非均质软土地基的固结度数值模拟研究_王泰来.pdf

：非非均均质质软软土土地地基基的的固固结结度度数数值值模模拟拟研研究究王泰来，张彦召，刘鹏，柳电，张成良（中冀建勘集团有限公司，河北 石家庄）摘要固结度是地基稳定性分析及固结效果评价的重要参数，合理计算固结度对于地基稳定性评价具有重要意义。然而，对于非均质软土地基的固结度计算目前仍缺少准确的方法。针对这一问题，本文以广西某公路软土地基为例，采用有限元数值模拟软件 对地基固结过程进行计算，并与计算规范进行对比，研究结果表明：（）与规范计算得到的固结度相比，数值模拟结果最大误差仅 ，最小为 ；（）根据数值模拟预测，在完成 级堆载后第 天时，路基固结度将达到 以上，满足工程设计要求。研究结果对于非均质软土地基的固结度计算具有一定的参考价值。关键词软土地基；固结度；数值模拟中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介王泰来（），男，云南曲靖人，主要从事桩基施工与地基处理方面工作。引言随着我国铁路公路建设的快速发展，尤其是西南山区地质条件复杂，气候条件多样，路基存在各种不良工程地质问题，如软土地基、冻土地基、膨胀土地基等 。在施工过程中，路基的固结排水是影响路基安全性的重要因素，排水板以其施工方便、效果优良的特点，广泛用于路基排水固结工程中。在排水板超载预压设计和施工过程中，稳定性验算作为控制超载分类高度和超载率的重要手段，直接关系到公路后期运行安全。贾恺等以某机场堆载预压路基为研究对象，分别采用有效应力法、孔隙水压法对该软土路基稳定性进行评价，研究结果表明，有效应力法计算得到的结果与实际观测数据更为接近，用孔隙水压法得到的沉降固结值最大偏差达到 ；王二兵等以江苏某软土公路路基为例，对 桩和土工织物软土地基处理技术进行对比，研究结果表明，桩在处理软土地基时最大沉降量小于 ，最大不均匀沉降为 ，均小于土工织物处理后的沉降值；刘光庆等分别采用拟合法、理论解析法和有限元数值模拟，对厦门某机场软土地基固结度进行计算，研究结果表明，三种计算方法得到的固结度较为一致，可相互印证，最后一级堆载后的平均固结度超过 ，表明固结沉降基本达到要求；江杰等采用 三参量模型推导出软土地基沉降模型的时域解，并应用于某软土基坑开挖过程中的沉降固结值分析，计算结果表明，该模型能较好的预测软土地基开挖过程中的固结度，可用于相关工程参考；郭勇等结合青岛某软土地基开挖工程，采用有限差分法对堆载预压固结过程进行模拟，并考虑通水量变化对地基固结的影响，研究结果表明，该方法与实际检测结果吻合较好，可作为相关工程的设计参考；饶嵘基于有限元软件，对某软土地基排水板加固效果进行二维数值模拟，并分析基坑开挖深度、填土高度对沉降量的影响，研究结果表明，塑料排水板有效加固深度为 ，开挖深度及填土高度对总沉降量有较大影响；潘春雷等以唐山某铁路工程为依托，利用 对排水板在路基固结沉降中的作用进行数值模拟研究，结果表明，与自然状态相比，排水板能提高路基排水效率 ，并能提高孔隙水压力的消散速率；盛文治通过有限元数值模拟分析，研究洞庭湖地区某高速公路软土地基的沉降固结过程，并与实际检测数据对比分析，研究结果表明，该高速公路路基沉降主要发生在路基填充阶段，该阶段沉降量占总沉降量的 ，沉降量在堆载预压过程中有增长趋势，在填土高度达到 后沉降趋于稳定，不再增加。然而，以上研究均针对单一结构软土地基，对于复杂条件下的软土地基沉降固结计算，目前仍缺少准确的计算方法。本文以广西某公路软土地基为例，利用有限元程序对堆载过程中地基固结度进行计算，并与现行设计规范进行对比，研究结果表明，本文所采用的有限元程序能较准确地计算复杂软土地基固结度，对相关软基工程的安全性评价具有一定的指导意义。工程概况该项目所在区具有亚热带温带过度型气候特征，东南亚季风环流对区内有着明显的控制，亦受西北寒流所影响。总体气候四季分明，季节气温变化较大，降雨量充沛，东部由于地形地势之差，气候存在明显的地区性变化。