1 引言
随着沿海地区城市的发展, 填海区的市政基础建设工程越来越多。温州瓯江口新区存在巨厚层滨海相淤积软土, 为典型的软弱地基土, 其天然渗透系数小、含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、灵敏度高, 工程地质条件较差, 是路基处理的一大难点。
在软土地基处理方法中, 应用比较普遍的是超载预压排水固结法。其中塑料排水板堆载预压法最为常用, 其施工方法简便, 造价低廉, 在软基处理中加固效果显著, 适用于大面积的软基处理工程中, 并在国内外的软基处理工程中得到广泛应用。因此, 对塑料排水板堆载预压法加固软基机理及软基的固结沉降特性进行深入研究具有实际意义。
2 工程概况
温州某城镇道路位于温州瓯江口新区, 整体呈东西走向, 全长约1810m, 规划红线宽50m, 城市主干路, 设计车速50km/h。
其中经七路~经九路段位于回填区 (如图1所示) , 该路段软基处理方案拟采用塑料排水板堆载预压法处理方案。
拟建场地特殊性岩土为 (2) 1层淤泥质粉质粘土、 (2) 1’层含粉砂淤泥、 (2) 2层淤泥及 (3) 1层淤泥质粘土, 且含水量高、压缩性高、灵敏度高、易变性、抗剪强度低, 具体土层物理力学指标如表1。
3 塑料排水板堆载预压法的有限元计算方法简化
3.1 有限元计算方法简化
采用岩土工程分析软件plaxis进行本次计算, 本构模型选择软土蠕变。
作为一个边值问题, 土体内部发生固结变形过程是边界条件改变的结果。边界条件可分为荷载边界、位移边界、水头边界及流量边界。在加荷压缩时, 只有边界荷载或边界位移发生变化, 水头边界不变。
在常规的工程设计中, 一般把塑料排水板等效为砂井, 而砂井地基可简化为单井地基, 按轴对称固结情况来分析其固结过程。若要用有限元分析, 对砂井地基严格地讲应该采用三维固结有限元来计算。但是三维有限元分析本身的工作量就已经相当大, 如果再加上密集的砂井而导致划分的单元大为增加, 相比之下, 平面问题有限元就要简便得多, 所以很有必要将砂井地基这种三维系统转换为平面应变问题来处理, 其办法是把原来沿着路基纵向有一定间隔分布的砂井想象成沿着纵向连续不间断分布的砂墙, 即把原来的砂井地基变成打设了一排一排砂墙的地基, 而这种砂墙地基就可以作为平面应变问题分析。另外, 在有限元网格划分时, 往往需要在砂墙上设置节点, 又不能将一个单元的每个节点均设在砂墙上, 这就要在砂墙中间再划分一排节点, 这将使节点数成倍增加, 增加计算工作量, 因此还需要放大砂墙的间距。但这两种变换应保证变换前后主要基本量 (如固结度) 保持不变的前提下进行。
现按单位面积内排水总面积相等的方法, 将正方形布置转换为与宽度为排水管直径 (0.1m) , 长度为单位长度的矩形排水管墙的形式。
以K0+500断面为例, 即有下列等式成立:
式中n为1.8平方米内排水塑料排水板墙的数量。计算得出1.8平方米内0.1m厚塑料排水板墙的数量为0.4, 等效于2.5×1.8m2区域内塑料排水管墙的数量为1, 如图2所示, 即二维有限元计算里面的线间距为4.5m。
3.2 有限元计算区域、边界条件、荷载处理及单元划分
(1) 计算区域
1) 计算宽度取为路基加固宽度的2-3倍, 在此以外认为其变形已经很小。
2) 计算深度取塑料排水板长度的2倍。
以上计算范围主要根据计算机容量确定, 也考虑实际加固的可能结果, 估计此范围以外的土体变形已经很小, 忽略不计不致严重影响计算结果的可靠性。
(2) 边界条件
边界条件主要包括位移边界条件和孔隙水压力边界条件。
边界条件的确定如图3所示:
1) 孔压边界条件:
塑料排水板上各节点的孔隙水压力由于堆载压缩的作用而变成负值, 地表面处的孔隙水压力为大气压力 (等于零) , 其他边界均按不透水边界考虑。
2) 位移边界条件:
左右边界水平位移为零, 竖向位移和孔隙压力未知, 底部边界取全约束。
(3) 荷载处理
由于路基填土是逐级增加, 在有限元计算中与地基有一个很大的不同, 就是在施工逐级加荷过程中, 不仅荷载不断增加, 路基断面也在变化。计算中作了以下处理:
计算网格随施工过程而增加。对于施工过程中不断增加的填筑层, 应作为荷载, 也在该级增量中形成网格。
(4) 网格划分及时间步长选取
地基土体的计算模型如图3, 土体取15节点三角形单元划分。对堆载预压, 计算宽度取为150m, 其中预压宽度取实际预压宽度的50m。深度方向取40m, 为塑料排水板打设深度的两倍。
在计算时, 时间步长不宜取得太小。 太小, 则方程的系数矩阵会因为部分元素太小而成为病态矩阵, 无法求得正确的解答。根据沃洛第的建议, 采用下式来估计 的数量级, 即:
