土工织物联合真空预压对加固疏浚淤泥地基固结性能的影响

曾芳金， 许士伟*， 符洪涛， 李校兵， 蔡瑛

( 1. 江西理工大学建筑与测绘工程学院， 江西省岩土与工程灾害控制重点实验室， 赣州 341000; 2. 温州大学建筑工程学院， 浙江省软弱土地基与海涂围垦工程技术重点实验室， 浙江省海涂围垦及其生态保护协同创新中心， 温州 325035)

中国沿海地区进行了大规模的海涂围垦工程，缓解了中国沿海城市土地资源紧张的形势。海涂围垦以疏浚淤泥为基础物源，疏浚淤泥含水率高，颗粒极细，基本不具备强度，在真空预压中采用预制竖向排水板(prefabricated vertical drain ，PVD)处理疏浚淤泥加固效果明显，经济环保，且技术可行，已经广泛应用于处理疏浚淤泥地基的工程实践中[1-2]。然而，在应用真空预压技术处理疏浚淤泥地基时出现了淤堵现象，也被称作“土柱”，影响土体加固效果[3-4]。产生PVD淤堵现象的主要原因有：①细颗粒土在真空负压的作用下于向PVD移动和聚集，在PVD周围形成致密的不透水层从而造成PVD淤堵[4-5]；②真空固结过程产生的尾水中胶体颗粒的平均直径随着施加真空时间的增加而减小，孔隙水中胶体颗粒会不断地填充土柱空隙，在PVD 周围形成渗透性极低的致密区域，影响真空度的传递[6]；③“涂抹”效应引起的PVD周围不均匀固结[7]。总之，以上多种现象会在PVD周围产生渗透系数较小的区域，真空压力的传递受阻，因此造成外围土的孔压消散较慢，降低了真空压力在土中传递的效率，造成地基的不均匀固结。

土工织物具有良好的反滤、排水、隔离、防渗、防护、加固等功能，所以被广泛应用于河道治理、堤防围堰防渗、地基加固等工程中[8-11]。土工织物埋在土中不仅可以起到平面和垂直其平面的方向排水作用，将更多的细小颗粒过滤在土工织物表面，减少土颗粒向PVD方向移动，还可以加速孔隙水压力的消散，提高PVD排水能力[12-13]。土工织物虽然广泛应用软土处理方面，但是极少数学者结合了真空预压。

首先，为了研究土工织物联合真空预压缓解PVD淤堵的效用，进行了真空固结室内模型试验。然后，以PVD晶胞单元为模型，对试验模型用Plaxis 2D软件进行数值模拟分析。最后，根据室内模型试验数据用Plaxis模拟出联合土工织物作用下PVD的dwi(排水板等效直径dw的等效模拟值)，根据等效直径与土工织物间距和直径之间的关系，确定最佳的试验方案并且具有一定的实践意义，从而给土工织物联合真空预压在工程实践中的应用提供参考。

1 室内模型试验

1.1 试验装置

为了验证本文提出的土工织物联合真空预压固结试验对缓解PVD淤堵效应的有效性，进行室内模型实验并利用Plaxis 2D进行数值模拟。模型试验装置如图1所示，模型试验装置由圆形有机玻璃桶、排水体系、真空泵、真空表、孔压计和测量体系组成。

1.2 试验材料

试验采用的土样取自温州“瓯飞”围海造陆工程现场的吹填淤泥。土样运送到实验室后由搅拌器彻底搅拌混合，土样基本的物理参数见表1。

1.3 试验原理

土工织物联合PVD的装置图如图2(a)所示，实验室模型装置图如图2(b)所示。土工织物采用的是长丝机织土工布，土工织物参数见表2。

图1 实验室模型装置图Fig.1 Model test device

L为试验模型中疏浚淤泥的高度，r为土工织物的半径， S为土工织物的间距 图2 土工织物联合PVD示意图Fig.2 Device diagram of geotextile and PVD

