农田水利工程软土地基联合加固效果分析

扈长霞

(东营市河口区水利灌溉管理站，山东 东营 257200)

1 软土地基加固法及数值分析设计

1.1 联合加固法施工设计

强夯法是将重量数百吨的重锤从一定的高度自由落下，利用重锤产生的动力对土体进行夯击，孔隙水排出地表使土层强制压密从而减少其压缩性，是提高土体强度的一种施工方法，适用于软土地基加固，但强夯法在施工过程中振动噪音较大，影响施工条件，强夯法的动力密实原理如图1所示。对于软土地基的加固还可以使用井点降水法，在基坑开挖前，在基坑四周埋设滤水管，利用抽水设备保持所挖土层含水率始终处于低值，有利于地基的机械施工，缩短施工工期[1-2]。因此，针对山东东营某农田水利工程软土地基的土层特性，将这两种加固技术进行联合使用，结合各自优势提高加固地基工程施工效果。

图1 土体压实过程

联合法利用井点降水法的较大排气量减轻强夯技术的超静孔隙水压力，施工前充分了解施工地的地质地层构造、地下水分布情况，结合工程设计规范与标准计算地基承载力与均匀性及安全稳定性，进而确定重锤的起重、加固深度、夯击能量等相关操作参数。综合工程施工布置情况以及地质勘察数据确定夯击点的布置。确定初步施工方案时，需进行试夯。根据工程前期勘察报告，在现场施工区域内选取一个工程代表区域作为试探点，通过原位试验得到的初步试验数据编制并修正初步强夯施工方案，施工流程图如图2所示。

图2 强夯法施工工序

在正式施工阶段，清理平整场地后，将起重机夯锤对准夯点位置，核实夯锤的高程，夯锤自由下落后又测定新高程，重复以上操作直至场地全部夯击完成。达到间隔时间后根据规范标准重新测量夯击后的场地高程，完成所有夯击遍数。施工结束后，检测施工的记录和操作数据记录，并在施工完成后地基承载力检验和工程验收。

此次研究选用梅那法对加固深度进行大致确定，并根据土层性质对加固深度修正，结合地基处理厚度进一步确定强夯级能的选择。根据梅那理论，强夯加固的极值大约为15 MPa，加固深度越深，夯击能与锤底面积也相应增大。当锤底的挤压力大于土的侧边约束力时，此时的夯击能恰好使土体隆起，夯击能为极限夯击能。锤底面积及夯锤形状与冲击应力分布有关，影响有效加固深度，合适的锤形及夯底面积才能实现理想的施工效果，此次研究采用圆形夯锤，每夯击点夯击15次，夯击间歇时间为1周。夯击点的间距根据土层性质和加固深度确定，合适的夯击间距有利于夯击能的传递，实现地基土的加固。施工结束后，引入静力触探试验和标准贯入试验两种试验方法对工程联合法的加固地基土体施工效果进行分析，对联合强夯和井点降水法的加固技术做出更准确的评价[3-4]。

1.2 联合加固法数值模拟分析设计

数值分析方法是研究用计算机求解数学计算问题的方法及其理论的学科，联合强夯法处理农田水利工程地基加固问题机理复杂，可利用数值分析方法来解决强夯法的非线性问题。专业的岩土工程三维分析软件FLAC 3D可帮助土木、交通以及水利工程进行检测及分析，解决有限元软件难以模拟的复杂工程问题。FLAC 3D含有多种可变化边界方位的边界条件，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，实现特定地下水位有效应力计算等，功能强大。FLAC 3D的参数化建模十分高效，同时支持FISH语言和二次开发，可方便地实现众多复杂的功能，具有强大的后处理功能。因此，使用FLAC 3D仿真软件建立夯击作用下加固软土地基的数值模型[5-7]。

根据实际工程土体变化特点，建立模型时仅考虑重力作用，夯击能影响范围以外地基变形可以忽略，假设夯锤底部始终保持水平。研究采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，破坏状态定义为产生塑性破坏的最大应力状态，屈服方程见式(1)。

