基于物理模型的河道堤软土地基加固处理的试验研究

赵 波

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，沈阳 110003)

0 前 言

河道堤软土地基受河道渗水影响，其加固方式十分困难，且洪水期受砂土液化影响也较大，使得其稳定性设计较为困难[1]。对于河道堤软软土地基加固的方式在近些年逐步被广泛研究[2-9]，但均未能得到一个普遍适用性的加固方式，这些成果大都针对于研究区域河道堤软土地基的特点进行加固处理方式的研究，未能对通用加固方式进行分析。当前，一种振冲置换加固方法在一些闸坝软土地基加固中得到应用，这种加固方式通过对软土地基进行孔隙压实，降低孔隙比，来提高软土地基的静力荷载和稳定性，加固效果好于传统加固方式。但振冲置换加固方法在河道堤软软土地基加固中应用还较少。为此文章结合此加固新方法，并通过物理模型试验的方式对加固效果进行探讨。研究成果对于河道堤软土地基加固方法具有重要的参考价值。

1 振冲置换加固方案

振冲置换加固方案主要原理在于通过将振动波在软土地基饱和砂土之间进行传播，使得附件的砂土被振动液化，在传统压力作用下软土地基附件的砂土颗粒进行重新组合，在传导力作用下地基砂土孔隙比被逐步压缩密实，相比于未加固前地基通过振动置换后其静力荷载得到进一步提升，抗震性能由于砂土孔隙比的变化得到增强。

按照地基处理规范进行振冲置换加固试验，对每个振冲加固桩的间距设置为2.5m，振动试验测定桩采用等腰三角形方案进行布设，探坑的深度主要设定在3.5m范围之内，贯入抨击试验冲击的深度保持在6.5m作用。分别按照5%、10%、20%洪水频率进行抗滑试验的稳定性分析。地基初始的抗剪指标计算方程为:

Csp=(1-ω)Cs

(1)

式中：ω为置换系数，取值为0.8；Cs为地基处于天然条件下的抗剪指标。振冲置换方法中置换率m采用以下方程进行计算：

(2)

式中：D为振动固定桩的直径，m；De为相邻两个固定桩之间的间距，m。对于复合地基其抗剪强度指标及承载力计算方程分别为：

ψ=ωψ+(1-ω)φ

(3)

Fksp=m×Rp+(1m)×Fk

(4)

式中：Fksp为复合地基承载力，kPa；Rp为承载能力标准值，kPa；Fk为相邻加固桩之间的承载能力标准值，kPa。

2 基于振冲置换法河堤软土地基加固处理试验

2.1 试验概况

试验采用天然河砂作为河堤软土地基的主要材料，边波比降设置为1∶2.5，整个试验河段的剖面宽度为3.94m，直径为0.42mm的天然砂构筑形成全部河道堤段。泥沙地基的厚度为20cm，试验河段地基抗剪指标，见表1；模型剖面图，见图1。

表1 试验河段地基抗剪指标

图1 模型剖面图

3.2 加固试验测定结果

3.2.1 密实度分析

结合贯入以及探坑抨击试验对不同加固桩进行密实度试验分析，主要探讨振冲和抨击对各试验点孔隙比的影响，不同加固桩各探坑深度等级下密实度试验结果，见表2；不同贯入抨击深度和次数下的密实度试验结果，见表3。

表2 不同加固桩各探坑深度等级下密实度试验结果

表3 不同贯入抨击深度和次数下的密实度试验结果

从振冲试验下的地基加固处理后的密实度分析结果可看出，随着探坑深度的递增，其振冲试验前以及加固处理后的地基砂土密实度以及加固直径都有所增加，振冲试验的传导力使得软土地基周围的砂土颗粒被从新组合，在传导压力作用下地基孔隙逐步被缩小，地基加固效应逐步显现。此外1#加固桩随着探坑深度的增加其密实度的变化要高于其他加固桩，这主要是因为1#加固桩附件的细砂颗粒较多，使得其密实度高于其他细砂颗粒较小的加固桩。从贯入抨击试验可分析出，随着贯入深度的增加，河堤软土地基密实度提高百分率明显增加，各加固桩软土地基密实度增加百分率都要>10%，此外振冲次数对不同加固桩附件砂土密实度影响相对较小，尤其是当深度>8.5m后，其密实度的提高百分比变化较小。这主要是因为当振冲次数达到最大时，软土地基的密实度也区域最高值，孔隙比不能再减小，因此其密实度提高百分率也逐步趋于稳定变化。

