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1、 岩土工程与勘察 第 17 卷 第 2 期（总第 27 期） 2005 年 12 月 - 1 -深圳湾填海工程塑料板排水软基固结非线性有限元分析深圳湾填海工程塑料板排水软基固结非线性有限元分析付素蓉1 李冬华2 【摘 要】 塑料板排水固结法由于良好的加固效果，在软基处理中得到到了广泛应用。作者以比奥固结理论及邓肯张非线性弹性模型为理论基础，运用排水软基处理非线性 FEM分析软件SFC FEM2000，对深圳湾填海工程中两个塑料板排水软基场区进行了非线性 FEM分析，探讨了塑料板排水软基设计与施工中的加载控制和塑料板间距的确定等问题。关键词：关键词：软基处理，排水固结法，非线性，有限元（FEM）
2、1 前前 言言深圳是个多山的沿海城市，随着城市建设的发展，为解决土地资源的紧缺，大面积的填海造陆工程在深圳被广泛采用，一方面可以把一部分山地夷平作为建筑场地，另一方面在海上填出建筑场地。华侨城段滨海大道经北，三大景区以南的填海用地将作为城市建设用地，该填海规划用地总用地面积 2.6km2，属海湾潮间带及海积平原，地面标高都低于平均海平面，大部分为海水浸没，工程建设必须先进行填海造陆。由于海床上面遍布一层 67m 左右的淤泥和淤泥质土，其物理力学性质较差，因此必须对该土层进行处理之后，才能进行后续的其它建设工程。除场地内道路用强夯块石墩法处理外，其余拟建场地采用塑料板堆载预压排水固结法处理。本文
3、将以比奥固结理论和邓肯张非线性弹性模型为理论基础，运用排水软基有限元分析工具 SFC FEM2000 软件对深圳湾填海工程中两个塑料板排水软基场区进行了非线性 FEM 分析,就塑料板排水软基设计与施工中的间距确定与加载等问题进行讨论。2 平面比奥固结方程及其非线性有限元解平面比奥固结方程及其非线性有限元解在各种固结理论中比奥固结理论相对是最为严密的，比较真实地反映了土的固结过程，其有限元解可以考虑任何复杂的边界条件、荷载条件、土层情况，还可反映土体应力应变非线性与弹塑性。软基固结问题一般都可以把三维空间问题简化为平面二维问题来解决。无论是道路的软基处理还是场区的软基处理，其纵方向都可以看成无限
4、延伸的，完全可以截取一个断面计算其应力应变和孔压的分布与变化，其计算结果不会影响其计算的精确度。对于平面变形问题，比奥固结方程为：式中： 为体应变： 为拉普拉斯算子。 1：深圳市勘察测绘院 2：中国兵器工业北方勘察设计研究院 ）（1 0 21021222uK tzu xu vGWGu xvGWGwvvZvzw xwyx v zx22 2岩土工程与勘察 第 17 卷 第 2 期（总第 27 期） 2005 年 12 月 - 2 -切线弹性模量： (2)切线泊松比： （3）其中： （4）式（24）中的参数 C、K、n 、Rf、G、F、D 由原状土的排土实验确定，Pa为大气压。本文应用的非线性模型是
5、邓肯-张（DuncanZhang）双曲线模型，在这种模型中，E、v不再视为常量，而是看作随应力状态而改变的变量。3 塑料板排水软基处理情况塑料板排水软基处理情况本文选用了深圳湾填海工程中的两个典型塑料板处理软基场区，即填海区的一、二号场区软基固结进行非线性有限元分析。场地属海湾潮间带及海积平原，大部分仍为海水浸没，海滩地面标高 0.72.9 之间，呈北高南低之趋势。根据钻探资料，从上到下依次为淤泥质砂、淤泥、粘土，淤泥 层为重要处理对象。一号场区与二号场区的岩土特性基本相同，但是在淤泥层的分布上，二号场区淤泥厚度要大。粘土层厚度较大，力学性质良好，强度较高,为隔水层。根据工程实际,地基处理主要
6、采用土工布砂垫层塑料排水带堆载预压排水固结法方法处理。插板间距为 1.0m,塑料插板按正三角形布置,插板深度要求穿透淤泥层。砂垫层 10m,按 50m 间隔设主、次盲沟，主次盲沟交汇处设集水井。场区填土预压三个月。所选场区共设计有地表沉降、深层沉降标、孔隙水压力、十字板强度、水位等观测项目。场区地基土邓肯-张模型参数见表 1。表表 1 深圳湾填海工程一、二号场区地基土邓肯深圳湾填海工程一、二号场区地基土邓肯-张模型参数表张模型参数表地层有效应力法内聚力C(kPa)有效应力法内摩擦角 (o)三轴试验参数 K三轴试验参数 n三轴试验参数 Rf三轴试验参数 G三轴试验参数 F三轴试验参数 D渗 透
7、系 数kx=kZ(m/d)重度(kN/m3)淤泥5.22.6422.51.220.890.160.01.8510 - 415.4淤泥质砂8.65.143.31.040.850.170.03.0310-319.2粘土327.91010.750.780.280.04.0610-618.9naftpkPacRE 32331 sin2cos 2)(sin1(1 sin2cos 2)(sin1(1)(331331cR pkPaDAfna23)1( lgApFG va t 岩土工程与勘察 第 17 卷 第 2 期（总第 27 期） 2005 年 12 月 - 3 -4 塑料排水板在分析中的处理塑料排水板在
