塑料排水板加固软土地基长期工作性能模型试验研究
李玲玲
（1978—），女，主要从事岩土工程试验及软基处理研究。
龙凡
王立忠
塑料排水板在软土地基处理中的应用非常广泛。在长期工作状态下，由于土体固结导致的弯曲变形、滤膜堵塞和纵向通水面积降低等因素的综合影响，塑料排水板的纵向通水量会随着时间而产生变化，导致排水板长期工作状态下的通水量达不到规范标定的初始通水量，因此会对塑料排水板加固软土地基的效果产生一定的影响。本文通过室内大比尺模型试验研究，测试了排水板在长期工作状态下工作性能的变化，并与有限元计算结果进行了对比分析，发现排水板长期工作性能下降对所加固的软土地基有比较大的影响。根据本文的分析，长期工作状态下的塑料排水板纵向通水量建议取为规范法测定的通水量值的10%。
1 引言
随着我国经济的快速发展，我国东南沿海地区广泛兴建各类建（构）筑物，而这些地区广泛分布着压缩性高、强度低的深厚软黏土。当地基存在深厚软弱下卧层时，地基存在深层滑动稳定和沉降量大等一系列问题，故要对深厚软基进行加固处理。由于塑料排水板具有排水效果好、施工便捷、强度高、较经济等优点，目前塑料排水板作为竖向排水体的排水加固法在软土地基处理中应用十分广泛。
在外部加载作用下，软土地基固结变形，产生较大的沉降，同时造成塑料排水板的弯曲变形，导致排水板的纵向通水量相比实验室按规范方法测得的纵向通水量数据有一定的折减，Miura等通过四座堤坝的反分析，排水板在地基原位条件的通水能力为初始值的1/10～1/3。同时，土体的侧向压力作用下使得滤膜嵌入排水板板芯降低排水板纵向通水断面面积及细小的软黏土颗粒可能进入排水板板芯，导致排水板板芯和滤膜一定程度的堵塞等因素，都会影响到排水板加固软土地基的工作性能。
本文考虑塑料排水板在长期工作状态下，由于土体固结变形、滤膜堵塞及纵向通水截面积降低等因素引起的井阻效应，通过室内模型试验和有限元计算结果对比，研究塑料排水板长期工作性能和井阻效应对加固软土地基效果的影响，最后观察了长期工作状态下的塑料排水板弯曲和弯折变形形态。
2 模型试验
为了尽可能真实地模拟排水板工作状态下的弯曲变形，采用了较大的比尺设计了本试验的模型槽，试验模型模拟了平面尺寸2.4 m×1.2m、深度为1.0m的软土地基，排水板有效长度为1.0m，该模型槽特点是，通过控制阀门，试验过程中可以在任意时刻测试排水板在一定水力梯度下的通水量。本次试验模型槽主要由模型槽、软土地基、排水板、孔压计、位移计、加载设备和数据采集系统组成。模型槽由钢板和钢材加工而成，模型槽外围和底部有横向和纵向的加劲肋，防止模型槽产生侧向变形。模型槽配有顶板，主要是承担上部荷载，并均匀地传递到土体上，同时顶板上的加劲肋保证顶板不会发生过大弯曲变形。
2.1 试验土体和排水板物理力学性质
所模拟的软土地基选用的是杭州城西淤泥质软黏土，土体的物理力学指标如表1所示。
表1 土体力学物理指标
试验所选用的排水板是浙江某电厂场地地基处理工程中采用的C型排水板，截面积尺寸为151.4mm×5.0mm，实验室按照规范《塑料排水板质量检验标准》（JGJ 257—1996）推荐的方法测得的纵向通水量为106.6cm3/s。
2.2 传感器布置
本试验的模型试验示意图如图1所示，试验模型槽尺寸长宽高分别为：2.4m×1.2m×1.2m，设计的土体高度1.0m。测量通水量所用的是两个可以调节高度的水箱，水箱可以保持液面高度的恒定。图1中排水板间距1.2m，图示的试验模型槽长度2.4m。
图1 模型试验示意图
试验中传感器包括布置在顶板上的两个位移计，精度0.01 mm，用来监测土体在荷载作用下固结沉降的位移值；布置在试验槽不同地方的四个孔压计，型号为基康振弦式孔压计BGK4500AL-70kPa，包括布置在模型槽中心、靠近底板的PPT1，布置在模型槽中心、高度位于中心的PPT2，布置在与PPT2高度相同、水平上处于排水板和PPT2中心的PPT3，布置在靠近顶板、与排水板距离相同的PPT4，具体位置分布如图1所示。
2.3 试验方案
本试验包括加载固结和通水量测试两个过程。试验中加载设备采用液压千斤顶，通过反力架施加荷载到顶板，顶板均匀把荷载传递给土体。在加载固结阶段，测试排水板通水量的水管关闭，仅仅排水板出水口保持开通，所施加的荷载分为两级，第一级荷载为13kPa，第二级荷载增加17kPa，为30kPa。施加每一级荷载后，使土体的固结沉降位移保持基本不变后，进行排水板的通水量测试。在通水量测试阶段，保持进水水箱和出水水箱连通，在一定的水力梯度下，测试塑料排水板的纵向通水量。
