基于物理模型的河道堤軟土地基加固處理的試驗研究

趙 波

(遼寧澤龍水利實業有限責任公司，沈陽 110003)

0 前 言

河道堤軟土地基受河道滲水影響，其加固方式十分困難，且洪水期受砂土液化影響也較大，使得其穩定性設計較為困難[1]。對于河道堤軟軟土地基加固的方式在近些年逐步被廣泛研究[2-9]，但均未能得到一個普遍適用性的加固方式，這些成果大都針對于研究區域河道堤軟土地基的特點進行加固處理方式的研究，未能對通用加固方式進行分析。當前，一種振沖置換加固方法在一些閘壩軟土地基加固中得到應用，這種加固方式通過對軟土地基進行孔隙壓實，降低孔隙比，來提高軟土地基的靜力荷載和穩定性，加固效果好于傳統加固方式。但振沖置換加固方法在河道堤軟軟土地基加固中應用還較少。為此文章結合此加固新方法，并通過物理模型試驗的方式對加固效果進行探討。研究成果對于河道堤軟土地基加固方法具有重要的參考價值。

1 振沖置換加固方案

振沖置換加固方案主要原理在于通過將振動波在軟土地基飽和砂土之間進行傳播，使得附件的砂土被振動液化，在傳統壓力作用下軟土地基附件的砂土顆粒進行重新組合，在傳導力作用下地基砂土孔隙比被逐步壓縮密實，相比于未加固前地基通過振動置換后其靜力荷載得到進一步提升，抗震性能由于砂土孔隙比的變化得到增強。

按照地基處理規范進行振沖置換加固試驗，對每個振沖加固樁的間距設置為2.5m，振動試驗測定樁采用等腰三角形方案進行布設，探坑的深度主要設定在3.5m范圍之內，貫入抨擊試驗沖擊的深度保持在6.5m作用。分別按照5%、10%、20%洪水頻率進行抗滑試驗的穩定性分析。地基初始的抗剪指標計算方程為:

Csp=(1-ω)Cs

(1)

式中：ω為置換系數，取值為0.8；Cs為地基處于天然條件下的抗剪指標。振沖置換方法中置換率m采用以下方程進行計算：

(2)

式中：D為振動固定樁的直徑，m；De為相鄰兩個固定樁之間的間距，m。對于復合地基其抗剪強度指標及承載力計算方程分別為：

ψ=ωψ+(1-ω)φ

(3)

Fksp=m×Rp+(1m)×Fk

(4)

式中：Fksp為復合地基承載力，kPa；Rp為承載能力標準值，kPa；Fk為相鄰加固樁之間的承載能力標準值，kPa。

2 基于振沖置換法河堤軟土地基加固處理試驗

2.1 試驗概況

試驗采用天然河砂作為河堤軟土地基的主要材料，邊波比降設置為1∶2.5，整個試驗河段的剖面寬度為3.94m，直徑為0.42mm的天然砂構筑形成全部河道堤段。泥沙地基的厚度為20cm，試驗河段地基抗剪指標，見表1；模型剖面圖，見圖1。

表1 試驗河段地基抗剪指標

圖1 模型剖面圖

3.2 加固試驗測定結果

3.2.1 密實度分析

結合貫入以及探坑抨擊試驗對不同加固樁進行密實度試驗分析，主要探討振沖和抨擊對各試驗點孔隙比的影響，不同加固樁各探坑深度等級下密實度試驗結果，見表2；不同貫入抨擊深度和次數下的密實度試驗結果，見表3。

表2 不同加固樁各探坑深度等級下密實度試驗結果

表3 不同貫入抨擊深度和次數下的密實度試驗結果

從振沖試驗下的地基加固處理后的密實度分析結果可看出，隨著探坑深度的遞增，其振沖試驗前以及加固處理后的地基砂土密實度以及加固直徑都有所增加，振沖試驗的傳導力使得軟土地基周圍的砂土顆粒被從新組合，在傳導壓力作用下地基孔隙逐步被縮小，地基加固效應逐步顯現。此外1#加固樁隨著探坑深度的增加其密實度的變化要高于其他加固樁，這主要是因為1#加固樁附件的細砂顆粒較多，使得其密實度高于其他細砂顆粒較小的加固樁。從貫入抨擊試驗可分析出，隨著貫入深度的增加，河堤軟土地基密實度提高百分率明顯增加，各加固樁軟土地基密實度增加百分率都要>10%，此外振沖次數對不同加固樁附件砂土密實度影響相對較小，尤其是當深度>8.5m后，其密實度的提高百分比變化較小。這主要是因為當振沖次數達到最大時，軟土地基的密實度也區域最高值，孔隙比不能再減小，因此其密實度提高百分率也逐步趨于穩定變化。

