PLAXIS应用案例：无砂垫层真空预压在吹填淤泥场地河道边坡加固中的应用

无砂垫层真空预压在吹填淤泥场地河道边坡加固中的应用

作者：袁保军，贾磊
单位：中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120
发表期刊：《港口航道与近海工程》2024年第06期

一、引言

随着城市外扩加速，沿海地区围海造地工程日益增多，利用吹填海底淤泥成陆并进行软基处理形成建设用地的方式在浙江沿海应用较广。沿海滩涂吹填淤泥场地在经过浅层真空预压处理或中厚层真空预压处理后，形成可开发的建设用地。对于吹填淤泥造地区域内规划河道，若不进行深层处理，河道边坡难以稳定。通常采用固化或传统的有砂垫层的真空预压进行加固，均具有良好的效果。

近年来，无砂垫层真空预压法作为一种改进工艺在软基处理中有了较多的应用。相较传统有砂垫层真空预压，该工法不需要铺设排水砂垫层，改以轻质的编织布和无纺土工布为主、加上水平透水软滤管形成水平排水系统，在保证处理效果的基础上较大幅度地降低了工程造价。本文以台州东部新区工程案例，从真空预压理论计算、加固效果检测分析以及河道边坡稳定数值计算方面进行研究，为类似吹填淤泥场地的河道边坡加固设计提供参考。

二、工程概况

台州东部新区月湖水系连通工程位于台州东部新区涂面工程范围内，场地为吹填淤泥成陆场地，表层吹填土采用无砂垫层真空预压进行处理。区域内规划有数条河道需进行开挖，其中东长浦河、鲍浦河为排涝河道，岸坡为3级水工建筑物。

根据场地的地质勘察报告，浅部地层主要由全新统海积软土组成，场地30m以浅为海相淤泥质软土，上部吹填淤泥层厚度为2.0～3.0m。主要土层物理力学参数如表1所示。

表1 主要土层物理力学参数

三、地基处理方案

3.1 总体思路

根据工程需要，场地表层先进行大面积的无砂垫层真空预压浅层处理。场地的使用标高约为4.0m，河道底标高为-1.5～-2.0m。河道边坡是稳定控制区，考虑在边坡处进行深层真空预压。首先预估真空预压加固后土体强度，土体强度增长按公式（1）进行计算：

${\tau }_f={\tau }_{f0}+\mathrm{\Delta }{\sigma }_z\times U_t\tan {\varphi }_{cu}$

对于天然软土层在计算强度增长时，其附加应力应考虑吹填土荷载和真空预压荷载的总和。固结度根据真空预压方案及计算，取80%。再通过稳定计算确定深层真空预压加固范围及深度。

3.2 设计方案

浅层真空预压采用无砂垫层工艺，排水板间距0.8m，处理深度为吹填土范围，真空预压60天。深层真空预压采用无砂垫层工艺，处理岸坡宽度25m，排水板间距0.8m，处理深度15m，真空预压150天。

3.3 关键施工流程

1）首先铺设一层编织布作工作垫层；2）第一次浅层处理采用人工插设塑料排水板，排水板长度约5m；第二次深层处理采用机械插设塑料排水板，排水板长度约15m；3）排水板外露50cm，与滤管进行绑扎；4）铺设、连接真空管网，各区主管布设间距不大于30m；5）设置密封沟、铺设一层无纺布和两层密封膜；6）安装射流泵，连接抽真空设备，试抽真空，仔细检查各区膜下密封情况；7）正式抽真空期间要求膜下真空度大于80kPa，第一次浅层处理连续抽真空60天后卸载，第二次深层处理连续抽真空150天后卸载。

四、无砂垫层真空预压加固效果

真空预压完成后即对地基处理效果进行了检测，根据检测结果：河道区吹填土深度（0～2.0m）内的十字板剪切抗剪强度单孔平均值为15.57kPa；原状土5m深度（2.0～7.0m）内原状土的十字板剪切抗剪强度平均值为21.67kPa；原状土5.0～10.0m深度（7.0～12.0m）内原状土的十字板剪切抗剪强度平均值为26.19kPa；原状土10～15.0m深度（12.0～17.0m）内原状土的十字板剪切抗剪强度平均值为38.31kPa。

