南沙海力花园软土地基堆载预压仿真计算

郑喜若

摘要：该工程位于南沙，场地地层普遍存在16.10-28.10m的淤泥和淤泥质土层。由于工程的工后沉降对以后小区的路面平整和建筑管道安全有较大影响。故用Abaqus仿真模拟堆载结合排水板预压来计算工后沉降和确定堆载方案。

关键字：堆载预压,排水板，Abaqus,有限元

Abstract: the project is located in nansha, site formation common 16.10-28.10 m of silt and muddy soil. Because the work of engineering settlement after the pavement for future flattening and construction safety of great influence on the pipeline. So with Abaqus simulation heap load combination of preloading drainage plate to calculate and determine the post-construction settlement stack scheme.

Key word: preloading, the draining board, Abaqus, finite element

中图分类号：TU4文献标识码：A 文章编号：

0前言

广州南沙地处北江、西江下游滨海河网区，濒临珠江口伶仃洋，为珠江三角洲冲积平原的前沿地带。南沙软土的工程性质具有以下特点：天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、渗透性弱、固结系数小、粘聚力小、承载力低、触变性强等。

南沙海力花园工程场地为较厚的淤泥或淤泥质土层，承载力较低，自然排水固结周期长且不稳定。同时地基的工后沉降对小区路面及管道的平整和安全有较大影响，故需加固处理，经研究堆载结合排水板预压经济效益较好且周期可以接受。

1.模拟方法

本次用大型有限元软件Abaqus来仿真模拟堆载结合排水板预压[1]，计算工后沉降。模型用赵维炳[2]的等效砂墙地基法将实际的三维问题转化为二维计算。

该工程的使用荷载为45Mpa，故先用2.5m堆土模拟未处理地基沉降，再在参数分析部分用多种高度堆土试验，得出较优预压堆土高度。

2.有限元模型

2.1软土地基参数

2.2模型本构

模型计算参数根据实测压缩系数和固结系数推算得出。有限元计算参数，见表2所列。其中弹性模量为

综上可得下表的材料参数。

2.3建模与单元

根据土质条件及真空预压的影响深度取典型的结构作为分析的对象，由于对称性，仅取加固区一半作分析，中心为对称轴，取整个地基的一半建立模型。地基的计算宽度为50m，其中26m是加固区，24m是影响区。按土质条件及真空预压的影响深度，计算深度取24m。

其中软基采用排水板堆载预压固结，堆载高度为2.5m，打设深度为14m。排水板为正方形布置，间距为1m，排水板宽度为100mm，厚度为4mm，等效沙井直径为6.6cm，涂抹比为2，打设排水板厚由于涂抹效应渗透系数比为4。模型中沙井的宽度为0.066m，沙墙间距为1.365m。根据上面2.2节的Hird的等效理论，将塑料排水板等效为沙井可得下表3的水平等效渗透系数。

土体单元采用祸合的平面应变单元CPE8RP，分析模型的网格划分如图1所示。

2.4边界与荷载

位移边界条件如下：左右两边均为不透水边界，且只有垂直沉降，无水平位移；底面为无位移边界；顶面为自由排水边界，加固区的水流边界条件以为孔压为零的透水边界。

在模拟填土的分级加载时，在施加第一级荷载之前，第二、三级填土时不存在的，因而需要用到ABAQUS提供的单元生死功能。即首先在各个荷载步对所有的填土施加竖向体力荷载。然后全部钝化，在相应的荷载步中再激活单元集合。

地基采用堆载预压和排水板加固，堆载高度约2.5m，分三级堆载，每级0.83m。堆载的时间高度曲线为图2。由于数值模拟要尽量符合实际情况，因此荷载的施加应和实际加压过程相一致。

3.5 计算结果及分析

图3表示检测的最后时刻的竖向变形，图4实线所示为预压中心的时间沉降曲线，预压中心沉降最大，向旁边逐渐递减，沉降分布呈“锅底”型。预压中心沉降最大达到244mm。

计算表明地面以下14 m深处沉降量最大为为50mm，而排水排区域的沉降占总沉降量比重大，经验表明加大排水板的打设深度，有利于排水固结。从有限元与该地块已有检测结果的对比可以看出，有限元结果比较大，但是由于实测不是在一开始进行，有限元结果截取相应的时间段进行对比，而有限元分析的结果一般在开始阶段比较大而后期固结比较小，所以上述结果是合理的。

3参数分析

下面就以上面土体本构，在不同堆载的高度的条件下，对地表堆载中点的沉降进行分析，来确定最终堆土高度。

采用上例中的土体本构，排水板采用正方形布置，对间距为1m，堆载高度分别为2.5m、3.0m、3.5m、4.0m，加载的节奏与上例相同，分析的时间为2年。下面图5为加载曲线，图6为对应荷载下的沉降曲线。由两图可以看出在淤泥地区，场地的最终沉降量与堆载高度是成近似线性关系的。所以确定了使用荷载就能相应的推算出最终沉降量，从而确定较优的堆载预压高度，保证较小的工后沉降。

4 结论

（1)对堆载预压加固软基进行有限元分析时，将砂井地基等效成砂墙地基，土体采用弹性本构模型，在方法上是可行的。

（2)计算结果表明:地基的沉降的发展趋势的分布规律与实际情况是一致的，即堆载区内的土体变形主要是收缩变形，并向四周进行扩展，与堆载排水预压法的加固机理一致。

（3)用有限元计算得到的地基沉降量比实测值稍大，但总的来看比较符合实际，采用该法是合理的。

（4）本工程的使用荷载与2.5m堆土一致，故实际用3m堆载92天即可达到使用荷载2年的沉降量，可保证工后沉降小于30mm。

参考文献

[1]. 刘华, 钱德玲与付聪, 基于ABAQUS的软土地基加固有限元分析. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2009(8): 第1229-1232页.

[2]. 赵维炳, 陈永辉与龚友平, 平面应变有限元分析中砂井的处理方法. 水利学报, 1998(6): 第54-58页.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。