张妩媚

(北京航空航天大学，北京 100191)

0 引言

我国有大面积软土，尤其是在经济较发达、人口密集、土地资源紧张的东部沿海地区软土地基的分布更是广泛。由于软土地基含水量大、承载力低、沉降量大，在其上修筑建筑物前需要对软土地基进行加固处理。

排水固结，指土在各方向承受压力，并随着孔隙水的排出产生压缩的现象［1］。堆载预压法，是通过在天然地基中设置排水系统和加压系统，根据地基土体固结特性，使土体提前完成固结沉降、增加地基强度的方法。该方法使地基沉降在加载预压期间基本完成或者大部分完成，减少地基沉降和竣工后的地基不均匀沉降。

目前，对土体施加竖向荷载的排水固结法是软土地基处理的首选方案，主要有堆载预压法、真空预压法以及两者的结合。随着深度的增加，上部荷载对底部土体作用的附加应力减小，而受到软土承载力的限制，土体只能逐级施加预压荷载，由此，决定了这些方法都需要较长的施工周期。

本文中将介绍一种对土体施加水平荷载的排水固结方法，并引用京珠高速公路作为工程实例［2-4］，应用abaqus有限元分析，与竖向排水固结中常用的堆载法进行对比分析。

1 水平加载排水固结方法介绍

水平加载排水固结方法，即通过对土体打孔，使用机械深入土中，逐步向周围土扩展，同时起到加压系统和排水系统的作用，以此来改善周围土体性质，增强土体的承载能力。

对于饱和软土，在不大于其承载能力的压力作用下，土中孔隙水逐步排出，土体孔隙逐步减少，从而土的强度增加(即通过土的排水固结提高强度);进而可以增加与土的强度增量相应的压力增量，使土在更大的压力下逐步排水固结，进一步提高强度;如此以一定速率缓慢加载，使土体不断排水固结最终达到希望的土体强度。同样对于非饱和软土，以一定速率缓慢的施加压力，使土中孔隙逐步减少，土体逐步密实，也可以提高土的强度。

通过建立简化模型，对水平加载排水固结方法进行有限元分析，得到了以下几个结论:由于受到使用工具的限制，因此，在对模型进行分析时设定为对土体施加的是位移荷载，并且采用1/2平面模型，选取地质工程手册中软土的设定参数，采用摩尔—库仑模型，通过改变单一参数的方法，对水平加载排水固结方法的特点进行分析总结。如图1所示，间距为5 m时采用不同时间内施加0．1 m位移荷载的情况下土减少的体积与原体积的比，和间距为10 m时采用不同时间施加0．2 m位移荷载的情况下，土减少的体积和原体积的比。

图1 不同时间施加位移荷载下固结度

图2 不同位移荷载作用下软土固结程度

土固结度是指土层或土样在某一级荷载下的固结过程中某一时刻孔隙水压力平均消散值或压缩量与初始孔隙水压力增量或最终压缩量的比值，以百分率表示。即某一时刻的压缩量与最终压缩量之比［1］。以480 h施加相同位移荷载所得到的减小面积为所能达到的最大减少体积，对数据进行处理，得到图1。

由图1可以看出:1)在相同的位移荷载下，随着加载时间的增加，土体减少面积增加，但是到一定时间后，即使增加加载的时间，土体减少面积也不会有明显的增加。2)在位移荷载与荷载作用区域的百分比为定值的情况下，荷载作用区域越大，则减少面积越小。3)间距越大，需要越多的时间达到最好的固结效果，当时间增大到某一值后，固结程度相差不大。

图2为在相同的间距下，在相同的足够长的时间下，施加不同的位移荷载得到的固结百分比，可以看出在其他条件相同的情况下，施加的位移荷载与固结程度近似成比例。

因此，通过上述结论，可以根据具体的案例，选择合适的水平加载方案。

2 堆载法与水平加载排水固结法优缺点比较

京珠高速公路广珠段工程概况:该工程采用堆载预压法进行加固，第1天～第9天填筑第一层路基，厚60 cm，后不均匀填筑，第400天～第410天填筑最后一层，累积填土高5．18 m。

在实例中，砂井和排水板的施工扰动使地基产生了约15%的附加沉降，为符合实际情况，采用摩尔—库仑模型得到的模拟值，需乘以相应的值进行拟合。

采用1/2模型，限定左右两侧的位移，设定左右两侧为不排水边界［5］。根据工程中的加载方案，施加荷载得到表1。

表1 施加荷载后的表面沉降值

由表1可以看出，应用弹塑性模型对堆载法进行模拟，考虑到施工扰动的15%附加沉降，那么模拟的结果较为准确，可以应用此模型对水平加载进行模拟，对堆载法和水平加载方法的固结效果进行比较。

在实际工程中，将采用打孔的方式，将挤扩机械伸入，采取影响半径为2 m，施加不同的位移荷载，根据水平加载排水固结的特点，选择能够达到最好效果的位移荷载加载时间，模型采用轴对称模型。

水平加载与竖向加载的方式不同，从不能以地表的沉降位移作为固结的效果的比较标准，因此采用孔隙比变化量作为沉降量进行比较。

图3 土体等效三维应力图

由图3，图4可知，水平荷载对土排水固结的影响随着距离半径增大而减小，对土较为明显的影响范围为1 m。

图4 土体孔隙比

表2 不同加载方案的固结效果

如表2所示，水平加载排水固结方法在较短的时间里达到与堆载法相近的孔隙比，得到相同的固结效果。

3 结论与展望

水平加载方法的特点如下:

1)在相同的位移荷载下，随着加载时间的增加，固结的程度增加，但是到一定时间后，增加加载的时间，固结程度增加不明显。

2)在位移荷载与荷载作用区域的百分比为定值时，荷载作用区域越大，固结程度越小，但相差不大。

3)在其他条件相同的情况下，施加的位移荷载与固结程度近似成比例。而由于土在施加的位移荷载过大时会被挤坏，因此，位移荷载要小于土的破坏应力。

4)通过有限元模拟可以看出，在较短的时间里，水平加载方法可以达到堆载法所需要达到的沉降量，并且可以通过施加的位移荷载来控制土体的孔隙比，可以应用于道路扩建，即控制新路基，使新路基的孔隙比达到与老路基相近，以此减少新老路基差异沉降。

综上所述，水平加载排水固结方法对比堆载法，可以有效的减少施工周期，减少预压荷载的施加。随着科技的进步与发展，水平加载排水固结方法定能应用在实际当中。

［1］［日］松岗元．土力学［M］．姚仰平，罗 汀，译．北京:中国水利水电出版社，2001:87-120．

［2］周龙翔，童华炜，王梦恕，等．广州软土的工程特性及地基处理方法的对比研究［J］．北京交通大学学报(自然科学版)，2006，30(1):17-20．

［3］赵维炳，艾英钵，张 静，等．排水固结加固高速公路深厚软基工后沉降［J］．水利水运工程学报，2003(1):28-33．

［4］崔柏华．京珠高速公路广珠东线某试验段软基加固效果分析［A］．论文集［C］．1999:385-388．

［5］廖公云，黄晓明．ABAQUS有限元软件在道路工程中的应用［M］．南京:东南大学出版社，2008:137-149．