(1)

式中：fs为屈服强度，MPa；σ1为小主应力，MPa；σ3为大主应力，MPa；φ为内摩擦角，(°)；c为土体黏聚力，kPa；σt为土层张拉强度，MPa。

建模参数设置时，需对土体模型不同单元进行网格划分，网格划分是进行数值模拟分析至关重要的一步，直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。网格划分涉及单元的形状及其单元类型、网格生成器的选择、网格的密度以及单元的编号等，网格越小、越密，分析软件的结果精度就越高，但同时对计算机的硬件要求也较高；反之，网格越大、越粗糙，分析软件的结果精度就越低。网格密度的增加会使分析软件的结果趋于唯一解，当细分网格所得到的解变化不大时，网格收敛。研究采用六面体网格划分，把三维实体分成几个大的20节点六面体区，然后使用形函数映射技术把各个六面体区域映射为很多细小的8节点六面体单元[8]。

边界条件设定为黏性边界，黏性边界也称阻尼器边界。在模型边界处设置阻尼器，阻尼器产生的阻尼力吸收逸散波能，黏性力计算如式(2)。

(2)

式中：tn、ts分别为法向、切向黏性力，N/m2；ρ为介质密度，kg/m3；cp、cs分别为p波、s波的波速，m/s；νn、νs分别为法向、切向的速度分量，m/s。

利用应力时程的方式输入FLAC 3D动载；瑞利阻尼简单、方便，采用瑞利(Rayleigh)阻尼来确定机械阻尼，假设结构的阻尼矩阵是质量矩阵和刚度矩阵的组合。建模时将土层视为同一种土体，计算体积模量和剪切模量用于确定除横观弹性和正交弹性材料之外的数值计算模式，参数换算公式见式(3)。

(3)

式中：K为体积模量，Pa；G为剪切模量，Pa；E为弹性模量，Pa；υ为泊松比。

2 联合法处理软土地基施工效果分析

2.1 联合法的试验研究和效果分析

在山东东营某一农田水利工程施工现场，将J-3圆锥形探头以匀速旋入施工场地的选定试验点，锥头截面面积为12 cm3，速度大小1.5 m/min，静力触探试验测试点布置如图3所示，包含5个夯击观测点和3个测试点。并测量贯入阻力，进而根据静力触探曲线的形态确定土层工程性质，进行土层分界。

图3 试验区测试点布置

夯击前后前后静力触探曲线图如图4所示，静力触探曲线图横坐标为土层深度值，代表地下深度负值大小；纵坐标为比贯入阻力，比贯入阻力的大小与锥尖阻力和侧摩擦阻力大小有关。由图4可见，夯击前后曲线对比明显，联合强夯法与井点降水法的软土地基加固施工效果良好，可以满足东营地区农田工程的施工要求。测试点1、测试点2、测试点3的静力触探曲线处理前后的变化规律相似，0～4 m之间的土层比贯入阻力的大小提升最为明显，对于测试点1，3 m左右的土层比贯入阻力大小提升幅度达90%；由测试点3的静力触探曲线可知，联合法处理地基之后，最大比贯入阻力为10.5 MPa。结果表明，联合法对于0～4 m之间的浅层土体加固效果最为显著。同时，根据静力触探曲线还可大致判断东营地区的软土层主要由淤泥质黏性土和黏土组成。