3 试验结果分析
3.1 第一级荷载（13kPa）
施加的第一级荷载13kPa，竖向沉降值为对顶板两个百分表取其平均值，地表的固结沉降曲线如图2所示。沉降在加载初期发展非常迅速，在400h后沉降发展的速度慢慢降低，在900h后沉降发展趋于平缓，最终基本稳定在29.2mm。
图2 地表固结沉降曲线（第一级荷载）
图3是四个孔压计测得的孔隙水压力随着时间变化的曲线，图中可以看到，在顶板施加13kPa的荷载后，4个孔压计测得初始超孔压都是13kPa左右。而由于不同排水路径的原因，四个不同地方的孔压计测得的孔压消散曲线并不完全相同。PPT1处于模型槽中心距离底部10cm的位置，排水距离最长，因此在后期残留的孔压最高，约1.7kPa左右；PPT4处于距离模型槽顶部10cm且相对靠近排水板的位置，排水路径最短，因此孔压消散速度最快，最后残留孔压最低，约0.2kPa左右。PPT2和PPT3排水路径处于PPT1和PPT4之间，距离底板距离50cm，但是PPT3距离排水板更近，因此相对排水路径比PPT2短，PPT3得残留孔压也低于PPT2的残留孔压。
在距离第一级荷载（13kPa）加载1848 h左右，PPT3和PPT4孔隙水压力消散到接近于0，沉降也稳定，此时进行通水量的测试。纵向通水量测试过程中，通过调节进水水箱和出水水箱的高度，保持进水水箱和出水水箱液面维持的水力梯度i=0.5。保持通水量稳定后，独立地进行三次通水量测试，最后取三次测量的平均值。
图3 孔压随着时间的变化曲线（第一级荷载）
1848h测试结果，水温为24.3℃，每10 s的通水量平均为205mL。
2348h测试结果：25.4℃，每10s的通水量平均为180mL。
前后相差约500h的两次通水量测试发现，排水板通水量有一定的降低，下降了14.3%，而相对初始按照规范法测得的纵向通水量106.6cm3/s，下降了70.1%，有较大程度的降低。在地表施加13kPa荷载，最终稳定的沉降值为29.2mm，排水板因此发生3cm左右的弯曲变形，因此排水板的弯曲变形十分微小，只有约3%，因此主要是滤膜的堵塞作用导致的通水量下降，试验过程中也发现，大约500h后，排水口出来的水由清变得浑浊，细土颗粒明显增多，也说明有部分细小的土颗粒进入排水板板芯，有可能对滤膜形成一定的堵塞，同时纵向通水截面积也会有很大的降低。
3.2 第二级荷载（30kPa）
施加的第二级荷载30kPa，在第一级荷载基础上增加了17kPa，地表的固结沉降曲线如图4所示。沉降在加载初期发展非常迅速，在800h后沉降发展的速度慢慢降低，在1200h后沉降发展趋于平缓，最终基本稳定在49.6mm。
图5是四个孔压计测得的孔隙水压力随着时间变化的曲线，图中可以看到，在顶板施加30kPa的荷载后，由于上一级的残余孔压，4个孔压计测得初始超孔压都是略高于增加的17kPa。孔压计PPT1和PPT2测得的孔压时程曲线在初始的很短时间内有一个短暂的上升，之后再出现消散下降的规律，这个短暂的孔压增加是由Mander-Cryer效应引起的，其中由于PPT1处于模型槽中心距离底部10cm的位置，排水距离最长，而且后期的排水板工作性能产生一定下降，导致残余孔压最大，为11.5kPa，而PPT2的排水路径相对更短，残余孔压相对也会更小，为6.3kPa。孔压计PPT3和PPT4测得的孔压时程曲线呈现的规律是迅速消散，这是由于孔压计PPT3和PPT4排水路径相对较短，其中PPT4处于距离模型槽顶部10cm且相对靠近排水板的位置，排水路径最短，因此孔压消散速度最快，最后残留孔压最低，约2.0kPa左右，而PPT3排水路径相对较长，因此残余孔压也略大于PPT4，约为3.8kPa。
图4 地表固结沉降曲线（第二级荷载）
图5 孔压随着时间的变化曲线（第二级荷载）
在距离第二级荷载加载4282h左右，孔压计测得的孔隙水压力变化幅度非常小，沉降也稳定，此时进行通水量的测试。通水量测试过程中，通过调节进水水箱和出水水箱的高度，保持进水水箱和出水水箱的水力梯度i=0.5。保持通水量稳定后，独立地测试三次通水量，最后取三次测量的平均值。
4282h测试结果，水温为25.6℃，每10s的通水量平均为75mL。
相比施加第一级荷载沉降变形稳定后测得的纵向通水量，施加第二级荷载沉降变形稳定后测得的纵向通水量下降了58.5%，而相比初始的规范法测定的纵向通水量，下降了87.7%，排水板的工作性能大幅度下降。在地表施加第二级荷载，该级荷载下最终稳定的沉降值为49.6mm，结合上一级荷载产生的沉降变形，排水板总共发生8cm左右的弯曲和弯折变形，因此排水板的总弯曲变形约为8%，此时排水板的弯曲变形和滤膜的堵塞作用共同导致的通水量大幅度下降。
