刚度-排水相互作用控制软黏土上堤坝性能的机制一致平面应变有限元框架

《Scientific Reports》：Comparative numerical analysis of ground-improvement techniques for embankment performance on soft soil: insights into rigid, semi-rigid, and drainage-based solutions

　　本研究开发并验证了一个机制一致的平面应变有限元框架，旨在阐明刚度对比和排水能力如何相互作用，从而控制软黏土上堤坝的性能。该框架将柱-墙公式与耦合变形-固结分析相结合，并以全尺寸现场数据进行基准验证，重现了沉降和超孔隙水压力响应，施工期间的偏差通常小于15%，固结期间的偏差通常小于10%。在相同的几何形状、地层条件和分级加载条件下，结果表明适用性主要受刚度驱动的荷载绕行控制，而非排水效率控制。刚性和半刚性桩体将施工阶段沉降限制在5.9–6.3毫米，而预制竖向排水板（PVDs）为10.9毫米，碎石桩为15.1毫米，相对于PVDs分别减少约46%和42%，相对于碎石桩分别减少约61%和58%，表明其具有优异的短期变形控制性能。相比之下，超孔隙水压力响应揭示了固有的权衡：桩体通过应力重分布将施工阶段峰值孔隙压力抑制在24.6–25.8千帕（比PVDs的30.5千帕低15–19%），但固结缓慢（270–300天），而基于排水的系统在45–55天内消散孔隙压力，代价是初始积累更高。垂直应力分配被证明受刚度控制，混凝土桩吸引85–90千帕的峰值应力，并使软黏土卸荷40–60%，直接支撑了稳定性提升；施工阶段的安全系数从1.293（PVDs）增加到2.14–2.15（65–66%）。研究结果将地基改良选择重新构建为基于性能的刚度-排水相互作用问题，为合理且材料高效的堤坝设计提供了定量基础。