刍议大面积吹填软土地基处理中的沉降预测方法

摘要：文中对比研究了大面积吹填软基处理工程中沉降预测问题，利用基于有限差分法的FLAC3D 数值计算方法，结合工前土工试验数据，预测了未知时间内的沉降，探讨了该方法的推广价值，为类似工程提供借鉴。

关键词：软基处理；软基预测；有限差分法

中图分类号：TU4文献标识码： A

一、引言

工程中常用的沉降预测方法大致可分为三类：一类是基于实测沉降历时关系的曲线拟合方法；第二类是基于系统分析法；第三类是基于 Biot 固结理论结合土体本构模型的数值方法。这几种方法各有相应的适用条件和理论机制，己经成为当前计算沉降的主要方法。本文结合工程实例，分别用三大类方法预测软土地基的后期沉降和最终沉降。分析各自方法的特点和适用性，并结合真空预压试验区实测资料进行基于统一评价标准的比较，从而得出较为准确的预测结论，为相应工程提供参考。本文以施加稳定的真空荷载为沉降分析的起点，不考虑抽真空前插板期间沉降。图 1 为试验区实测地表分层总沉降～时间变化曲线。

二、基于 FLAC3D 的软基沉降预测

1．FLAC 程序简介

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua，连续介质快速拉格朗日分析）是由 Cundall 和美国 ITASCA 公司开发的有限差分数值分析程序，主要适用地质和岩土工程的力学分析。该程序自 1986 年问世后，经不断改版，成为国际上广泛应用的可靠程序。

2．本构模型

本文采用 Mohr-Coulomb 模型，模型的破坏包络线和Mohr-Coulomb 强度准则（剪切屈服函数）以及拉破坏准则（拉屈服函数）相对应。

3．比奥固结理论

真空预压是一种典型的流固耦合过程，宜采用真三向固结理论。比奥（Biot）固结基本理论可以反映固结过程中位移与孔隙压力的相互影响，因为比奥（Biot）固结理论能反映实际情况，故计算软土固结沉降时宜采用比奥（Biot）固结理论。

4．计算模型的建立

① 计算区域及网格划分

试验区采用塑料排水板真空预压，排水板深度 19m，间距 0.85m，正方形布置。由于本文只重点考虑沉降情况，采用单井简化模式，计算深度取为 20m。塑料排水板按单井考虑有效排水直径，计算区域宜大于三倍的洞径，本文模型表面取为 6m。为简化计算，假定水平面与地面平齐。不同的土层各为一个单元区。共划分为个 3,549 节点，2,880 个单元。见图 2。

图 2 计算模型网格划分

② 位移边界条件

FLAC3D 中，位移边界条件指的是速度边界条件，即通过设定模型边界节点的速度（通常设定边界节点某个方向速度为零）来实现位移边界条件。位移边界条件取为：地基表面为自由变形，限制地基的侧向边界水平位移，限制地基底面竖向位移和水平位移。

③ 单井简化及荷载加载方式说明

有关真空预压地基塑料排水板地基固结计算的数值分析大多是采用平面应变分析或者单井轴对称分析。由于真空预压处理地基有塑料排水板或砂井的存在，按平面应变计算前必须对其进行等效处理，将砂井地基转换为砂墙地基。经过此种转换之后，地基中各点的几何位置已经不能和原型一一对应，因此这种平面化方法有比较大的缺陷。由于本文只重点探讨地基沉降预测问题，考虑采用简化的单井轴对称分析问题，即仅考虑一块排水板的作用，这种简化更加具有操作性。在计算中，将竖向排水通道（PVD）视为负压边界条件。根据真空预压的特点，在 FLAC3D 数值分析中，负压衰减模式未知，研究真空预压塑料排水板中负压衰减模式，考虑到本文的加固深度，本文取井底的负压为井顶的三分之一，从地面向下由大到小按线形变化设置。