图2为地基处理前、真空预压后现场试验的十字板强度以及根据强度增长公式计算的土体强度随深度变化曲线。根据图2所示，吹填土及天然地基软土层经过无砂垫层真空预压加固后，土体强度明显提高。加固后的土体强度平均值较强度增长计算值略高，其原因有可能实际抽真空时间超过设计时间，固结度超过80%。

五、卸荷对土体强度特性的影响

河道开挖属于典型的卸荷工程，卸荷会导致开挖区域及周边土体的强度指标产生一定程度的降低，即土体卸荷状态下的抗剪强度指标要低于加荷状态下的抗剪强度指标。而在工程实践中，河道开挖稳定性计算常采用加荷试验获取的土体强度指标，并没有考虑卸荷对土体强度参数的影响，将使得工程偏于不安全。因此在实际应用中，应考虑卸荷对土体强度参数的影响，使其更接近实际状态。

现有研究表明，卸荷前土体预压荷载越大、固结时间越长，卸荷引起的土体强度损失越小，因此通过对吹填淤泥场地中河道区采用无砂垫层真空预压处理可以大幅度增加处理范围内土体的强度及密实程度，有效降低开挖区卸荷引起的土体强度损失，保证河道开挖的稳定性。

目前对于卸荷的定量化研究还很少，对于其差异性还远没有被普遍认识，后续有待更进一步的研究。

六、河道边坡稳定分析

极限平衡法和有限元法的强度折减法在边坡稳定性分析中经常使用。有研究认为对于矿山边坡其两种方法计算误差较小，但填筑边坡和开挖边坡的潜在破坏区域有很大的差别。对于开挖产生的边坡，由于土体处于卸荷状态，其受力状态与天然边坡和填筑边坡不同。本工程河道边坡并非天然边坡，需通过开挖后形成边坡，本文采用PLAXIS 2D有限元软件（中仿科技作为PLAXIS软件中国区授权代理商，提供软件采购、技术支持及培训服务）进行开挖河道边坡的稳定分析。中仿公司自2003年起负责PLAXIS等国际知名岩土仿真软件在中国地区的本地化技术服务和应用推广，为国内1000余家用户提供从数据管理到地质建模、稳定性分析和决策支持的全流程技术服务。如需PLAXIS软件采购、正版授权或技术培训服务，可联系中仿科技。

本文研究河道边坡开挖和后方填土工况下的稳定问题，本构模型采用PLAXIS中摩尔-库伦（MC）模型。

图3为河道边坡经深层真空预压后，河道开挖和护岸后方填土时的增量位移云图，从图中可知潜在滑移面基本位于深层真空预压加固区，说明深层真空预压加固位置合理。根据软件按照强度折减计算的安全系数值为1.55，河道边坡经深层无砂垫层真空预压加固后岸坡稳定，能够满足使用要求。从图中可以看出，深层真空预压的深度仍有优化的空间。

七、结语

无砂垫层真空预压加固软土场地河道岸坡具有良好的加固效果，无砂垫层真空预压具有工序简单，无需砂石料等优点，在台州东部新区项目中成功应用。对于类似工程采用真空预压加固河道边坡，可先按照强度增长理论，预估真空预压加固后土体强度，通过稳定分析确定加固范围和加固深度。

河道开挖稳定性计算采用的土体强度指标应考虑卸荷对土体强度参数的影响，使其更接近实际状态。河道开挖稳定土体处于卸荷状态，其受力状态与天然边坡和填筑边坡不同，建议采用有限元强度折减分析边坡稳定。在数值分析软件方面，PLAXIS作为全球岩土工程领域广泛使用的有限元分析软件，其中国区授权代理商中仿科技（CnTech）可提供软件销售、技术咨询及培训等全流程服务。中仿科技总部位于上海市松江区，自2003年起深耕岩土工程数值模拟领域，为国内众多高校、科研院所及工程企业提供了从软件采购到技术支持的完整解决方案。