鲁虹君 王 旭
(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)
塑料排水板处理深层软土地基数值分析★
鲁虹君 王 旭
(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)
利用ABAQUS有限元数值分析软件建立一个模型，模拟深层软土地基在经过塑料排水板处理后以及未处理的两种情况，通过堆载预压观察其沉降情况，对所得出的数值进行比较分析。分析发现，塑料排水板可以使软土地基沉降更加完全，提高地基的稳定性并减少工后沉降，极大地缩短地基固结时间。
ABAQUS，塑料排水板，深层软土地基
0 引言
我国东北地区软土分布范围较广，那么东北地区的公路网或多或少都会穿过一定区域的软土。由于软土地基的含水量大、孔隙比大、渗透系数小、抗剪强度低等特点，给软土地基修建公路带来较大的困难，软土地基沉降变形大、不均匀沉降也大、而且沉降稳定历时较长[1]。因此对软土地基进行处理是十分必要的。塑料排水法由于具有性能好、质量可靠、施工方便、工效高、工程费用低、对土的扰动小、可用轻型机械在软土上施工等优点，其在处理软土地基的方面得到了广泛的应用[2]。若在寒冷地区应用此方法，相信一定也会取得较好的处理效果，为国民经济带来巨大的经济效益。
在实际应用中塑料板排水法通常与堆载预压联合使用，这样能够取得更好的处理效果。它是通过在饱和软土地基中打设可排水的塑料板，形成一个个的竖向排水通道，并与土层表面铺设的砂垫层共同作用组成排水系统。此外还需要加压系统的作用，即对路基进行堆载预压，使土体内部形成一定强度的压力差，促进土体内孔隙水的排出，从而增加土体有效应力，提高土体强度，达到加速土体固结、减少地基工后沉降和提高地基承载力的目的，是一种较为经济的软土地基的加固方法[3]。
1 工程概况
该研究地段位于哈尔滨绕城公路西段，根据东北林业大学于2001年10月所做的《塑料板排水法在东北寒冷地区高等级公路软土地基处理中的应用研究》勘察与试验报告[4]，该段土层可以分为如下五层：第①层为人工填土。该层土位于表层，其主要是素填土，局部伴有杂填土。第②层泥炭质淤泥。第③层粉质粘土。粉质粘土层厚度变化不大，灰色，含有机质。局部夹细砂。第④层粉土。第⑤层中细砂。多数勘察孔揭露的细砂层与中砂层交互出现，土层上部多处夹粘性土。灰色，饱水，松散程度从松散到中密不等。
各土层基本参数见表1。
2 建立模型
所建模型计算宽度为48 m，模型高度为14 m。模型上部堆载预压高度为4 m，堆载土层顶部宽16 m，按1∶1.5放坡，地基宽度由坡脚向两侧各延伸10 m。模型下部计算深度10 m，其中第①层人工填土厚2.5 m，第②层泥炭质淤泥厚1.5 m，第③层粉质粘土厚3.5 m，第④层粉土厚2 m，第⑤层中细砂厚3 m。
地基土采用Mohr-Coulomb(M-C)弹塑性模型。堆载预压填土为细砂，容重为18.3 kN/m3，弹性模量为50 MPa，泊松比为0.3，采用弹性模型。
利用有限元进行分析，需要对软土地基进行处理，将塑料排水板地基简化成渗透系数相同的天然层地基进行计算[5]。公式如下：
其中,H为土层厚度；De为单独塑料排水板影响区直径；l为排水板或塑料板打设的深度；kh和kv分别为单层地基下土体水平方向和竖直方向的渗透系数；khn和kvn分别为多层地基下第n层土体水平方向和竖直方向的渗透系数。
将塑料排水板等效为一定直径的袋装砂井，其等效直径如下：
其中，α为换算系数，α=0.6～0.9,本文将取α=0.75;b为塑料排水板宽度;δ为厚度。本文拟用SPB-1型排水板对软土地基进行处理，宽100 mm，厚4.6 mm，三角形分布，间距1.0 m，长10 m。那么其影响圆的直径计算公式如下：
通过以上公式的计算，地基各土层等效渗透系数如表2所示。
表2 地基各土层等效渗透系数 m/d
3 数值分析
图1为地基表面水平方向上不同位置的沉降量情况，可以明显的看出曲线呈现出中间低两边高的盆底状的图形。地基表面不同位置呈现出不均匀沉降，路堤下部沉降量较大，而路堤两侧的一部分土体受到挤压作用，微微向上隆起。通过塑料排水板处理后和未处理的曲线进行比较可知，处理后的沉降量明显大于未处理的沉降量，处理后的沉降量可以达到0.1 m，而未处理的沉降量仅仅达到0.06 m。由此可以看出处理后的沉降更完全，效果较好。
