1 引言
隨著沿海地區城市的發展, 填海區的市政基礎建設工程越來越多。溫州甌江口新區存在巨厚層濱海相淤積軟土, 為典型的軟弱地基土, 其天然滲透系數小、含水量高、孔隙比大、抗剪強度低、靈敏度高, 工程地質條件較差, 是路基處理的一大難點。
在軟土地基處理方法中, 應用比較普遍的是超載預壓排水固結法。其中塑料排水板堆載預壓法最為常用, 其施工方法簡便, 造價低廉, 在軟基處理中加固效果顯著, 適用于大面積的軟基處理工程中, 并在國內外的軟基處理工程中得到廣泛應用。因此, 對塑料排水板堆載預壓法加固軟基機理及軟基的固結沉降特性進行深入研究具有實際意義。
2 工程概況
溫州某城鎮道路位于溫州甌江口新區, 整體呈東西走向, 全長約1810m, 規劃紅線寬50m, 城市主干路, 設計車速50km/h。
其中經七路~經九路段位于回填區 (如圖1所示) , 該路段軟基處理方案擬采用塑料排水板堆載預壓法處理方案。
擬建場地特殊性巖土為 (2) 1層淤泥質粉質粘土、 (2) 1’層含粉砂淤泥、 (2) 2層淤泥及 (3) 1層淤泥質粘土, 且含水量高、壓縮性高、靈敏度高、易變性、抗剪強度低, 具體土層物理力學指標如表1。
3 塑料排水板堆載預壓法的有限元計算方法簡化
3.1 有限元計算方法簡化
采用巖土工程分析軟件plaxis進行本次計算, 本構模型選擇軟土蠕變。
作為一個邊值問題, 土體內部發生固結變形過程是邊界條件改變的結果。邊界條件可分為荷載邊界、位移邊界、水頭邊界及流量邊界。在加荷壓縮時, 只有邊界荷載或邊界位移發生變化, 水頭邊界不變。
在常規的工程設計中, 一般把塑料排水板等效為砂井, 而砂井地基可簡化為單井地基, 按軸對稱固結情況來分析其固結過程。若要用有限元分析, 對砂井地基嚴格地講應該采用三維固結有限元來計算。但是三維有限元分析本身的工作量就已經相當大, 如果再加上密集的砂井而導致劃分的單元大為增加, 相比之下, 平面問題有限元就要簡便得多, 所以很有必要將砂井地基這種三維系統轉換為平面應變問題來處理, 其辦法是把原來沿著路基縱向有一定間隔分布的砂井想象成沿著縱向連續不間斷分布的砂墻, 即把原來的砂井地基變成打設了一排一排砂墻的地基, 而這種砂墻地基就可以作為平面應變問題分析。另外, 在有限元網格劃分時, 往往需要在砂墻上設置節點, 又不能將一個單元的每個節點均設在砂墻上, 這就要在砂墻中間再劃分一排節點, 這將使節點數成倍增加, 增加計算工作量, 因此還需要放大砂墻的間距。但這兩種變換應保證變換前后主要基本量 (如固結度) 保持不變的前提下進行。
現按單位面積內排水總面積相等的方法, 將正方形布置轉換為與寬度為排水管直徑 (0.1m) , 長度為單位長度的矩形排水管墻的形式。
以K0+500斷面為例, 即有下列等式成立:
式中n為1.8平方米內排水塑料排水板墻的數量。計算得出1.8平方米內0.1m厚塑料排水板墻的數量為0.4, 等效于2.5×1.8m2區域內塑料排水管墻的數量為1, 如圖2所示, 即二維有限元計算里面的線間距為4.5m。
3.2 有限元計算區域、邊界條件、荷載處理及單元劃分
(1) 計算區域
1) 計算寬度取為路基加固寬度的2-3倍, 在此以外認為其變形已經很小。
2) 計算深度取塑料排水板長度的2倍。
以上計算范圍主要根據計算機容量確定, 也考慮實際加固的可能結果, 估計此范圍以外的土體變形已經很小, 忽略不計不致嚴重影響計算結果的可靠性。
(2) 邊界條件
邊界條件主要包括位移邊界條件和孔隙水壓力邊界條件。
邊界條件的確定如圖3所示:
1) 孔壓邊界條件:
塑料排水板上各節點的孔隙水壓力由于堆載壓縮的作用而變成負值, 地表面處的孔隙水壓力為大氣壓力 (等于零) , 其他邊界均按不透水邊界考慮。
2) 位移邊界條件:
左右邊界水平位移為零, 豎向位移和孔隙壓力未知, 底部邊界取全約束。
(3) 荷載處理
由于路基填土是逐級增加, 在有限元計算中與地基有一個很大的不同, 就是在施工逐級加荷過程中, 不僅荷載不斷增加, 路基斷面也在變化。計算中作了以下處理:
計算網格隨施工過程而增加。對于施工過程中不斷增加的填筑層, 應作為荷載, 也在該級增量中形成網格。
(4) 網格劃分及時間步長選取
地基土體的計算模型如圖3, 土體取15節點三角形單元劃分。對堆載預壓, 計算寬度取為150m, 其中預壓寬度取實際預壓寬度的50m。深度方向取40m, 為塑料排水板打設深度的兩倍。
在計算時, 時間步長不宜取得太小。 太小, 則方程的系數矩陣會因為部分元素太小而成為病態矩陣, 無法求得正確的解答。根據沃洛第的建議, 采用下式來估計 的數量級, 即:
4 堆載預壓加固軟土地基的有限元計算分析
4.1 堆載工況概述
計算中選取K0+500斷面進行分析。
該斷面采用塑料排水板聯合堆載預壓加固處理, 加固深度20m。排水板間距0.9m, 梅花型布置。塑料排水板頂部鋪0.6m厚的砂墊層, 內鋪設一層土工格柵。
路堤設計斷面示意圖如圖4所示:
堆載過程的加荷曲線如圖5所示:
4.2 沉降分析
根據堆載預壓法加固公路軟基特點和施工過程, 闡述加固過程中土體的變化特點。
(1) 路基中心點沉降計算值
從該圖可以看出:路基填筑完成后, 路基中心地面 (225d) 的計算累積沉降為1407mm, 隨后沉降速率逐漸變小, 630d的沉降計算值為1589mm, 此時沉降速率已趨近于零。堆載預壓整個過程中, 路基單日最大沉降速率為11.1mm。。
(2) 坡腳水平位移及其速率計算值
從圖7可以看出:坡腳水平位移曲線與沉降曲線變化趨勢較吻合, 路基填筑完成 (225d) , 坡腳水平位移為179mm;540d的坡腳水平位移是197mm。堆載預壓施工過程中, 坡腳水平位移單日變化速率最大為2mm。
4.3 塑料排水板對堆載預壓加固效果的影響分析
由堆載預壓處理軟土地基的工程實踐, 排水板堆載預壓的加固效果的因素可以歸為塑料排水板打設長度和間距。根據已有的固結模型, 通過有限元分析計算, 對各因素的影響進行定性分析。由于加固區中心的沉降量具有較強的代表性, 故計算中選取這部分數據進行分析。
(1) 塑料板打設長度
分別計算塑料排水板的長度為15m, 20m, 25m三種工況下的沉降值, 圖8為不同工況下路基中心處各土層隨地表深度變化的沉降值。計算發現, 最大沉降值隨排水塑料板的長度遞增, 地表附近的地層沉降規律表現的異常明顯。此外, 堆載加壓對沉降的影響范圍都在40m左右, 表面排水板的長度與影響范圍關系不明顯。
以下對排水板長度為20m的工況進一步分析, 圖9堆載填筑結束后300d的沉降云圖。
根據沉降計算結果:堆載填筑結束300d時, 路基中心以下土層的最大沉降量為1500mm, 塑料排水板下方的沉降量約為600mm。10m以下土層沉降占總沉降的45%, 因此這部分固結沉降不容忽視。這說明當排水板打設深度為20m時, 10m以下范圍的土層仍然得到了很好的固結, 其加固效果仍然很明顯。
但同時, 從圖9可以看出, 土層的加固效果從路基中心向兩側逐漸降低, 坡腳處塑料排水板底部土層位移僅100mm左右。
堆載預壓加固深度僅與排水板打設長度和排水板阻力有關。對軟土層較厚的地區, 排水板一般可打設20m左右, 在排水板打設范圍內采用堆載預壓法均能使地基土體獲得良好的加固效果。
(2) 排水板間距
排水板間距對土體的固結變形也有一定的影響。計算中取排水板墻間距分別為2m、4.5m、9m, 其他條件不變, 塑料排水板打設深度取20m。得到加固區中心點沉降量及隨時間變化曲線, 如表2、圖10。
由表2-4、圖2-7知:當排水板間距由2m增加到9m時, 同一時刻, 加固區中心點沉降量由1605mm減小到1563mm, 變化幅度不明顯。說明排水板間距對加固效果影響甚微。
5結論
經過對環島北路回填區軟土路基數值模擬分析, 得到以下結論:
(1) 堆載填筑過程中, 路基及下部土層的沉降變化十分明顯, 填筑施工結束, 沉降速率放緩;
(2) 坡腳水平位移曲線與沉降曲線變化趨勢一致, 堆載填筑過程中影響較大;
(3) 擬建場地土層以淤泥質軟土為主, 滲透系數比較低, 塑料排水板的打設長度和間距對沉降影響不明顯;
(4) 以K0+500斷面為例, 塑料排水板打設深度20m, 間距0.9米方形布置, 堆載高度4m, 分3次填筑, 在此工況下, 路基單日最大沉降速率為11.1mm, 坡腳水平位移單日變化速率最大為2mm, 滿足規范要求。
摘要：沿海地區城市發展過程中, 填海區軟弱地基土上的市政基礎建設工程越來越多, 超載預壓排水固結法是這類軟土地基處理普遍采用的方法。依托溫州某城鎮道路工程項目, 以軟土路基作為研究對象, 采用軟土蠕變模型, 計算模擬塑料排水板打設、分層填筑、堆載預壓和卸載的分步實施過程, 明晰了塑料排水板和超載預壓在軟土地基處理中的基本特性。選取路基中心處沉降值和路基坡腳的水平位移作為分析對象, 研究超載預壓排水固結法中各項參數, 如堆載時間、堆載重量、排水板長度、排水板間距等, 對預壓效果的影響, 并提出了合理的控制措施。
關鍵詞：軟土路基,超載預壓法,塑料排水板,路基沉降,預壓效果
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