砂井处理超软地基的固结计算

摘要

借鉴一维大变形固结控制方程的经验,在流动柱体坐标系内,全面考虑土的压缩性和渗透性的变化、以及土体竖向和水平径向同时发生渗流固结的真实过程,假定土体竖向自由变形,推导建立了以孔隙比或超静孔隙水压力为变量的砂井地基轴对称条件下的大变形固结控制方程。采用交替方向隐式差分法(ADI)求解固相柱体坐标下的以孔隙比为变量的控制方程,编制了相应的差分求解程序。在特定条件下,依据Carrillo定理,将以超静孔隙水压力为变量的控制方程分解为竖向和水平径向的2个一维方程,采用迎风格式的显式差分法,分别进行数值求解编程。所编程序可计算求解均质欠固结土、均质正常固结土和非均质正常固结土在多种初始或边界条件下的砂井地基大变形固结问题。选取深圳湾海底淤泥土样,采用先进的GDS固结仪系统进行了固结渗透交叉试验,结果显示,海积淤泥的压缩性符合e-logp模型,渗透性符合e-logk模型,对于含水量高于85%的淤泥,则采用分段e-logp模型描述更好。大变形固结系数g(e)随孔隙比e减小,存在先降后升的趋势,临界点ecr取决于渗透指数ck和压缩指数cc,初始含水量特高(或低)淤泥的临界点ecr可能超出孔隙比的常规变化范围,故一般只表现出单一的递增性或递减性。在深圳海相淤泥的固结渗透试验结果分析基础上,提出了根据常规标准固结试验推定大变形固结计算所需参数的"沉降速率"法。以分别服从幂函数或半对数函数关系的美国磷酸盐尾矿污泥、深港西部通道口岸区海积淤泥加固处理项目为例,采用上述方法及程序对多种固结工况进行了计算预测,分析结果一方面验证了本文计算方法及程序的正确性和适用性,另一方面对"自重影响"、"涂抹效应"、"大小固结系数换算"等关键问题进行了探讨,得到了以下结论:(1)对欠固结污泥的大变形固结预测时,不能"忽略自重",否则会带来30%以上的计算误差。正常固结污泥的大变形固结预测时,可"忽略自重"以简化计算,对计算结果影响不大。(2)要完成相同固结度,一维固结计算时,大变形固结理论预测的时间要比小变形固结理论预测的时间短,而三维固结计算时,轴对称大变形固结预测的时间比小变形砂井固结理论(Barron)预测所需时间的则要长得多,文中对出现该现象的原因进行了较为详细的分析。(3)大变形计算结果显示,砂井附近约1/3的土体在固结初期渗透系数就迅速大幅度下降,在砂井周边形成渗透性小的特殊土区(相当于小变形固结理论定义的"涂抹区"),而且,随着固结时间的发展,一方面该"涂抹区"的渗透系数继续减小,另一方面"涂抹区"不断向不透水边界发展扩大,也就是说,"涂抹区"的半径及渗透系数2个关键指标都在随时间变化,不能当作常数。(4)单因素敏感性分析表明,压缩指数cc、渗透指数ck、初始渗透系数k0和初始孔隙比e0对砂井地基大变形固结度计算影响程度从大到小的顺序依次为:e0,cc,k0,ck。