3.2.2 抗液化试验分析

结合贯入抨击试验对振动置换加固方法下砂土液化影响进行试验分析，振动置换加固方法下砂土液化试验结果，见表4。

表4 振动置换加固方法下砂土液化试验结果

从振动置换各加固桩附件的砂土液化试验分析结果可看出，当随着贯入抨击试验次数的增加，其砂化程度逐步显现，对于1#加固桩附近的砂土而言，当抨击次数在100-133次时，其出现液化，当随着抨击次数的增加其未出现液化现象，这主要是因为随着抨击次数的增加，一开始软土地基周围的细砂颗粒重新组合，这时候较易出现砂土液化的现象，而随着贯入抨击次数的增加，砂土密实度逐步提高，孔隙比递减，砂土抗液化的能力提高，这时候不易出现液化的情况。而当抨击次数减少而贯入深度增加后，细砂颗粒的密实度逐步降低，使得其再次出现砂土液化的情况，而2#加固桩和3#加固桩随着贯入深度其砂土液化的变化和1#加固桩一致。

3.2.3 软土地基加固后的承载力试验

在对软土地基砂土抗液化试验分析的基础上，结合静载负荷试验的方式对不同荷载下软土地基的稳定度以及沉降量进行分析，振冲置换加固处理后的地基应力和沉降量试验结果，见表5。

表5 振冲置换加固处理后的地基应力和沉降量试验结果

从加固桩的剪切应力和地基沉降试验分析结果可看出，随着荷载不断提高其地应力也逐步提升，从各加固桩的地基沉降变化可看出，随着荷载的增加，砂土地基的沉降0.0-22.88mm之间变化，4#加固桩地基沉降变化最大，这主要是因为4#加固桩在振动置换条件下其附近细砂颗粒孔隙比较大，密实度要<相同深度下的其他加固桩，因此其抗剪稳定性要低于其他加固桩附件的砂土地基，因此其地基沉降值要高于其他加固桩，1#加固桩附件砂土由于密实度较高，使得其在不同静力荷载作用下沉降值明显要低于其他加固桩，其地基加固效应最优。各加固桩静力荷载分布较为相似，随着地基应力的增加，其静力荷载也逐步加大，相比于未加固处理前的地基，采用振冲置换法对堤坎软土地基的加固使得其地基承载能力明显增强。

3.2.4 地基抗滑系数试验分析

分别按照10%、15%、25%洪水频率进行抗滑试验的稳定性分析，各加固处理方案下的地基抗滑稳定系数分析结果，见表6。

续表6 各加固处理方案下的地基抗滑稳定系数分析结果

从不同加固方案下的抗滑稳定系数分析结果可看出，采用振冲置换法对堤坎软土地基进行加固处理后，不同洪水频率下其抗滑稳定性系数均较高，其中方案1对碎石地基进行部分挖除的加固方案其抗滑稳定系数最高，而对于其他加固桩而言，由于其复合地基的影响，其采用振冲置换进行地基加固好，其抗滑稳定性系数均要好于天然地基的抗滑稳定性系数，相比于加固前，其不同深度下的复合地基抗滑稳定性系数提高比例约为20%。受振冲置换加固作用下，不同加固桩周围砂土密实度提高，孔隙比降低，其内摩擦角也有所增加，使得堤坎软土地基的抗滑稳定性能得到增强。

3 结 论

1)随着探坑深度的递增，其振冲试验前以及加固处理后的地基砂土密实度以及加固直径都有所增加，振冲试验的传导力使得软土地基周围的砂土颗粒被从新组合，在传导压力作用下地基孔隙逐步被缩小，地基加固效应逐步增强。

2)随着抨击次数的增加，初始阶段软土地基周围的细砂颗粒重新组合，这时候较易出现砂土液化的现象，而随着贯入抨击次数的增加，砂土密实度逐步提高，孔隙比递减，砂土抗液化的能力将提高。

3)随着地基应力的增加，其静力荷载也逐步加大，相比于未加固处理前的地基，采用振冲置换法对堤坎软土地基的加固使得其地基承载能力明显增强。

4) 相比于加固前，其不同深度下的复合地基抗滑稳定性系数提高比例约为20%。受振冲置换加固作用下，不同加固桩周围砂土密实度提高，孔隙比降低，其内摩擦角也有所增加，使得堤坎软土地基的抗滑稳定性能得到增强。