真空预压负压分布规律研究

真空预压负压分布规律研究摘要：利用ADINA的非线性特性和特有的多孔介质材料，建立真空预压三维单井计算模型，同时采用均匀化的处理方法，分析研究了土体中的负压分布规律，以及土体渗透系数的改变对真空预压负压分布的影响。

关键词：真空预压，负压分布，数值模拟Research on the the distribution of negative pore pressure under vacuum preloadingAbstract: A three-dimensional calculation model of single drain has been developed for the analysis of the vacuum preloading,using porous medium material and non-linear analysis of the ADINA. And adopt the method of homogenization to analyse the distribution of negative pore pressure and the influence of permeability to the negative pore pressure.Key Words: vacuum preloading; distribution of negative pore pressure; numerical simulation0 引言真空预压是通过抽真空使加固区土体内外产生大气压力差ΔP，在其作用下，地基产生固结。

可以说，真空预压中孔压的分布与变化直接反映地基的加固效果。

因此，了解真空度在膜下砂垫层、地基土中传递变化规律以及分布规律是确定计算荷载的关键。

也是真空预压沉降计算的基础。

目前确定地基中负压分布常用的方法有：（一）在大量假设基础上，通过一定的理论推导给出某些特定条件下解析解。

（二）基于实际工程现场监测资料以及一定假设，通过总结分析，间接得到有关的负压分布规律。

上述方法均有较大局限性：首先，许多假设与实际情况不符，在某些复杂条件下，控制方程往往不能得到有效解答。

其次，由于目前尚无合适的监测仪器，在监测过程中，往往伴随监测仪器的移位、损坏等，因此相关的数据有较大的离散性。

不仅如此，现场监测由于要在工程施工过程中实施，对本工程的指导意义会大大降低。

因此，有必要去寻求更加合理的方法。

有限单元法正是这样一种方法，它可以考虑土体的非线性、复杂的边界条件以及模拟整个施工过程中土体的加载和固结变形的发展过程，因此能较好地反映任何时候土体中的负压分布。

目前有多个通用有限元程序可进行有限元的计算。

ADINA是目前求解非线性岩土问题最精确、有效且提供最多岩土材料模型的有限元软件。

它的材料模型可模拟岩土材料的非线性、岩土材料随时间变化的性能、考虑岩土中由于静水压力和结构变形引起的孔隙水压力的变化[1]。

本文采用有限元数值模拟的方法对真空负压分布规律进行研究。

1 三维单井固结有限元计算模式由于竖井细而密，将整个竖井群地基进行精确的三维有限元分析所花费的工作量相当大。

因此如何不改变砂井地基的空间渗流和空间变形特性，而又不过多地增加计算工作量是固结计算的关键。

对大面积的竖井地基，土层水平分布且较均匀时，取单井的孔压消散情况代替整个竖井地基的孔压消散情况，引起的误差较小，尤其适用于真空预压的工况[2]。

目前，真空预压中，平面上竖井一般按正方形或梅花形布置，简化后，均可以圆形单井模型计算。

本文按正方形分布进行有关计算。

为按面积相等原则换算的等效直径，为排水井间距。

2 土体中负压分布规律研究2.1单井土体中负压分布计算2.1.1计算参数膜下真空度取80kPa；竖井采用A型塑料排水板，正方形布置，间距1m。

排水板宽为100mm，厚为5mm，塑料排水板有效排水直径为1.128m，塑料排水板当量直径为0.035m，塑料排水板打入深度为20m。

为体现实际工程中塑料排水板下部土体对其的影响，软土厚度取为30m。

为反应涂抹效应，模型中考虑了涂抹区，涂抹区的直径取为3 ，即0.105m。

软土及排水板的有关参数依据已有的实验数据及相关行业标准，如表1：表1 单井三维有限元计算参数材料密度(g/cm3) 渗透系数(cm/s) 泊松比v 变形模量E0(MPa)kh kv排水板 1.0 5×10-3 5×10-3 0.32 1×10-3淤泥 1.60 5×10-7 5×10-7 0.40 0.95淤泥(涂抹区) 1.60 1.5×10-7 5×10-8 0.40 0.952.1.2真空预压过程的模拟及边界条件简化初始条件：真空预压处理前，各单元结点的超静孔隙水压力和初始位移均为0。

位移边界条件：地基表面为自由变形，地基的侧限边界水平位移为0，地基底面竖向位移为0。

孔压边界条件：地基上表面所有结点的孔隙水压力为负的真空压力（-80 kPa），其它边界的孔压未知。

荷载简化：真空加载时，让加固区表面各点孔压按线性从0减少到-80 kPa，然后保持不变。

真空卸载时，让加固区表面各点孔压按线性从-80 kPa增加到0。

2.1.3计算结果现场和室内试验研究己表明，土体中负压沿深度存在一定的衰减；另外由于在竖向排水体和地基土传递真空能力的差别，土体中负压沿井径方向也存在衰减[3]。