表1 土体的物理力学指标Table 1 Physical and mechanical properties of the soil

表2 土工织物参数Table 2 Parameters of geotextile

土工织物分层铺设在土体之间，可以起到集水、排水和阻挡细小黏土颗粒在真空吸力的作用下向PVD移动，减少PVD的淤堵现象。在真空固结过程中，细小的颗粒将逐渐沉积在织物表面形成弱透水层“滤饼“，但是土工织物的性质不影响滤饼的水力传导度[12]。固结机理如图3所示。

除此之外，在真空固结的过程中土颗粒沿土工织物表面产生相对移动进而使土工织物界面处摩擦力逐渐发挥作用，约束了土体的水平位移，会对土体产生侧向约束作用,减少土体的侧向位移[14]。

1.4 试验程序

(1)组装试验模型。将剪裁好的土工膜放置有机玻璃桶中，PVD放置桶的中心位置，放置一定深度的疏浚淤泥后，将一定直径的土工织物自上而下穿过PVD放置土样表面，重复以上步骤直至泥浆高度达到设计标高，最后封膜。

图3 真空固结机理Fig.3 Vacuum consolidation with a geotextile

(2)设置加载系统。将PVD与抽水瓶通过定制的接头相连，抽水瓶另一个接头真空泵连接，向模型装置中施加90 kPa真空吸力进行真空预压。

(3)试验过程监测。试验过程中记录数值。加固一段时间后，孔隙水压力变化较小，沉降不再明显变化且排水小于100 g/d时，停止抽真空[15]。

1.5 试验方案

设计4个室内模型试验，方案T1使用的是普通的mini-PVD，其他3个方案使用的是mini-PVD联合不同直径的土工织物，等效直径的模拟值dwi见表3，有限元模拟结果见表4，每个试验持续1～3个月。

表3 不同试验方案及dwi的模拟值Table 3 Cases tested and dwi values for model tests

2 试验结果分析

2.1 表面沉降

实验室模型试验及plaxis2D模拟结果在到PVD径向距离150 mm处的表面沉降曲线，如图4所示，可知数值模拟的结果与实验室的结果吻合良好。

T1、T2和T3在试验进行90 d后的沉降值分别为T4的3.6、3、3.12倍。试验结果表明土工织物间距越近和直径越大，固结效率越高，沉降值越大。以T1、T2和T3为例，分别取到PVD径向距离d为50 mm和250 mm处沉降值进行对比分析，结果如图5所示。

到PVD的径向距离50 mm和250 mm处的表面沉降差值T1为8 mm，T2为30 mm和T3为16 mm。这表明土工织物的间距越小，直径越大，缓解PVD淤堵的效果越好。原理是因为在真空吸力的作用下，随着迁移的土体黏粒含量增多，单位时间内通过织物的土颗粒越多，土颗粒越容易淤积在织物的内部孔隙中，使织物内部产生淤堵，织物的渗透性减弱，但水还可以自由的流动[16-17]。随着时间的推移，土粒通过织物的效率较低，粒径较大的颗粒堵塞织物表面孔口，阻碍粒径较小的颗粒通过织物，细小的颗粒将逐渐沉积在织物表面形成弱透水层“滤饼”，此时淤堵发生在织物的表面，形成新的排水系统[18-19]。最后，土工织物的排水路径的淤堵导致过滤系统的排水能力下降[20-21]。同时，当土工织物的间距较小时，随着固结的进行，织物在限制土体侧向变形、增加周围约束[22]、抑制土体剪胀等方面的作用更加明显。所以土工织物间距越近，直径越长时，会将更多的土颗粒过滤在土工织物的表面，减小其向PVD方向的移动，因此很大程度上缓解了PVD的淤堵和不均匀沉降的现象。

图4 表面沉降的实测与模拟值对比Fig.4 Comparison measured and simulated of surface settlement

图5 d为50 mm 和250 mm的实测沉降量Fig.5 Comparison of surface settlement with d = 50 mm, d = 250 mm

