淤泥质软土地基处理方法研究及对周边环境影响的数值分析

淤泥质软土地基处理方法研究及对周边环境影响的数值分析

王劲淞 孙正杰 耿宇鹏 齐晓丽

中建二局第三建筑工程有限公司华东分公司 江苏南京 210019

摘 要：采用plaxis有限元数值分析软件，对真空预压、堆载预压、真空-堆载联合预压不同方法处理深厚淤泥质软土地基进行模拟，得到不同方案下的土体预压沉降效果与对周边环境的变形影响。通过计算可知，真空-堆载预压的效果和影响范围并不仅仅是抽真空与堆载预压的简单叠加，产生的效果更胜两者相加；施工初期，堆载与抽真空附加压力会使建筑向场地外移，随着时间增加逐渐向场地内侧移；水位的变化对土体沉降量、周边建筑的侧移和不均匀沉降有很大的影响。为软弱地基处置方案的设计与施工提供参考。

关键词：淤泥质软土；真空-堆载预压；数值分析；变形影响

0 前言

广东省位于我国南粤之地，地处沿海，经济发展迅速，快速的城市发展节奏对土地资源的需求也十分紧迫，加之很多地区由填海造陆形成，天然地基地质条件不良，大部分为淤泥质软土，天然含水量大、压缩性高、渗透系数小、渗透性差、承载力低、流变性大等特性，施工难度增加，不利于进行施工进度控制，给工程的施工、设计带来了很大的麻烦，一旦处理不当就会造成渗水、坍塌，甚至还会影响到周边建（构）筑物的安全和稳定。因此，采取合理有效的措施对淤泥质软土地基进行处置，提高天然地基承载力，控制工后沉降及施工中产生的不良影响，对工程施工具意义重大。

1 工程实例

广州某项目，位于广州市区灵山岛亭角大桥东侧，施工场地较为平坦，为河口三角洲地貌单元。

地质条件不良，属于淤泥质吹填软土地基基础，表层为素填土，厚度平均约1m，下覆深厚的淤泥层和淤泥质土层，淤泥层厚且深度达地下25m左右，易液化，工程性能极差，对基坑支护、土方开挖和桩基施工均造成很大困难，且施工易对周边居民住房造成影响。

2 软基处理原理与方案

由于项目软基处理面积较大，考虑到经济成本等因素，需进行方案比选，现有全场地真空预压、全场地堆载预压、全场地真空-联合堆载预压三种方案进行比选，考虑到周边居民住房等环境因素进行综合考虑，分析并选取适合的方案进行施工。

2.1 抽真空-堆载联合预压原理

真空预压以大气压力作为预压载荷，施工时先在需加固的软土地基中打设竖向排水板或砂井等竖向排水通道，在地基表面铺设一层透水砂垫层，并再在其上覆盖不透气的薄膜，然后采用真空泵将膜内气体和水抽出，在膜内外产生气压差，使软土中的水加速排出从而达到加固软基的目的。

从有效应力原理可知：孔隙水排出，孔隙水压力减小后，有效应力就相应的增加，在压力差作用下，土体中的水分被排出，土体得到加固，强度得到提高。真空-堆载预压法适用于加固淤泥、淤泥质土和其他能够排水固结而且能形成负超静水压力边界条件的软粘土。

2.2 软基处理方案设计

由于场地地块较大，不同区域建筑施工工期不一，采用分区域进行处理，便于施工管理。本项目拟选用三种方式进行软基处理：方案一：堆载预压。方案二：真空预压。方案三：真空-堆载联合预压。

2.3 模型的建立

运用Plaxis有限元分析软件模拟抽真空-堆载联合软土地基处理施工过程，选取摩尔-库伦土体材料模型，土层从上到下依次是素填土、砂垫层、素填土、淤泥、细粉砂、中粗砂、硬塑状砂质粘性土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。

