真空预压处理后二次地基处理数值模拟分析研究

【摘要】针对广州某基地大面积吹淤工程，根据使用要求经真空预压地基处理后再次进行地基加固，通过对多种方案的数值模拟，分析研究各方案的差异和优劣，选用水泥土搅拌桩进行二次加固处理。水泥土搅拌桩地基加固的成功应用也为类似地区处理大面积吹填工程较高使用要求场地进行地基加固处理提供了借鉴意义。

【关键词】 吹填工程；真空预压地基处理；水泥土搅拌桩；微型桩

中图分类号： TV42 文献标识码： A

The numerical simulation analysis and research of secondary ground treatment after Vacuum preloading

Ding Xiaoqing

（CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY INSTITUTE OF ENGINEERING INVESTIGATION & DESIGN CO.,LTD ,Shanghai 200063 ）

【Abstract】On base of large areas of Guangzhou land reclamation engineering that after vacuum preloading foundation treatment for secondary foundation reinforcement, Through analyzing various solutions of numerical simulation, the differences , advantages and disadvantages of each scheme for design and determine the final scheme provides reference and basis of reinforcement. the research selects the cement-soil mixing pile for the secondary reinforcement.The successful application of the solution for dealing with large areas of land reclamation engineering in the region secondary deep foundation reinforcement provides reference.

【Keywords】Land reclamation engineering, cement mixing pile, micro-pile.

0引 言

随着经济和社会的发展，人类对土地的需求量越来越大，世界各地的围海造陆工程也日益增多，由此带来的吹填土加固问题也越来越引起人们的关注，并研究出众多加固方法。由于吹填地层的不同，各个方法有其各自的优劣性，因此，需要结合具体工程，采用数值模拟，具体分析，结合经验与现场试验确定合适的加固方案，达到提高地基设计质量和精度，节约地基处理的工程造价。

1工程地质条件

某场地原始地形主要为滩地，泥面标高平均为0.5m，为了进行各项工程建设，进行大面积吹填，吹填平均厚度约4.3m，吹填的主要成分为淤泥，由于排水困难，形成流泥、浮泥状态。吹填土与其下②2层淤泥

均呈流塑～软塑状，含水量高、孔隙比大、渗透性差，

为高压缩性、低强度土，先采用真空预压法对软弱粘性土层进行地基处理至，处理后的主要土层参数指标见表1。

2真空预压效果模拟

结合表1的数据以及现场观测的数据，结合场地不同使用要求的情况来决定是否需对已完成真空预压软基处理的场地进行二次地基加固。

对于真空预压效果模拟，考虑采用真空度施加的模拟和PVD地基的等效进行模拟。其中真空度模拟采取将加固区内PVD地基表面的地下水头线性降低8m，以等效因抽真空而在地基表面形成的80kPa负压代替。

表1 真空预压软基处理后主要土层工程特性指标参数表

PVD地基的等效在李豪[1]、赵维炳[2]、陈小丹[3]等人研究的基础上采用如下方法进行模拟替代。

通过增加地基土渗透系数的方式将用塑料排水板（或塑料排水带）加固的地基等效为天然地基进行计算。

通过对PVD地基和塑料排水墙地基进行等效变换，将三维的PVD地基等效为平面应变问题，以模拟塑料排水板。并分为既不考虑井阻，也不考虑涂抹区影响；考虑涂抹区的影响；考虑涂抹区和井阻的影响等模式[4-6]。

算例所取计算剖面为9027#、9028#、9029#钻孔间的土层剖面，如图1所示。计算模型地层划分如图2所示。对①1、②3、③1、⑧层采用摩尔－库仑（MOHR-COULOMB）模型（理想塑性）；对①2、②2层采用基于修正剑桥模型的软土模型。计算模型左右两条边界仅允许竖向位移，底部边界固定（竖直、水平向均固定），顶部边界自由。网格划分如图3所示，有限元网格单元格数量为1589，节点数量为3304，应力点数量为5319，平均单元大小为1.02m。

图19027#、9028#、9029#钻孔间土层剖面图

图2 计算模型地层划分示意图

图3 有限元网格分布示意图

分别对以下两种本工况进行模拟分析：一是不考虑真空预压处理前吹填施工对土体的影响，即把①1层吹填砂、①2层吹填土看作正常固结土，与下面四层土同时完成自重应力固结，模拟从抽真空处理开始，至固结810天后结束；二是从吹填施工之前开始模拟，完全按照实际的施工过程（包括吹填施工）设置计算步骤，把吹填施工过程形成的土体欠固结特性考虑在内，进行模拟分析土体欠固结因素对地基沉降变形的影响程度。经过模拟，发现本场地①1层吹填砂、①2层吹填土的欠固结特征对于地基沉降存在重要不利影响，在设计、施工过程中应予以充分考虑。其引起的沉降主要来自两方面：一方面是①1层、①2层土体自身在真空预压实施前尚未完成的固结沉降；另一方面是进行吹填施工后，下层土体受①1层、①2层土体重力影响，在真空预压实施前尚未完成的固结沉降。因此，需要进行二次加固处理。