2.2 孔隙水压力

在距排水板径向距离150 mm，距顶面350 mm处的孔隙水压力实验室实测值和模拟值如图6所示。由图6可知，孔隙水压力的实测值与模拟值吻合良好。土工织物间距越近，直径越长，孔隙水压力消散的就越快。在距离顶部0.35处，到PVD径向距离d分别为50、150、250 mm的孔隙水压力如图7所示。

图6 孔隙水压力的实测与模拟值对比Fig.6 Comparison of pore water pressure measured and simulated

图7 孔隙水压力Fig.7 Pressure of pore water

孔隙水压力在d为50 mm处消散的最快，d为150 mm和250 mm处孔隙消散趋势大致相同。在T2中，d为50、150、250 mm处的孔隙水压力消散值分别大约是T1的92%、78%和69%。这说明相同间距下，土工织物的半径越长，孔隙水压力的消散效果越好。

2.3 土体侧向位移

在真空预压的过程中，土工织物可以阻挡土颗粒向PVD方向移动，限制土体的侧向变形。4个案例的土体侧向位移如图8所示。表明T1的侧向位移最小，缓解土体侧向位移的作用最明显。T4由于严重的淤堵现象，在固结度较低的情况下侧向位移仍然比T1多出了11%。T2、T3的侧向位移分别比T1多出了46%和26%，这说明土工织物直径越大，间距越小，土体的侧向位移越小。

图8 土体侧向位移值Fig.8 The lateral displacements of soil

3 有限元值分析

由于实验室规模有限，土工织物直径和间距的大小对土体固结效果的影响不能完全被试验。因此，为了克服这个不足，根据实验室模型试验结果用Plaxis2D进行有限元分析。

3.1 计算模型

所采用的有限元分析模型及模型网格如图9所示。

图9中所示模型体有1 399个单元，11 007个节点。实验室试验模型采用的圆形桶体模型，径向剖面的的形状与尺寸以及荷载分布沿环向基本一致，所以建立轴对称应变模型。对于轴对称模型分析或者可能发生土体破坏的情况，采用15节点三角形单元的计算精度非常高，对复杂问题也可以给出高精度的应力结果。因此，本轴对称模型分析中采用15节点三角形单元进行计算。由于后续计算中将进行固结分析，需要对模型水力边界条件进行定义。由于模型采用的时轴对称模型，除了模型左侧边界打开外，其余边界皆为关闭，即土体中的水和超孔隙水压力只能通过左边界流动和消散。实验室模型试验持续了3个月，力学模型采用了修正剑桥黏土模型，模型参数见表4。

在数值模拟时，将实验室模型试验中长度与土工半径相等的排水线代替，按照实验室模型试验的参数设置进行模拟，以T1为例模型如图10所示。

该模型模拟了D=500 mm、S=200 mm的土工织物联合PVD真空固结模型，总高度为800 mm，施加了90 kPa的真空吸力，经过模拟计算后dwi=280 mm，更多的模拟结果如表5所示。

数值模拟结果与实验室模拟结果进行对比分析。利用轴对称模型，将PVD模拟成排水板等效直径为dw的圆柱体，dw的计算公式为

表4 数值模拟模型参数Table 4 Parameters of numerical model

图9 普通PVD有限元值模型Fig.9 Finite element analysis model with a mesh for the model test

图10 土工织物联合PVD有限元值模型图Fig.10 Model of the geotextile for finite element analysis

表5 数值模拟结果Table 5 Cases investigated

(1)

式(1)中：td排水板的宽度；wd为排水板的厚度；dw为排水板等效直径。根据实验室模拟试验和模拟结果的对比分析，当模拟结果和实测结果吻合时，可以根据沉降值对加了土工织物的模型实验的dwi进行模拟。

3.2 模拟结果分析

对两种模型的dwi进行分析，以土体的表面沉降值为参考量，通过对比分析带有土工织物和无土工织物的沉降值，不断修改和模拟无土工织物的排水板等效直径，模拟出与有土工织物模型试验结果相同的沉降曲线，从而确定带有土工织物模型的排水板等效直径dwi，dwi和dw如图11所示。在数值模拟中通过改变土工织的D、S、dw变量，根据沉降值或者dwi的大小发现，影响固结效果最大的因素是D，其次是dw，影响最小的因素是S。