8、分析中的处理由于平面应变问题的有限元求解方法无法考虑竖向排水体（塑料板）排水的空间作用，赵维炳等将竖向排水体简化成等效的砂墙进行计算2。即在有限元网格剖分时，将简化成的排水砂墙间距放大，砂墙之间设置三排或更多孔压自由结点，同时修正土体的渗透系数，以达到简化处理前地基土在相同时间内的固结度相等的要求。这样处理使计算的结点数大大减少，节约了计算机内存，提高了计算速度。目前，计算机技术发展迅猛，特别是 CPU 与内存技术升级很快，这使进行更为复杂大型的 FEM 分析变为可能，所以可以充分利用现在先进的计算机技术，以牺牲计算机内存和计算速度来换取仿真度。将位于塑料板的结点当作自由孔压结点来计算，并且将
9、塑料板间五等分，这样剖分将使结点数和单元数增加 24 倍。但这样做可避免等效处理的失真及等效处理过于繁琐。在有限元计算的网格剖分采用三角形单元方法，把所有的塑料板位置上的结点划分成已知超静孔压边界，不用常规的放大间距的做法，而按实际情况划分，在塑料板与塑料板之间再划分四排结点，使三角形单元更加细小，单元间距为 0.2 米。5 不同插板间距对地基变形的影响不同插板间距对地基变形的影响塑料板间距的确定，主要是根据工程允许的预压时间和要求预压期完成的固结度，并结合工程造价等因素综合考虑的。为了弄清其影响，对一号场区 T115 观测点处分别以塑料板间距为 0.6、0.8、1.0、1.2、1.5m 进行
10、了模拟计算，根据计算结果，见图 1，从图中可以看出，插板间距的大小对地基固结的影响是显著的，间距越小，固结越快。但当间距小于 1m 时，固结效果并不是特别明显，1.0m 间距与 0.6m 间距在 300 天时的沉降差仅为 40mm。 软基的设计不仅要从工期和处理效果去考虑，还要从经济角度去考虑，以不同间距，在固结度相同的情况下，得到各自所需固结时间及单价，见表 2，从表中可以看出，完成 90固结插板间距为 0.6m 与 1.0m 所需时间仅相差 90 天，这在一般软基处理工程工期内可以调剂出来的，而两者的造价比为 1：2.78，可见，从经济因素考虑，不应采用过密的插板。另外，间距过小，施工时插
11、板周围土易受扰动，地基土强度受到一定程度的削弱，而且还会使土的固结系数降低，当然间距也不能过大，过大则固结效果太差。岩土工程与勘察 第 17 卷 第 2 期（总第 27 期） 2005 年 12 月 - 4 -表表 2 不同插板间距的处理成本对比表不同插板间距的处理成本对比表综上所述，插板间距选择 1.0m 左右是比较合理的，这与当前插板地基中间距多为 1m是一致的。所以，一般情况下，如果荷载小，土的渗透性差，施工期限短时，可取较小间距，反之，则采用较大的间距。对一般工程间距选在 1.01.5m 之间比较经济合理。6 加载速率对地基变形的影响加载速率对地基变形的影响图 2、3 是一号场区和二号
12、场区两个观测点的加载沉降曲线，图中实线是实测沉降加载曲线，虚线是无加载间歇期的计算沉降曲线。从图中可以看出，沉降主要发生在加载期间，加载速率对初期沉降有明显影响，对后期影响较小，加载速率大，初期沉降大。因为荷载较早地作用于地基，沉降也较早发生。 从图 3 中的实测沉降曲线可以看出，加载前期 99年 2 月4 月填土高度达 4m 以上，加载速率较大，这两个月的沉降速率也较大，短短 2 个月之内沉降累计在 470mm，完成主固结 75，而在 4 月到 10 月 6 个月的加载间歇期内仅有插板间距（m）固结度固结时间（天）单价比0.690%2252.780.890%2731.561.090%3151
13、.001.290%3860.701.590%3580.45120240360480600090180270360450时间/天沉 降 mm图1 不同塑料板间距沉降曲线图1.5m1.2m1.0m0.8m0.6m010020030040050060099/3/899/5/899/7/899/9/899/11/800/1/800/3/800/5/800/7/800/9/8时间/日期沉降量mm510 加 载 mm图2 一号场区T106观测点加载沉降曲线实测沉降连续加载沉降岩土工程与勘察 第 17 卷 第 2 期（总第 27 期） 2005 年 12 月 - 5 -94mm 的沉降，沉降缓慢。在 10
14、月的再次加载期间，沉降明显加快，加载完后基本完成了主固结过程，停载后沉降很慢。图中虚线是模拟的连续加载（见加载曲线中的虚线）的计算沉降曲线，可以看出，连续加载后的沉降达到 700mm 时即完成 90固结时的时间要提前 4 个月。图 2 表现出了类似于图 3 的规律。可见，在加载大小一定的情况下，加载应采用“速战速决”的原则，宜早不宜迟，间歇时间尽量短，连续加载。这样做可大大缩短工期。当然，这样做的关键在于加载速率的控制，因为在超载预压过程中，地基因排水固结而强度逐渐增长，同时随着超载的加大地基中的剪应力也增大，如剪应力的增大超过土体的强度增长，则可导致土体的剪切破坏或产生过大的塑性变形。要解决这个问题，可从两方面来做。设计阶段，可用 SFC FEM2000 等软件进行加载模拟计算，找出最佳加载方案；施工阶段，结合沉降与孔压监测资料，动态掌握地基强度增长信息，及时控制加载速率，避免地基发生破坏。7 结结