3.3 长期工作状态下排水板变形形态
试验结束后，为了探讨排水板的弯曲变形，在试验土槽中分别开挖出两个剖面，观察了本模型试验槽中两个排水板在长期工作状态下的弯曲变形现象，如图6所示。
图6 排水板弯曲变形示意图
通过图6可以发现，两个排水板均出现明显的弯曲和弯折变形，较均匀的弯曲变形包括S形弯曲和Z形弯曲，此外，还包括明显的局部弯折变形，这些弯折点也会增大排水板井阻，而且这些弯折点有可能完全折成死角、甚至折断。本试验观察的排水板弯曲与弯折变形现象与Lawrence和Koerner、Fang和Yin及闫澍旺等的结论十分类似，不过目前还没有相关研究文献或者规范提到在排水板产生弯曲和弯折变形后，其纵向通水量的具体变化，从本试验结果来看，长期工作状态下的排水板纵向通水量下降到只有按照目前国家规范实验室测定的通水量值的13%左右。
4 数值模拟对比分析
通过大型岩土工程有限元软件Plaxis模拟了试验加载的第一级荷载加载过程，Plaxis可以通过砂井单元来模拟塑料排水板，但是不能很好地考虑排水板弯曲变形和滤膜堵塞对排水板通水性能的影响。有限元计算模型如图7所示，尺寸与模型试验一致，长2.4m，高1.2m。所加荷载13kPa也与模型试验一致。模型底部两个方向位移完全固定，两侧固定水平方向位移，底部和两侧均不透水，有限元模型顶部位移完全自由。
图7 有限元模型图
在有限元分析中，监测了三个点，分别是A、B和C点，A点处于地表，B点处于距离地表10cm处（对应PPT4），C点处于距离地表50cm处（对应PPT2），如图7所示。考虑到试验槽填土过程中土体有扰动，考虑填土造成的扰动度为25%，取土体压缩模量1.5MPa。有限元模拟得到的地表沉降曲线与试验结果对比的结果如图8所示，两者吻合的较好。数值分析监测的B和C两点处孔隙水压力随着时间的变化与试验结果对比如图9所示；可以看出，孔隙水压力的数值计算结果与实测值在前期吻合良好，但在后期出现明显的偏离现象。
图8 有限元得到的地表沉降与实验结果的对比
图9 B和C点孔压随着时间变化曲线与试验结果对比
由于有限元分析中不能考虑排水板弯曲和滤膜堵塞作用，因此无法完全考虑实际的排水板长期工作性能，实际操作中，排水板在长期工作状态下肯定会由于地基土固结沉降发生纵向弯曲和滤膜堵塞导致井阻随着时间会增大，排水板的通水量随着地基土的固结是一个减小的过程，因此有限元分析中井阻要比实际的大，因此在后期可以看到计算得到的沉降偏小、残余孔压也更小。该现象进一步证明了排水板长期工作性能，尤其是通水量的下降与弯曲情况对孔压有较大的影响。
5 结语
我国沿海区域广泛分布的深厚软黏土地基加固中的塑料排水板，其长期工作性能由于受到诸多因素的影响，如由于地基固结沉降引起的弯曲变形、软黏土细小颗粒引起的滤膜堵塞和土压力侧向作用于滤膜导致的排水板横向通水面积的降低等因素，这一系列复杂因素共同作用会导致排水板的长期工作性能相比规范法测定的排水板纵向通水量大幅度降低。针对这一问题，本文通过数值分析和模型试验，研究了深厚软土中塑料排水板的长期工作性能变化规律，得到了如下结论：
（1）通过模型试验研究发现，相对较小荷载作用下，地基土固结沉降基本稳定且测得的孔压值也相对稳定后，地基土产生相对较小的固结沉降，排水板也会产生一定的弯曲变形，排水板主要是由于滤膜堵塞和排水板的弯曲变形等因素导致其纵向通水量下降，试验发现其下降了70.1%。
（2）在较大的荷载作用下，地基土固结沉降基本稳定且孔压值也相对稳定后，地基土产生相对较大的固结沉降，排水板也会产生较大的弯曲弯折变形，排水板主要是由于排水板的弯曲弯折变形和滤膜堵塞等因素导致其纵向通水量下降，试验发现其下降了87.7%。
（3）在试验全部完成后，进行开挖并观察排水板的弯曲情况，发现试验模型槽内两个排水板均出现明显的弯曲和弯折变形，较均匀的弯曲变形包括S形弯曲和Z形弯曲，此外还包括明显的局部弯折变形。
（4）从本文试验结果来看，长期工作状态下的排水板纵向通水量下降到只有按照目前规范法测定的纵向通水量值的13%左右，结合实际工程中可能更大的弯曲变形和更复杂的施工因素如涂抹效应等，建议深厚软黏土中长期工作状态下塑料排水板通水量按照目前国家规范实验室测定的通水量值的10%取值。
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