3地基加固数值模拟

地基加固方法通常有水泥土搅拌法、高压旋喷桩、CFG桩、大直径薄壁管桩以及微型桩等方法。结合地层特性以及各种方法的优劣性，选择水泥土搅拌桩法和微型桩较为适合本工程。为此，设计三种方案：一是单独采用水泥土搅拌桩；二是单独采用微型桩；三是水泥土搅拌桩与微型桩交错布置。对这三种方案进行数值模拟。本次深层地基处理模拟建立在真空预压之后，新加入的材料共有3种：地表垫层、搅拌桩、微型桩。本次模拟计算采用平面应变等效，通过等效降低桩体弹性模量的方式将纵向上（垂直纸面方向）每隔一定距离布置的桩，换算为沿宽度方向（平行纸面方向）排列的板桩，从而进行二维计算。具体建模模型如图4、图5所示。垫层、搅拌桩以及微型桩的模型参数见表2、表3、表4。

图4 搅拌桩地基模型 图5 微型桩地基模型

表 2 垫层的模型及参数 表 3 搅拌桩的模型参数

表 4 微型桩的模型参数

方案一搅拌桩数值模拟

不对地基进行任何深层处理（不加任何桩），待90天真空预压期结束并卸真空，地基固结回弹至稳定（超孔压消散完毕），直接施加5t荷载；对地基采用15m（12.5m、10m）搅拌桩进行处理；对地基同时采用10m、15m两种长度的搅拌桩进行处理（两种长度的桩交错布设）。

图 6 未二次处理地基有限元网格划分示意图

该有限元网格单元格数量为1145，节点数量为2400，应力点数量为3435，平均单元大小为1.21m。

图 7 搅拌桩地基有限元网格划分示意图

该有限元网格单元格数量为1723，节点数量为3574，应力点数量为5169，平均单元大小为0.986m。

方案二微型桩数值模拟

桩长取15m、12.5m、10m进行模拟。

图 8 微型桩处理地基有限元网格划分示意图

该有限元网格单元格数量为1533，节点数量为3180，应力点数量为4599，平均单元大小为1.040m。

方案三搅拌桩与微型桩交错布设数值模拟

桩长均取15m。

按照上述设置建模，得到各地基沉降曲线，分析结果显示：

（1）数值模拟计算结果显示，未经二次处理的地基在承受上覆荷载时仍会产生较大沉降，故有必要对地基进行进一步加固处理,同时也说明了二次地基加固的必要性。

（2）相同长度的微型桩处理效果较搅拌桩稍差。鉴于微型桩桩长可以加长（模拟时最长按15m计算），故认为增大桩长可能使其达到与搅拌桩相同的处理效果。从数值模拟结果和机理分析两方面考虑搅拌桩比微型桩更适合本场地的深层地基加固工程。

（3）通过对相同荷载条件下不同桩长搅拌桩地基加固效果的模拟计算，发现10m到15m为搅拌桩桩长合理范围，由此可知可以根据具体场地情况结合试验结果选择合理桩长，使其满足加固要求、施工条件同时节约造价。

4现场试验

根据模拟的结果，现场采用水泥土搅拌桩预先进行试验。根据现场条件及真空预压加固后的检测效果，选择在一块真空预压效果达到要求的区域（方案1、方案2）和真空预压效果并不理想的区域（方案3）进行试验。主要方案参数如表5所示。

表 5 试验方案参数

通过各类相关试验后，对取得的数据加以分析，得出如下结论：

（1）方案1、2的水泥土搅拌桩复合地基承载力比方案3的复合地基承载力要小，主要是因为方案1、2的面积置换率要远小于方案3的面积置换率导致的，所以面积置换率是影响复合地基承载力的重要因素之一。

（2）方案1与方案2比较，对于加入少量的石膏对于改善水泥土搅拌桩早期桩体强度具有明显效果。

（3）在珠江地区高含水量、高含盐量淤泥软土地区水泥土搅拌桩施工经验，采用水泥土搅拌桩，应适当增加水泥掺入量及石膏粉；提高水灰比.

（4）可采用双层搅拌头且适当加大搅拌叶片的宽度、厚度和增加叶片的枚数及搅拌次数（≥6次），确保搅拌均匀,从而更能提高搅拌桩的成桩质量和桩身强度。

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