3.2.2 抗液化試驗分析

結合貫入抨擊試驗對振動置換加固方法下砂土液化影響進行試驗分析，振動置換加固方法下砂土液化試驗結果，見表4。

表4 振動置換加固方法下砂土液化試驗結果

從振動置換各加固樁附件的砂土液化試驗分析結果可看出，當隨著貫入抨擊試驗次數的增加，其砂化程度逐步顯現，對于1#加固樁附近的砂土而言，當抨擊次數在100-133次時，其出現液化，當隨著抨擊次數的增加其未出現液化現象，這主要是因為隨著抨擊次數的增加，一開始軟土地基周圍的細砂顆粒重新組合，這時候較易出現砂土液化的現象，而隨著貫入抨擊次數的增加，砂土密實度逐步提高，孔隙比遞減，砂土抗液化的能力提高，這時候不易出現液化的情況。而當抨擊次數減少而貫入深度增加后，細砂顆粒的密實度逐步降低，使得其再次出現砂土液化的情況，而2#加固樁和3#加固樁隨著貫入深度其砂土液化的變化和1#加固樁一致。

3.2.3 軟土地基加固后的承載力試驗

在對軟土地基砂土抗液化試驗分析的基礎上，結合靜載負荷試驗的方式對不同荷載下軟土地基的穩定度以及沉降量進行分析，振沖置換加固處理后的地基應力和沉降量試驗結果，見表5。

表5 振沖置換加固處理后的地基應力和沉降量試驗結果

從加固樁的剪切應力和地基沉降試驗分析結果可看出，隨著荷載不斷提高其地應力也逐步提升，從各加固樁的地基沉降變化可看出，隨著荷載的增加，砂土地基的沉降0.0-22.88mm之間變化，4#加固樁地基沉降變化最大，這主要是因為4#加固樁在振動置換條件下其附近細砂顆粒孔隙比較大，密實度要<相同深度下的其他加固樁，因此其抗剪穩定性要低于其他加固樁附件的砂土地基，因此其地基沉降值要高于其他加固樁，1#加固樁附件砂土由于密實度較高，使得其在不同靜力荷載作用下沉降值明顯要低于其他加固樁，其地基加固效應最優。各加固樁靜力荷載分布較為相似，隨著地基應力的增加，其靜力荷載也逐步加大，相比于未加固處理前的地基，采用振沖置換法對堤坎軟土地基的加固使得其地基承載能力明顯增強。

3.2.4 地基抗滑系數試驗分析

分別按照10%、15%、25%洪水頻率進行抗滑試驗的穩定性分析，各加固處理方案下的地基抗滑穩定系數分析結果，見表6。

續表6 各加固處理方案下的地基抗滑穩定系數分析結果

從不同加固方案下的抗滑穩定系數分析結果可看出，采用振沖置換法對堤坎軟土地基進行加固處理后，不同洪水頻率下其抗滑穩定性系數均較高，其中方案1對碎石地基進行部分挖除的加固方案其抗滑穩定系數最高，而對于其他加固樁而言，由于其復合地基的影響，其采用振沖置換進行地基加固好，其抗滑穩定性系數均要好于天然地基的抗滑穩定性系數，相比于加固前，其不同深度下的復合地基抗滑穩定性系數提高比例約為20%。受振沖置換加固作用下，不同加固樁周圍砂土密實度提高，孔隙比降低，其內摩擦角也有所增加，使得堤坎軟土地基的抗滑穩定性能得到增強。

3 結 論

1)隨著探坑深度的遞增，其振沖試驗前以及加固處理后的地基砂土密實度以及加固直徑都有所增加，振沖試驗的傳導力使得軟土地基周圍的砂土顆粒被從新組合，在傳導壓力作用下地基孔隙逐步被縮小，地基加固效應逐步增強。

2)隨著抨擊次數的增加，初始階段軟土地基周圍的細砂顆粒重新組合，這時候較易出現砂土液化的現象，而隨著貫入抨擊次數的增加，砂土密實度逐步提高，孔隙比遞減，砂土抗液化的能力將提高。

3)隨著地基應力的增加，其靜力荷載也逐步加大，相比于未加固處理前的地基，采用振沖置換法對堤坎軟土地基的加固使得其地基承載能力明顯增強。

4) 相比于加固前，其不同深度下的復合地基抗滑穩定性系數提高比例約為20%。受振沖置換加固作用下，不同加固樁周圍砂土密實度提高，孔隙比降低，其內摩擦角也有所增加，使得堤坎軟土地基的抗滑穩定性能得到增強。