但考虑到单井直径较小，负压在水平方向的变化对沉降计算的影响远不如负压沿深度方向的变化，因此本文在分析时，将单井某时刻各深度处沿径向的负压做均匀化处理。

具体如下式，其中，、分别为涂抹区内和加固区内负压；，，分别为排水板、涂抹区和单井排水体的半径。

从计算结果看（图1），土体中的负压分布规律与竖向排水体中类似，在初期，负压沿土体深度的衰减较快，呈指数式衰减；而在后期（约60天后），随着负压在土体中的传递，负压沿深度基本为线性衰减。

而从各深度土层负压随时间的变化曲线看（图2），浅层土（-2m）负压增长较快，60天后负压值超过70kPa，其后逐渐趋于稳定，至120天接近膜下真空度80kPa；深层土负压增长较慢，周期较长，至120天仍处于增长之中。

深层土负压的变化规律与实测结果存在一定的差异，这主要是由于实际工程中随着土体的不断加固，渗透系数会逐渐减小，同时由于施工质量等的影响，往往会出现“漏气”的现象，这些因素都会导致真空度传递受到削弱。

2.2不同土体的负压分布由于通常真空预压施工周期约为3～4个月，因此90天左右的负压分布对土体最终沉降量的计算有重要参考价值。

此外由于负压的最终分布与土体的渗透系数、排水体的井阻和涂抹作用等因素相关，因此通过有限元的方法分析上述各因素改变的情况下，土体在90天左右的负压分布规律对实际工程计算具有一定的参考价值。

周秋娟对广州南沙经济开发区软土的物理力学性质进行了统计分析，有关结果表明软土的渗透系数的变异性较大，在之间[4]。

对此，本文分别分析了渗透系数为，，，时90天土体的负压分布规律。

图1 土体中不同时间负压随深度变化曲线图3 不同渗透系数时负压随深度变化曲线（第90天）图2 土体中不同深度处负压随时间的变化从计算结果看（图3），真空度沿深层传递主要受土层渗透性影响，渗透性大，真空度传递的就深，真空压力对土体作用就明显。

当渗透系数大于时，渗透系数的增大对土体中真空度的传递能力影响较小，土体中的负压沿深度基本呈线性衰减；而当渗透系数小于时，随着渗透系数的减小，土体中真空度的传递能力迅速减小。

以渗透系数为时为例，此时地表以下-1米，真空度衰减很快，从地表80kpa很快降至11.6kPa，1米以下则基本稳定在12kPa左右，这可能与土层渗透性小有关，造成真空度沿深层传递困难。

此外当渗透系数为时，在地表以下1～2米内负压出现了一段突变，进一步分析表明，在真空预压加固地基土初期，此范围的真空度甚至有可能从负压过渡至正压，土体中出现正压区，而这个正压区的分布随固结过程逐渐缩小，最终消失，其值也会随着固结过程逐渐减小，此现象可解释为真空预压加固地基的曼德尔效应。

曼德尔效应的产生与地基土的渗透系数，变形模量等诸多因素有关，但由于曼德尔效应产生的正压一般较小，对真空预压加固地基的影响几乎可以忽略不计。

3 结论通过数值模拟，表明真空预压加固土体中负压沿深度方向上有一定的衰减，这种衰减与土体的渗透系数，排水体周围的涂抹作用等多种因素相关，而由于涂抹作用也受土体渗透系数的影响，因此归根结底受土体渗透系数的影响。

当土体渗透系数较大时，到一定时间负压沿深度基本成线性衰减；而当渗透系数较小时，负压在浅层土内就会产生很大衰减，而后趋于稳定。

需要指出的是，本文的有关计算只是对于几种特定参数的土体。

对于具体工程，可进一步细化渗透系数和时间的变化，并将有关的负压分布曲线拟合，给出不同渗透系数土体在不同时间负压与深度的关系表达式，作为真空预压进一步设计和研究的依据。

本文通过有限元方法来分析真空预压土体中负压分布规律，克服了传统方法存在的缺点，其结果对真空预压的设计和研究具有积极的参考意义。

参考文献[1] 岳戈, 陈权. ADINA应用基础与实例详解[M]. 北京, 人民交通出版社, 2008, 1-9[2] 刘加才, 赵维炳, 施建勇. 真空预压作用下竖井地基孔压消散研究[J].中国公路学报, 2004，17(2): 37-42[3] 朱建才, 温晓贵, 龚晓南, 岑仰润. 真空排水预压法中真空度分布的影响因素分析[J]. 哈尔滨工业大学学报,2003, 35(11): 1399-1408[4] 周秋娟. 软土变形时效性的试验研究[D]. 广州: 暨南大学, 2005.注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。