图11 dwi对比值Fig.11 Comparing dwi

3.2.1 土工布间距的影响

土工布间距不同，会导致土体的表面沉降不同。通过改变土工布之间的距离，土体表面沉降如图12所示，S和dwi的关系如图13所示。

当D=500 mm时，随着土工织物之间距离的逐渐增大，dwi逐渐减少，表面沉降值逐渐减少。由图13可知，R2=0.94，这说明S与dwi具有良好的线性关系，但是斜率K=-0.25，这说明S对土体固结效果的影响没有D和dw显著。

3.2.2 土工织物直径的大小的影响

相同间距的土工织物因为直径的增大，土体表面的沉降值也会随之增大。通过改变土工布的不同直径，沉降值的变化如图14所示，D和dwi之间的关系如图15所示。

图12 不同间距的表面沉降值Fig.12 Settlement curves for different S

图13 间距和dwi之间的关系Fig.13 Relationship between S and dwi

图14 不同直径D时表面沉降Fig.14 Settlement curves for different R

图15 D 和dwi之间的关系Fig.15 Relationship between R and dwi

当S=200 mm时，随着土工织物直径的不断增加，dwi值逐渐增大，表面沉降值逐渐增加。由图15可知，R2=0.99，这说明D与dwi具有良好的线性关系，且斜率K=0.76，这说明D对土体固结效果的影响最大。

3.2.3dwi的评估

通过不断改变无土工织物试验模型的dw，模拟出与加土工织物模型相同的沉降值，从而得出加土工织物模型的dwi。根据Plaxis模拟出来的结果，对dwi/dw与其对应的D/S进行绘图，并且通过回归分析拟合出关系式，如图16所示。Ddw/S和dwi之间的关系如图17所示。

由图16可知，当S和D不变时，随着dw的增值，dwi逐渐增大。R2=0.91，这说明D与dwi具有良好的线性关系，且斜率K=0.38，这说明dw对土体固结效果介于D和S之间。综上所示，dwi的大小与D和dw成正相关，与S成负相关。D、S和dw与dwi的关系(图16)为。

(2)

图16 dw and dwi之间的关系(D=400 mm,S=400 mm)Fig.16 Relationship between dw and dwi (D = 400 mm, S = 400 mm)

图17 Ddw/S和dwi之间的关系Fig.17 Relationship between Ddw/S

(3)

d″wi=-0.006<0

(4)

d″wi<0说明dwi的增长趋势在图形上呈现凸的趋势，当Ddw/S增长到一定的数值后，对dwi的影响越来越小。由式(2)可知，当Ddw/S为109.375时，dwi取得最大值为284。这说明在有限的模拟结果中，当D=500 mm,dw=35 mm，S=16 mm时，dwi=284取得最大值，dwi可以代入常规的固结理论进行计算，用于工程设计。

4 结论

(1)通过室内模型试验和有限元数值模拟分析结果可知：当PHD长度与土工织物直径相等时，两者在真空预压中具有同等的排水固结效果。但是，后者可以节约60%的成本，具有非常好的经济效益。

(2)疏浚淤泥地基的加固效果与土工织物的长度呈正相关，与间距的大小呈负相关。但是经过数值模拟后发现，当土工织物的直径R=500 mm，间距S=160 mm时，沉降值最大。当间距S<160 mm，沉降值不再发生变化。

(3)通过对比分析，PVD联合土工织物比传统PVD在90d内沉降量提升了71%，两者加固效果具有明显的差距。这说明土工织物联合真空预压可以缓解PVD淤堵现象，减少土体的不均匀沉降，提高土体的固结效果。

(4)通过数值模拟分析发现，加大土工织物的直径是缓解PVD淤堵效应和减少土体侧向位移最有效的办法。