4 堆载预压加固软土地基的有限元计算分析
4.1 堆载工况概述
计算中选取K0+500断面进行分析。
该断面采用塑料排水板联合堆载预压加固处理, 加固深度20m。排水板间距0.9m, 梅花型布置。塑料排水板顶部铺0.6m厚的砂垫层, 内铺设一层土工格栅。
路堤设计断面示意图如图4所示:
堆载过程的加荷曲线如图5所示:
4.2 沉降分析
根据堆载预压法加固公路软基特点和施工过程, 阐述加固过程中土体的变化特点。
(1) 路基中心点沉降计算值
从该图可以看出:路基填筑完成后, 路基中心地面 (225d) 的计算累积沉降为1407mm, 随后沉降速率逐渐变小, 630d的沉降计算值为1589mm, 此时沉降速率已趋近于零。堆载预压整个过程中, 路基单日最大沉降速率为11.1mm。。
(2) 坡脚水平位移及其速率计算值
从图7可以看出:坡脚水平位移曲线与沉降曲线变化趋势较吻合, 路基填筑完成 (225d) , 坡脚水平位移为179mm;540d的坡脚水平位移是197mm。堆载预压施工过程中, 坡脚水平位移单日变化速率最大为2mm。
4.3 塑料排水板对堆载预压加固效果的影响分析
由堆载预压处理软土地基的工程实践, 排水板堆载预压的加固效果的因素可以归为塑料排水板打设长度和间距。根据已有的固结模型, 通过有限元分析计算, 对各因素的影响进行定性分析。由于加固区中心的沉降量具有较强的代表性, 故计算中选取这部分数据进行分析。
(1) 塑料板打设长度
分别计算塑料排水板的长度为15m, 20m, 25m三种工况下的沉降值, 图8为不同工况下路基中心处各土层随地表深度变化的沉降值。计算发现, 最大沉降值随排水塑料板的长度递增, 地表附近的地层沉降规律表现的异常明显。此外, 堆载加压对沉降的影响范围都在40m左右, 表面排水板的长度与影响范围关系不明显。
以下对排水板长度为20m的工况进一步分析, 图9堆载填筑结束后300d的沉降云图。
根据沉降计算结果:堆载填筑结束300d时, 路基中心以下土层的最大沉降量为1500mm, 塑料排水板下方的沉降量约为600mm。10m以下土层沉降占总沉降的45%, 因此这部分固结沉降不容忽视。这说明当排水板打设深度为20m时, 10m以下范围的土层仍然得到了很好的固结, 其加固效果仍然很明显。
但同时, 从图9可以看出, 土层的加固效果从路基中心向两侧逐渐降低, 坡脚处塑料排水板底部土层位移仅100mm左右。
堆载预压加固深度仅与排水板打设长度和排水板阻力有关。对软土层较厚的地区, 排水板一般可打设20m左右, 在排水板打设范围内采用堆载预压法均能使地基土体获得良好的加固效果。
(2) 排水板间距
排水板间距对土体的固结变形也有一定的影响。计算中取排水板墙间距分别为2m、4.5m、9m, 其他条件不变, 塑料排水板打设深度取20m。得到加固区中心点沉降量及随时间变化曲线, 如表2、图10。
由表2-4、图2-7知:当排水板间距由2m增加到9m时, 同一时刻, 加固区中心点沉降量由1605mm减小到1563mm, 变化幅度不明显。说明排水板间距对加固效果影响甚微。
5结论
经过对环岛北路回填区软土路基数值模拟分析, 得到以下结论:
(1) 堆载填筑过程中, 路基及下部土层的沉降变化十分明显, 填筑施工结束, 沉降速率放缓;
(2) 坡脚水平位移曲线与沉降曲线变化趋势一致, 堆载填筑过程中影响较大;
(3) 拟建场地土层以淤泥质软土为主, 渗透系数比较低, 塑料排水板的打设长度和间距对沉降影响不明显;
(4) 以K0+500断面为例, 塑料排水板打设深度20m, 间距0.9米方形布置, 堆载高度4m, 分3次填筑, 在此工况下, 路基单日最大沉降速率为11.1mm, 坡脚水平位移单日变化速率最大为2mm, 满足规范要求。
摘要：沿海地区城市发展过程中, 填海区软弱地基土上的市政基础建设工程越来越多, 超载预压排水固结法是这类软土地基处理普遍采用的方法。依托温州某城镇道路工程项目, 以软土路基作为研究对象, 采用软土蠕变模型, 计算模拟塑料排水板打设、分层填筑、堆载预压和卸载的分步实施过程, 明晰了塑料排水板和超载预压在软土地基处理中的基本特性。选取路基中心处沉降值和路基坡脚的水平位移作为分析对象, 研究超载预压排水固结法中各项参数, 如堆载时间、堆载重量、排水板长度、排水板间距等, 对预压效果的影响, 并提出了合理的控制措施。
关键词：软土路基,超载预压法,塑料排水板,路基沉降,预压效果
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