图4 测试点强夯前后静力触探曲线

标准贯入试验将重的锤重从高度出落下，然后将标准规格的开管式的贯入器打入土中，根据贯入阻抗判断土体工程性质。测试点地基夯击处理前后土层的物理力学性质结果见表1，由表1可见，联合强夯处理前，淤泥层的标准贯击平均数为6.4击，处理后，淤泥层的标准贯击平均数为7.8击，增加了21.88%；处理前，黏土层的标准贯击平均数为9.6击，处理后，黏土层的标准贯击平均数为10.6击，增加了10.42%。由于联合强夯的夯击能有效加固深度有限，对于更深土层的黏土层加固效果不如淤泥层，强夯法对于浅层土的加固压密效果更好。夯击后，淤泥层和黏土的含水率较处理前分别降低了17.86%、19.00%，淤泥层和黏土的孔隙比较处理前分别降低了28.70%、9.38%，联合加固法对软土的物理性质改变较大。淤泥层的压缩系数由0.51降至0.43，黏土层压缩系数由0.45降至0.36；淤泥层的黏聚力由9.24 kPa增加至19.48 kPa，黏土层的黏聚力由10.37 kPa增加至21.49 kPa，最大增幅达111%。由各项指标具体数值可见，土体的工程性质与力学强度得到改善。

表1 试验区地基处理前后土层的物理力学性质

2.2 软土地基数值模拟结果分析

根据静力触探试验所得数据参照《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)利用数值分析软件进行土体承载力计算，计算结果如图5所示。由图5可见，淤泥层和黏土层经联合夯击后地基承载力均得到有效提升，处理后所有测试点土层的承载力均在120.0 kPa以上，处理后测试点最小承载力为132.4 kPa，最大承载力为180.2 kPa，而《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)中要求淤泥层、黏土层的设计承载力最小值分别为110.0 kPa、130.0 kPa，可见施工效果满足设计要求。由具体数值分析可知对于三个测试点的淤泥土层、黏土层承载力提升幅度分别为114.5%、82.4%、124.3%、190.8%、146.9%、69.1%，测试点2的黏土层土体承载力增加将近2倍，加固效果显著。

图5 地基承载力变化

对FLAC-3D建立联合加固作用下软土地基的数值模型进行结果分析，位移变化曲线如图6所示。由图6可见，随着土层深度的增加，土体竖向位移变化曲线均呈下降趋势，在浅图层区域夯击作用下土体竖向位移变化较大；土层深度相同时，夯击时间越长，土体竖向位移越大，夯击时间为0.03 s时，土体表层模拟竖向位移大小为32.2 cm；夯击时间为0.01 s时，土体表层模拟竖向位移大小仅2 cm。结合FLAC-3D软件模拟工程状况来看，联合加固法作用下加固土体的水平位移沿夯锤的外侧水平增大，竖向与周边的土体都被压实紧密，随着时间的增加，水平位移与竖向位移值都不断增加，联合加固法对土体的挤密压实效果显著。

图6 位移变化曲线

土体孔隙水压变化如图7所示，FLAC-3D软件只考虑自身渗透能力，不考虑井点降水的贡献。由图7数值模拟曲线可见，随着土层深度增加，孔隙水压大小呈先减小后增大的趋势。以强夯作用时间为0.20 s为例，在土层深度0～3 m的深度范围内，超孔水压力随着深度增加而减小，超孔水压值由45 000 Pa下降至3000 Pa；在-7～-3 m范围内，超孔水压值由3000 Pa上升至59 000 Pa。相同深度条件下，强夯作用时间在0.01 s到0.05 s范围内，孔隙水压力逐渐增加，时间在0.10 s到0.20 s范围内，孔隙水压力有减小趋势，孔隙水压力大致呈先增大后减小的规律。

图7 土层深度对超孔压的影响规律

3 结 论

为了保证东营地区农田水利工程的软土地基加固施工效果，工程联合使用了强夯法与井点降水法。试验结果表明，夯击后比贯入阻力最大提升90.00%，联合法对于0～4 m的浅层土体加固效果最优；夯击后淤泥层、黏土层的标准贯击分别增加了21.88%、10.42%；土层的含水率、孔隙比以及压缩系数均有降低，黏聚力增幅可达111.00%。数值分析表明，夯击后地基承载力明显提升，最高土体承载力增加近2倍；土体水平与竖向位移均有增加，孔隙水压随土层深度增大呈先减小后增大的趋势。联合法在该地区农田水利工程软土地基加固施工效果良好，但研究数值模型单一简单，有待优化。