④ 计算参数的选取

表1 主要计算参数

5．沉降计算结果分析

图 2~图 9 分别为模拟抽真空 40、60、80、100、120、140、160d 的计算区域表层沉降云图，沉降的计算结果与实测值比较接近。计算最大表面沉降发生在简化单井（PVD）影响区范围内。从水平面上看，距离简化单井（PVD）影响区越远，各层加固层沉降越小；从竖向平面上看，主要加固土层 2、4、5 的沉降较大。从抽真空 160 地表沉降云图中还可以发现，简化单井（PVD）打设深度以下 1m 范围内也有10cm 左右的沉降，这说明软基加固的深度比打设竖向排水体（塑料排水板）的深度大一些。

图 3 抽真空 40d 计算区域沉降云图

图 4 抽真空 60d 计算区域沉降云图

图 5 抽真空 80d 计算区域沉降云图

图6 抽真空 100d 计算区域沉降云图

图 7 抽真空 120d 计算区域沉降云图

图 8 抽真空 140d 计算区域沉降云图

图 9 抽真空 160d 计算区域沉降云图

图 10 FLAC3D 预测结果与实测值的比较

如图 10，采用 FLAC3D 预测真空预压软基沉降，预测结果较好，能满足信息化施工和沉降控制的要求。特别应该指出，该方法的优点在于有明确的三维固结理论作支撑，而且与前面所述沉降预测方法相比，它不需要实测沉降观测数据作为基础，人为影响因素较少，而只是采取工前土工试验有关参数，采用简化的模型进行计算预测。但对于目前工程技术人员普遍采用此方法还有相应的困难，笔者相信未来一定有广阔的应用前景。笔者认为误差的主要原因如下：

（1）本文计算模型的简化加载方式与实际抽真空加载之间的差异引起计算结果的误差。实际抽真空过程的初始阶段，由于加固大面积土体中的气相没有完全排出，实际抽真空荷载并没有完全作用在在软土上，即加固土层中的真空荷载分布模式和本文假定的分布模式有差异。本文假定排水体（PVD）中的负压分布在抽真空模拟过程中不变，按直线变化，但实际的负压分布模式可能并非如此理想。在抽真空末期阶段由于实际加固土层和排水体（PVD）之间的涂抹作用和阻力作用的加大。真空荷载衰减应更大，这和本文假定也有所出入。作者认为这方面的原因是造成 FLAC3D 模拟结果和实测结果中初始阶段和后期阶段误差较大的主要原因。

三、结论

本文依托实际工程软基处理现场监测成果，首先应用基于实测沉降观测的指数曲线配合模型、双曲线模型、GM（1，1）模型预测真空预压软基处理的沉降，并建立统一的比较评价标准（灰色关联度），从而比较分析三种常用预测模型的特点和适用性以及预测精度。然后基于摩尔―库伦本构模型和Biot 固结理论，用显示有限差分程序 FLAC3D 建立了数值模拟模型，进行了沉降预测计算并分析了计算结果的误差。主要结论如下：

（1）指数曲线配合模型、双曲线模型、GM（1，1）均为基于实测沉降数据的沉降预测模型。指数曲线配合模型是基于主固结理论解而推求最终沉降的，由于没有考虑次固结沉降，所以预测结果较实测值偏小；双曲线模型没有明显的固结理论支持，难于找到合适的“拐点”从预测模型的预测结果来看，预测结果偏大；灰色 GM（1，1）模型也没有明显的土力学固结理论作支持，是一种动态的预测方法，该模型适合于短期的预测以指导施工，对于历史跨度长的最终预测预测效果较差。对于本文工程实例指数曲线配合模型关联度最大，双曲线模型其次，GM（1，1）最差。

（2）FLAC3D 预测模型的最大优点在于不依赖实测沉降数据即可预测工后的任意加载时间沉降，对预测的结果分析，从而表明该方法适用于真空预压软基处理工程中的沉降预测问题。

参考文献

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