种模型下孔隙水压力明显消散加快，在处，时各向同（）无排水管（深）（）无排水管（深）（）有排水管（深）（）有排水管（深）图 软基超孔隙水压力湖南交通科技 卷性模型下超孔隙水压力降至 左右，时降至 左右，而 时各向异性模型下超孔隙水压力降至 左右，时降至 左右。在 处，时各向同性模型下超孔隙水压力降至 左右，各向异性模型下超孔隙水压力则维持在 左右。总体来看，设置排水管明显加快了超孔隙水压力的消散，而且消散主要在前 发生，这意味着固结排水引起的沉降主要产生在前期，可以适当提高此期间沉降观测的频率。其他指标图（）显示了施工后 、埋深 处沿路堤横向的平均有效应力分布，本构模型为反映各向异性的蠕变 模型。可见有效应力在横向呈锯齿状分布，在塑料排水管位置出现峰值，塑料排水管的设置也改变了路堤下方的应力场，导致排水管附近平均有效应力的增加。随着应力场的变化，土的状态参数如孔隙比也在横向上发生变化，如图（）所示，在排水管位置处孔隙率达到低谷，这个位置土的排水较快，有效应力有所提升，孔隙率减小较为明显。由此可见，塑料排水管在淤泥中的排水效果是十分明显，若需要减少固结排水时间，可以在经济允许的前提下增大塑料排水管布置密度。（）平均有效应力（）孔隙比图 路堤的应力参数分布 结论）根据监测值和数值仿真值，塑料排水管的设置可以加速软基沉降，对侧向变形的影响不明显，并且明显加快了超孔隙水压力的消散。）相对各向同性模型，采用各向异性蠕变 本构模型可以取得更加准确的沉降预测值，而且沉降预测区域更广。对于侧向变形，尽管种模型的计算误差都较大，但采用蠕变 模型的计算结果仍然是相对可靠的。）各向异性蠕变 模型下超孔隙水压力消散得相对较慢，尤其在 深度处，超孔隙水压力是持续上升的。有效应力和孔隙率在横向呈锯齿状分布，其中有效应力在塑料排水管位置出现峰值，孔隙率则在塑料排水管位置出现谷值。）设置塑料排水管可以在不破坏软基稳定性的前提下改善排水固结效果。总体来看，各向异性模型由于更能反映软土的实际特性，可以提高数值仿真的计算精度，从而为有排水单元嵌入情况下的复杂场地排水固结有限元模拟提供可靠的手段。参考文献：胡波，李友云，张宇辉，等 南洞庭湖地区软基施工预压期沉降分析 湖南交通科技，（）：李海敏 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