基于ABAQUS的真空预压有限元数值模拟
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摘要： 本文以上海浦东某真空预压地基处理工程为算例，利用abaqus软件将三维问题简化为二维平面应变问题进行数值模拟分析，模拟计算中土体采用修正剑桥模型，对真空预压加固软基中的地表沉降，土体侧向位移和孔压进行有限元分析。模拟结果和实测值比较吻合，能准确地反映出真空预压加固软基土体变形的实际情况，计算结果对工程应用有一定的帮助。
Abstract： A soft base reinforcement project by vacuum preloading method in Shanghai is taken as an example. The equivalent consolidation degree method is used in the paper， and the ABAQUS software is used to analyze the settlement， horizontal displacement and negative pore pressure. In the process of numerical simulation， the three dimensional problem is transformed into a two—dimension plane strain problem， and the modified Cambridge clay model was used to simulate soils. The calculation results agree well with actual measurements， and can reflect the actual distortion of soil when the vacuum preloading method is used to consolidate the soft base. The simulation results have certain help to engineering application.
关键词： 真空预压；ABAQUS；数值模拟
Key words： vacuum preloading；ABAQUS；numerical simulation
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）27—0194—02
0 引言
上海地区广泛分布着具有含水率大、压缩性高、强度低等特性的深厚软土，为了满足工程需求必须对其进行加固处理。真空预压技术作为一种经济可靠、快速简便的软土地基排水固结处理技术在上海地区的应用还不多。为了对软基处理效果进行研究，为工程的设计和施工提供依据，本文以上海浦东某软土地基加固工程为算例，利用ABAQUS建立合理的有限元模型，对真空预压加固软基进行了数值分析，介绍有限元分析的过程和结果，材料的本构模型采用修正剑桥模型。
1 工程及地质情况
场地位于浦东川沙镇，加固区面积60m×80m，砂垫层采用厚度为50cm、含泥量小于5%的中粗砂。密封墙采用水泥土搅拌桩，水泥掺入量为5%，搅拌桩桩长10m。塑料排水板正三角形布置，间距为1.4m，插打深度13.5m。真空预压期间，膜下真空度不小于80kPa。各层土的物理力学性质如表1所示。
2 有限元分析过程
2.1 模型的建立 采用二维平面应变模型，此时根据文献[1]对砂井的渗透系数进行调整。对竖向排水通道的模拟，为了避免网格划分过密以及提高模型运算的速度和效率，将砂墙的间距扩大到4m，根据对称性，考虑到计算的方便，取加固区的一半进行研究。地基的计算宽度为120m，其中40m是加固区，80m是影响区。由于加固区塑料排水板的打设深度为13.5m，考虑到砂垫层以及竖向加固影响范围，按土质条件及真空预压的影响深度，计算深度取40m。
2.2 有限元网格及边界条件 左右两边均为不透水边界，且只有竖向位移无水平位移；底面为无位移边界；网格划分：采用平面应变孔压单元类型（CPE8RP），8结点二次缩减积分四边形网格，结构化网格（structured）划分。加固区域网格划分较密，往远处逐渐变稀疏。
2.3 荷载及分析步的建立 在定义荷载分析步前先定义一个地应力分析荷载步（即Geostatic步），在加固过程中，整个试验段的加载过程，共分为施加真空荷载、卸除真空荷载两个步骤。根据真空预压加固地基的工程实际情况，将真空荷载分为3个子步，进行分级施加，第一步施加80kPa真空荷载，时间步为一天；第二步持续抽真空，时间步为55天；第三步为卸载真空，时间步10天。在模拟时沿着塑料排板的深度将膜下真空度简化为线性负压设置为80kpa，排水板打设底部的真空度设置为20kPa，中间沿线性递减变化。
3 模拟结果分析
3.1 地基沉降分析
从图中的计算结果我们可以看到，加固区中心位置竖向位移最大，软基的沉降成“碗底”形状，加固区内的沉降较大，并且沉降值随着深度的发展逐渐减小，这与理论的沉降情况相吻合。
3.2 侧向位移结果分析
从图4中可以看出在真空预压期间，整个加固区及加固区外的土体都是向内发生位移的，在加固区边缘处的侧向位移达到最大值，并且影响范围比较广，如图所示，加固区外60m范围内均有一定的影响，在采用真空预压法施工时应该考虑对周围环境的影响。
3.3 孔隙水压力结果分析
孔隙水压力是软土地基处理过程中反映土体中应力变化的重要指标，根据比奥固结方程，孔压的消散与土体的变形是密切相关的，孔压不仅能表示土体固结状态，而且能反映土体的稳定状态。图中反映的是负的超静孔隙水压力，塑料排水版插打深度为13.5m，从图中可以看出，20m深度范围内孔压变化明显，随着深度的增加孔压消散值逐渐减小，在塑料排水板打设深度以下仍有负压存在，即真空预压的影响深度超过排水系统的长度，并且在加固影响区也有一定的影响范围。
4 结论
①在砂垫层和排水板单元中施加负的真空压力，排水板中真空度沿深度按线性变化，负的真空压力的这种施加方法与实际情况比较吻合。②真空预压处理软土地基，将塑料排水板等效成砂墙地基，采用剑桥模型计算时和实测值比较接近，可以达到理想效果。③加固后孔压的变化表明土体有效应力得到增加，有效应力的增加与负压的分布有着重要的关系，同时数值模拟还表明负压可传递至塑料排水板深度以下。④利用ABAQUS软件对一般的真空预压加固软土地基工程进行有限元分析计算是可行的，计算结果对工程应用有一定帮助。
参考文献：
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