路基土层由上至下分别为：碎石土、软土、砂土，剖面图如图 所示。图 路基结构剖面图由图 可知，该路基顶部宽 ，总坡高 ，单级坡高，放坡比为。软土层厚 ，最下部为砂土层。各土 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.层物理力学参数如表 所示。表 路基土层物理力学参数碎石土软土砂土天然重度 饱和重度 弹性模量 泊松比 粘聚力 内摩擦角 有限元数值模拟 数值模拟软件是由荷兰 公司开发的一款岩土有限元计算软件，该软件广泛应用于复杂岩土工程有限元分析，如大型基坑开挖分析、隧道盾构施工分析、软土地基固结分析、基坑降水渗流分析和流固耦合分析、边坡开挖稳定性分析等。本文采用 中的 模块，对路基沉降固结过程进行计算。根据路基几何尺寸及结构建立有限元模型如图 所示。图 路基二维有限元计算模型图 中共划分有限元网格 个，考虑到路基在平面上具有左右对称的特点，为减少计算量，只对路基中心线一侧进行建模分析，模型左右边界设置为隔水边界，渗流无法通过，下边界设置为可渗透边界，以便软基中孔隙水在堆载过程中可自由排出。水力条件经过初始化设置后，得到的初始孔隙水压力如图 所示。图 初始孔隙水压力由图 可知，在未开始堆载时，路基中孔隙水压力只与水深有关，此时相当于静水压力。在施加重力作用后，得到初始有效应力为 ，由于上部路基未受到堆载应力作用，此时路基中有效应力大小只与土体饱和重度有关。在第三次堆载施工后，得到路基中每一点孔隙水压力如图 所示。由图 可知，随着堆载时间的增加，路基中孔隙水压力逐渐减小，在堆载 时，路基中心线两侧孔隙水压力约在 ，说明此处沉降固结较充分；在距路基中心线 范围内孔隙水压最大，孔隙水压范围在 。由于数值计算模型中，路基两侧设置为隔水层，因此路基孔隙水在堆载过程中向两侧运移，并受到两侧隔水边界的阻挡无法及时排出，导致该部位孔隙水压较大。根据有效应力原理及固结度计算公式，得到该路基中不同部位固结度随时间变化曲线如图 所示。图 路基中孔隙水压力分布图图 路基固结度随时间变化曲线由图 可知，固结度在堆载过程中呈现“线性增加迅速下降”的变化趋势，在第 级堆载结束后，固结度达到，随后下降至 ；第 级 堆 载 结 束 后，固 结 度 达 到，随后下降到 。每一级堆载过程中，不同监测点固结度变化趋势保持一致。在第 级堆载结束后，即堆载过程达到 时，固结度达到 ，并保持稳定状态，说明此时固沉降固结过程已经结束，达到工程设计要求。软土地基固结度规范计算在超载预压软土地基处理过程中，路基中的土体受堆载应力作用，会产生超孔隙水压力。当超孔隙水压力完全消散，即表明沉降固结完成，此时相应的固结度 。因此，地基中任意一点任一时刻固结度可如下定义：（）式中：为任一点固结度；为该点有效应力增量；为该点堆载应力即任一点固结度为该点有效应力增量与堆载应力之比。根据有效应力原理，饱和土体中任一点应力满足式（）：（）式中，为土体总应力；为土体有效应力；为自重有效应力；为孔隙水压力；为静孔隙水压力；为附加应力根据建筑地基基础设计规范（）中地基固结度计算方法，并结合式（）、（）可知，软土地基中任一点固结度计算公式如下所示：（）式中：为堆载前该点总应力；为堆载后该点总应力；为堆载前该点有效应力；为堆载后该点有效应力由式（）计算可以得到路基固结度曲线如图 所示。由图 可知，在每一级堆载过程中，路基固结度呈现先增加后下降的变化趋势，在第 级堆载结束后，路基固结度达到 ，随后迅速下降至 ；第 级堆载开始后，路基固结度上升至 ，并在堆载结束后下降至 ；第 级堆载第 卷第 期地下水 年 月结束后，路基固结度达到 ，第 级堆载开始后，路基固结度达到 ，并保持稳定状态，说明此时路基沉降过程已结束，固结度满足工程要求。将数值模拟结果和规范计算结果对比可知，各计算点固结度最大差值为 ，最小差值为 ，两者计算结果较为一致，说明数值模拟结果具有较好的准确性，可用于该类型路基沉降固结度的计算。