数值模拟的初始状态工序一均为原状土铺设砂垫层与排水板，地下水位位于-1m位置，激活建筑物。由于建筑施激活后会有沉降，此变形为原有施工前的变形，因此工序二设置：重置位移为零。工序三一般为：覆土或施加均布荷载进行预压，施工时间设置为3天。

3 不同施工方案影响研究

Plaxis模拟软件程序的给定分析种类大致有以下4种：塑性分析、固结分析、Phi/c折减分析以及动力分析。

3.1 土体沉降影响研究

对于三种不同的施工方案，施工工序上也略有不同，纯堆载预压施工时水位不变，真空预压与真空-堆载联合预压由于施工时有排水设施因此局域水位会发生变化，设置为降水，且三种情况下均设置为期90天的固结分析，考虑土体孔压的变化。

真空-堆载联合预压法的土体沉降量最大，后二者双重效果，但并不是单纯地将效果叠加，通过真空压力和堆载使土体中的孔隙水压力产生不平衡的水压力，孔隙水在这种不平衡力的作用下通过竖向排水体逐渐排出从而使土体产生固结变形。两者联合作用，正负孔隙水压力的压差增大，增加了水头差，造成孔压消散更快，固效果更好。

3.2 周边建筑影响研究

三种方案均对周边建筑造成不同程度的影响，纯堆载情况下对周边建筑的影响较小，而抽真空预压与真空-堆载联合预压均对地下水位有一定影响。

3.3 地下水位变化的影响研究

图1、图2分别为纯堆载预压与真空-堆载联合降水至-25m之后笛卡尔坐标系下的总位移。堆载预压的沉降为1.34m，真空-堆载联合预压沉降为1.56m。真空-堆载相较于堆载预压相当于多了大气附加压力，可等价成多了一项上覆荷载，产生的预压效果要比纯堆载好，而且可以看出，降水条件相同时，真空-堆载联合预压的影响范围要比纯堆载更深更广。

图1 纯堆载时水位降至-25m时总位移

图2 真空-堆载联合预压时水位降至-25m时总位移

由于本小节使用的是塑性分析，沉降与变形量与固结分析有一定差距，固结分析时的建筑侧移和沉降大于塑性分析时的变形，也从侧面反映了在有建筑的区域更适合使用固结分析，进行较大变形的计算。

4 结论

（1）不同软基处理方案下地基的排水性能不同，会对土体沉降与周边建筑侧移产生不同的效果，堆载情况下建筑向场地外侧移动，抽真空会对降低区域水位加快了土体的排水固结，真空-堆载的效果要比简单的抽真空和堆载预压叠加要好，固结分析时产生的周边建筑沉降和侧移也相对较大，施工时需注意。

（2）真空预压和堆载预压两者联合应用，正负孔隙水压力压差增大，也就是增加了水头差，造成孔压消散更快，加固效率更快，加固效果更好。在考虑地下水位下降的情况时，真空-堆载联合预压比纯堆载土体沉降大0.22m，沉降增长速率也较高。

（3）地下水位的变化对预压土体的沉降与周边建筑的沉降与侧移均有很大影响，地下水位的下降加速了土体的固结，以真空-堆载预压更为明显。堆载和真空预压时受突加的附近力影响，建筑会向场地外侧移动，随着时间的增加，预压土体的沉降，建筑向场地内侧移动，同时建筑两端的不均匀沉降更加明显，易向场地内侧倾斜。

（4）软基处理施工过程中，需要对地下水、地表沉降、周边环境沉降、基坑侧向变形等进行严密监测和记录，进行实时监测有利于变形控制和保障施工安全。施工过程中应与监测队伍沟通，注意收集第三方监测的数据，并与内部的监测数据作比较，发现数据不符及时与监测单位沟通，共同研究分析产生的原因，发现偏差及时进行纠正。

参考文献

[1] 应舒, 陈平山. 真空预压法中塑料排水板弯曲对固结的影响[J]. 岩石力学与工程学报, 2011(s2):3633-3640.

[2] 王军, 蔡袁强, 符洪涛,等. 新型防淤堵真空预压法室内与现场试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(6):1257-1268.

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