寒冷地区引水渠道地基加固处理研究

王 旗

（湖北省引江济汉工程管理局，湖北 荆州 434000）

灌区引水渠道输送的主要物质为水，水对岩土体强度的劣化具备不可忽视的作用，水是岩土体变形破坏的主要诱发因素之一。许多学者对岩土体干湿循环作用下的强度劣化特征进行了研究[1-3]，在多次干湿循环作用下，岩土体强度会产生明显的下降；同时在干湿循环作用下，岩土体结构也会产生一定的损伤。在寒区，岩土体经常产生冻胀破坏，且冻融循环作用下，岩土体也会同干湿循环一样产生强度劣化和结构损伤[4-6]。

1 工程概况

工程位于我国北方寒区某灌区，地基岩土体类型为耕植土，为灌区引水渠道进入农田段，天然状态下，岩土体密度ρ=1.58g/cm3，孔隙比e=0.95，含水率ω=12.6%，由于距离农田较近，灌溉时，岩土体可达到饱和状态，地下水位埋深较浅。

2 地基冻胀率

岩土体的冻胀主要是由于水在冻结作用下体积变化造成的，岩土体颗粒自身的冻胀产生的体积变化与水体积变化相比可以忽略不计。

因此，假设原状土总重量为M总，黄土颗粒的干密度为ρ土，含水率为ω。则满足下式：

式中 V土为土体颗粒的体积；V总1为原状土体积；V总2为冻胀后的体积。

体积变化率η为：

已知ρ水=1.0g/cm3，ρ冰=0.9g/cm3，因此，体积变化率为：

从式（5）中可以看出，岩土体冻胀体积变化率与含水率呈正相关关系，降低岩土体中的含水率可以有效降低岩土体的冻胀变化。

3 干湿—冻融循环作用下岩土体强度劣化

在项目区获取原状样，进行室内干湿—冻融循环试验，研究干湿—冻融循环作用下岩土体强度劣化特征。选用目前常用的恒温恒湿试验箱完成干湿—冻融循环。进行常规三轴试验研究岩土体强度变化。干湿—冻融循环试验步骤[7]：

（1）将实验样品放入实验箱，模拟当地夏季气候。设置温度为25℃，湿度为75%的实验箱环境对样品进行干燥。当达到实验样品的缩限时，即可停止干燥。对样品进行抽气饱水，再次进行干燥，直至含水率变为20%。即完成1次干湿循环。

（2）模拟当地冬季气候。在样品外包裹一层保护膜，设置温度为-15 ℃的实验箱环境对样品进行冻结。冻结时间24h。在温度为15 ℃的实验箱环境进行融化24h，即完成1次冻融循环。

（3）完成步骤（1）之后，紧接着进行步骤（2）。即完成1次干湿—冻融循环。

通过多次循环试验，获取岩土体强度参数黏聚力C值和内摩擦角φ值随循环次数的变化特征。可以发现干湿—冻融循环较其他两种试验条件相比C值减小，最大φ值增加最大。不同循环实验条件下岩土体C，φ值变化如图1。

图1 C，φ值与循环次数关系曲线

岩土体强度参数（C，φ值）在完成首次实验后产生最大幅度的降低。在应力相同的情况下：

（1）8 次干湿循环后C 值降低42.5%，φ 值增大6.7%（与天然状态数据对比）。

（2）8 次冻融循环后C 值降低31.8%，φ 值增大4.8%（与天然状态数据对比）。

（3）8次干湿—冻融循环后C值降低50.4%，φ值增大10.5%（与天然状态数据对比）。

（4）岩土样冻融循环次数的增加，C值逐渐减小，φ值逐渐增大，但两者的减小和增大速率逐渐降低。

4 地基加固处理

目前常用的地基处理方法有5种类型： 置换法、压密法、排水固结法、加筋处理法及胶结法[8-10]。

置换法主要采用高强度的岩土体将天然地基中力学性质较差的岩土体进行置换，置换后的材料与周围岩土体形成较好的复合地基可以有效增强地基的承载力，目前主要应用于砂土、粉土、淤泥质土中。

压密法主要是将结构松散的岩土体进行挤密压实，首先在地基中钻孔填入碎石等材料，使地基受到侧向压力进行挤密压实，从而降低岩土体的孔隙率，增加密实度提高地基承载力。

排水固结法是使用外加荷载对结构松散、含水率较高的软土地基进行挤密压实同时将岩土体中的水快速排出，该方法能较好的提高地基承载力同时可以控制地基的沉降。

加筋处理法是在岩土体中加入强度较高的材料，由于土颗粒自身的抗拉强度较小可以忽略，这些材料的加入形成土—筋符合地基，可以有效增加土体的抗拉强度。

胶结法的基本原理为化学加固，使用浆液注入岩土体中，在挤密压实岩土体的同时又可以与周为岩土体形成较好的黏结，形成强度高、抗水性能好的胶结复合地基。这些方法是无数个工程实践经验的总结，在实际工程中取得了较好的效果。

研究可发现，该工程地基的破坏主要遭受含水率和冻胀作用控制。因此，针对工程特点采用压密、保温、渠道防渗的方法进行处理。地基处理如图2。

图2 地基处理示意

5 结语

（1）在寒冷地区引水渠道建设中，渠道防渗是一项重要的工程，遇到一旦发生渗漏不但会造成输送水源的效率对渠道下的地基也会产生不良的影响。工程的安全需要工程设计、施工等各个阶段的完美配合，一个环节的疏漏将会造成整个工程的破坏。

（2）通过公式计算，岩土体颗粒冻胀作用下体积变化率与岩土体含水率呈正相关关系，对于引水渠道建设过程中应严格控制渠道渗漏，防止地基岩土体含水率过高，在冻融作用下产生较大的体积变化，造成渠道结构破坏。

（3）通过室内的岩土体力学强度试验分析，在干湿—冻融作用下，岩土体强度将会产生较为明显的劣化，强度变化大于干湿循环和冻融循环分别造成的劣化特征。在寒冷地区水利工程建设应防止水工建筑周边岩土体遭受干湿和冻融的综合影响。

（4）通过研究确定灌区引水渠道建设中可能遇到的地基强度问题，具有针对性的提出适合当地条件的地基处理工程措施，取得了较好的效果。