图 路基固结度规范计算结果结语本文以某公路软土地基为例，通过有限元数值模拟和规范法计算软基沉降固结度随时间变化情况，主要结论如下：（）数值计算结果表明，路基在堆载 时，路基中心线两侧孔隙水压力约在 ，路基整体固结度达到 ，满足工程设计要求。（）根据规范法计算结果，在第 级堆载结束后，路基沉降固结度为 ，最后稳定在 。（）数值模拟法与规范法计算得到的固结度结果较为接近，两者最大差值为 ，最小差值仅 ，数值模拟方法可较好的用于该类路基沉降固结计算。参考文献黄朝煊，袁文喜，胡国杰 成层软土地基预固结处理后桩基水平承载力估算方法 岩土力学 （）：宁博，王龙华，张学喜 堤防软土地基固结沉降预测模型研究与应用 治淮 （）：郭勇，顾长存 软土地基排水板堆载联合预压数值模拟研究 粉煤灰综合利用 （）：贾恺，杨光华，汤连生，等 软土地基堤围稳定性计算方法北京科技大学学报 （）：王二兵，徐良，沈强儒，等 软土地基条件下的公路工程施工技术研究 公路工程 （）：刘光庆，葛红斌，刘海旺，等 软土地基填海机场堆载预压沉降预测分析方法 工业建筑 （）：江杰，张探，欧孝夺，等 软土地基基坑开挖对坑底桩受力与位移影响的时效分析 科学技术与工程 （）：郭勇，顾长存 软土地基排水板堆载联合预压数值模拟研究 粉煤灰综合利用 （）：塑料排水 板处 理软土 地基的 影响 因素分 析 工程 建设（）：潘春雷，孙韬，陈垍欢 塑料排水板处理唐曹铁路软基数值模拟分析 路基工程（）：盛文治 基于塑料排水板处理的软土地基沉降规律研究 四川建材 （）：（上接第 页）（）、地表水环境质量标准（）执行。勘查成果评价（）依据水文地质测绘成果并分析区域水文地质资料，基本查明了地下河系统的补给、径流、排泄条件，宏观上掌握了地下河系统单元的边界条件。溶洞位于地下河系统的排泄区，地下河主要接受鲁塘、绿阴塘和南丹组溶洞 溶蚀裂隙含水层（）补给。（）通过示踪试验和河流动态观测等手段，查明了溶洞地下河和附近地表水体存在水力联系。从地下水运移特点来看，地下水流速较快，地下水运移路径较通畅。溶洞地下河中下游段为双支管道结构，说明本区岩溶仍在发育，地下水排泄基准面也在不断下切。两组试验示踪剂回收量均与投放量基本相等，说明地下河只有一个出口，无其它地下水排泄通道。（）通过溶洞测量，基本查明：溶洞为一个自然岩溶洞穴，是地下河的上层管道；受构造抬升影响，本区区域地下水不断下切，导致地下河发育了上下 层管道，但上层管道宽大为主管道、下层管道较小，上层管道目前仍有地下水流动，尤其是雨季时下层管道因排泄能力小大部分地下河水仍然从上层管道排泄。（）勘查共采集全分析水样 组，分别位于在鲁塘支流，绿荫塘支流，地下河入口处，溶洞内和地下河出口处。采用地表水环境质量评价办法（试行）中的“河流水质评价方法”进行评价，组样品水质状况均为劣类，溶洞地下河受工业企业影响，呈现重度污染。结语喀斯特老矿区地下水污染问题已经成为地下水环境污染防治工作中的重点难点，查明治理区水文地质条件是地下水环境污染防治工作的基础，本研究以刁江流域某溶洞为例，在以往水文地质研究工作的基础上，有针对性开展勘查工作，综合运用水文地质测绘、洞穴测量、示踪试验、动态观测、水样测试等多种手段，详细查明了研究区水文地质条件，取得了良好的效果，为后期水污染防治工作打下了坚实的基础，也为今后岩溶地区水文地质勘查提供借鉴。参考文献覃政教，林玉石，袁道先，等 西南岩溶区矿山与水污染问题探讨及建议 地球学报 （）：张亮，陈植华，周宏，等 典型岩溶泉水文地质条件的调查与分析以香溪河流域白龙泉为例 水文地质工程地质（）：刘光尧，陈建生 同位素示踪测井 南京：江苏科学技术出版社：易连兴，赵良杰，卢海平，等 两种常用染色剂管道及淤泥条件下示踪及对 比以 丁 旗 地 下 河 连 通 试 验 为 例 中 国 岩 溶（）：史文强，罗书文，邓亚东 岩溶洞穴调查的技术规范体系初探 中国岩溶 （）：李曦滨 综合勘查技术方法在喀斯特地区煤矿酸性矿井水污染勘查的应用以贵州省凯里市鱼洞河流域龙洞泉水污染勘查为例 中国煤炭地质 （）：第 卷第 期地下水 年 月