图2为地基中点不同深度的沉降量变化情况，从图2可以看出，随着深度的不断增加，沉降量呈现递减的趋势。沉降量的影响范围在地基表面下7 m的范围内，0 m～2.5 m范围内变化比较缓慢，2.5 m后沉降量急剧减小，当地基深度达到7 m的时候，沉降量已经基本接近为0。由此可以得出塑料排水板处理方法的有效控制范围在7 m范围内，超过该值后处理效果不明显。通过两种处理方案的比较可以看出，经过处理后的沉降量明显大于未处理的，处理后使地基的沉降更为完全彻底。
图3为地基表面中点位置处，随着时间的变化，该点的沉降量也在逐渐发生改变。该点沉降量随着路堤土的堆载预压整体呈现阶梯状，并且与填土堆载高度相对应堆载结束后逐渐趋于平稳。从图3可以看出，经过塑料排水板处理后，使得地基土的固结时间明显缩短，在堆载结束后就已趋于稳定，即在200 d左右就已经沉降完全，工后沉降只有0.01 m。而未处理的地基在300 d左右时沉降量趋于0，即沉降完全，工后沉降达到0.02 m。经处理后的地基土在每级堆载预压结束后沉降量基本趋于稳定，而未处理的地基土在每级堆载预压结束后的固结期内沉降量依然呈现增长趋势。塑料排水板可以有效控制工后沉降量，加速地基的固结。
4 结语
1)塑料排水板通过打设排水通道，有效改善了土体的排水条件，在堆载预压的过程中，使土体内部形成压力差，促进土体内水分的排除，快速消散地基内空隙水压力，加速地基内土的固结，而使土体的有效应力增大，强度得到逐步提高。
2)经塑料排水板处理后，虽然总的沉降量有些许的增加，但是其工后沉降量有所减小，并极大地缩短了地基的固结时间，固结时间是未铺设排水板的2/3。排水板处理后可以加速地基土的固结，提高地基的稳定性。
[1] 吴昊旭.烟台地区软土地基沉降预测的研究[D].天津：天津大学,2015.
[2] 翁哲敏.浅谈公路路基病害路基软基处理[J].科技创新导报,2015,12(8):76.
[3] 黄 飞,祁长青,李新发.塑料排水板处理临江软基效果数值模拟[J].防灾减灾工程学报,2013(5):536-541.
[4] 江怀军.高速公路软基路堤变形预测及非线性有限元数值分析[D].哈尔滨：东北林业大学,2011.
[5] 阮 昆.真空预压法在吹填陆域软基工程中的加固效果研究[D].武汉:武汉理工大学,2014.
Numerical analysis of deep soft soil foundation treated with plastic drainage plate★
Lu Hongjun Wang Xu
(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)
In this paper, ABAQUS finite element numerical analysis software is used to establish a model to simulate the two cases of deep soft soil foundation treated by plastic drainage plate and untreated. The settlement is observed by surcharge preloading, and the numerical values are compared and analyzed. It is found that the plastic drainage plate can make the settlement of the soft soil foundation more complete, improve the stability of the foundation and reduce the post construction settlement, and greatly shorten the consolidation time of the foundation.
ABAQUS, plastic drainage plate, deep soft soil foundation
1009-6825(2017)22-0055-03
2017-05-24★：黑龙江省青年科学基金项目(QC2012C080)资助
鲁虹君(1992- )，女，在读硕士; 王 旭(1963- )，男，教授
TU471.8
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