基于有效固结力模型的河道堤防加固技术

摘 要：在众多基础设施建设中，河道堤防工程对确保水利工程项目稳定运转具有重要左右。本文提出了基于有效固结力模型的河道堤防加固技术，旨在提高河道堤防工程的稳定性和安全性。针对有效预应力模型的不足，构建有效固结力模型的理论方程并进行原理性分析。针对河道堤防基土加固问题，提出强化桩配合分层分块换填砂的地方加固措施。在河道堤防加固试验中，证实了有效固结力模型优于有效预应力模型，其基土固结度为45%时，可以确保河道堤防的安全。

关键词：河道堤防工程；加固技术；有效固结力；预应力

中图分类号：TV 87" " 文献标志码：A

大江大河沿岸修筑堤防工程是防治水患、引流疏导、有效利用水能的重要基础建设。因此，河道堤防工程也成为目前领域研究的热点[1]。充分考虑河道区域上、下层土质特点进行有针对性的设计是确保河道堤防工程安全性的关键所在。河道区域的土质以长期沉淀的细粒度土质结构为主，因此整体坚实度差、承载力低，在高强度的载荷作用下容易产生沉降[2]。再加上土质颗粒较细，容易在水浸情况下粘结，形成黏性的土质结构，渗透性差且容易产生滑移。综上所述，河道沿岸区域上、下层土质结构均有强度不足、承载力不够的缺点，易使其上兴建的堤防工程出现失稳、沉降和滑移等现象[3]。因此，对河道堤防工程尤其是其地基土、周边土进行加固就成为确保堤防安全的重点工作。加固河道堤防的方法包括对基土进行换填砂配合夯实、堆载配合顶部预压和强化桩嵌入等[4]。本文在有效固结力模型的基础上，提出了河道堤防工程的加固技术。

1 基于有效固结力模型的土质强化技术

如上所述，河道堤防工程的周边土尤其是基土存在强度不足的突出问题。为了使其适用于堤防工程的承载，可以在其上方预添加应力来提高土质强度。假设不进行任何前期处理，原有土质在自身重力的作用下也会因沉降、风化等自然因素出现固结，这种固结会增加土质结构的强度。此时，在其上施加预应力，可以进一步增加土质结构的强度。经验数据表明，初期的预应力可以将河道土质结构的前度提高50%以上，而长期施加预应力可以将河道土质结构的前度提高80%以上。施加预应力带来的土质强度增加称为应力固结模型，具体原理如下。

考察土质结构的强度，一般用其抵抗剪切作用的强度参数来表示，在施加应力的作用下，其抗剪切效果的前、后变化如公式（1）所示。

τ1=η（τ0+∆τ） （1）

式中：τ0表示没有施加预应力时河道土质结构表现出的初始抗剪切能力；τ1表示施加预应力后河道土质结构表现出的初始抗剪切能力；∆τ表示施加预应力前、后河道土质结构表现出的初始抗剪切能力的增量；η表示理论结果到实际结果的折算因子。

从公式（1）可以看出，施加预应力后河道土质结构表现出的初始抗剪切能力与2个因素有关。第一个因素是河道土质结构的初始抗剪切能力，第二个因素是河道土质结构的初始抗剪切能力在施加预应力后的增量。当然，这种关系体现为一定的倍数关系，这个倍数的大小即折算因子。

公式（1）中，∆τ的计算方法如公式（2）所示。

（2）

式中：σ0表示没有施加预应力时河道土质结构承受的自然应力；σ1表示施加预应力后河道土质结构承受的总应力；φ表示土质结构颗粒度对应的摩擦角。

从公式（2）可以看出，施加预应力前、后河道土质结构表现出的初始抗剪切能力的增量与3个因素有关。第一个因素是河道土质结构承受的自然应力，第二个因素是施加预应力后河道土质结构承受的总应力，第三个因素是土质结构颗粒度对应的摩擦角的余弦值。

从上述过程可以看出，在预应力理论的基本模型下，河道土质结构强度的变化可以建立有效的数学模型，但其难点是其中部分参数难以在实际中完成测量。例如，土质结构的抗剪切强度测算需要将土质孔隙压力作为测算基，但这并不容易得到。

针对预应力模型的不足，本文采用有效固结力模型来进行土质结构强度核算，河道土质结构在有效固结前、后的抗剪切能力增长如公式（3）所示。

∆τ=U∆σtanφ （3）

式中：∆τ表示施加预应力前、后河道土质结构表现出的初始抗剪切能力的增量；U表示经过加固处理后河道土质结构的实际固结程度；∆σ表示加固处理前、后河道土质结构承受的应力变化；φ表示土质结构颗粒度对应的摩擦角。

从公式（3）可以看出，施加预应力前、后河道土质结构表现出的初始抗剪切能力的增量与3个因素有关。第一个因素是加固处理后河道土质结构的实际固结程度，第二个因素是加固处理前、后河道土质结构承受的应力变化，第三个因素是土质结构颗粒度对应的摩擦角的正切值。

在公式（3）中，由于无法有效测得孔隙压力，因此很难计算∆σ。本文采用一种等效的计算方法，如公式（4）所示。

（4）

式中：∆σ表示加固处理前、后河道土质结构承受的应力变化；σ0表示没有加固处理前河道土质结构承受的自然应力；K表示固结增益系数。

至公式（4），本文得到了一个便于计算又可实际测得的模型，即有效固结力模型。接下来只要采取有效的加固方案，就可以应用公式（3）和公式（4）测算河道土质结构加固前、后抗剪切强度等特征的变化。

2 河道堤防工程基土的加固方案

本文针对河道堤防工程的实际情况，并结合河道土质结构特点，给出了具体的基土加固方案，如图1所示。

从图1可以看出，最上方为坝面，坝面以下为基土。为了改变原有基土的土质结构，获得更好的加固效果，本文采取了强化桩嵌入配合换填砂的加固方案。在该加固方案中，大量的强化桩以预先设定好的规律密集地嵌入原有基土中，构成坝底的支撑骨架。各排强化桩间自然隔离出均匀的空间，再在每一个空间内进行换填砂处理，具体如图2所示。

在相邻强化桩分隔出的每一个空间内，按照分块、分层的操作策略进行换填砂的土质强化，即以箱模成型，一块一块地植入强化桩隔离出的基土区域内。为了确保强度和固结效果，将每一块替换土分层填装、逐层压实，直至填充整个箱模。这样的操作流程和处理工艺可使换填砂最大强度地替代原有的软土土质，取得较好的河道堤防基土加固效果。

3 河道堤防工程的加固试验结果与分析

上文分析了基于预应力模型的加固方法原理，针对其不足又提出了基于有效固结力模型的加固方法，给出了详细的理论分析和模型推导过程，并基于有效固结力模型的基本原理，针对河道堤防工程的基土加固，提出了详细的加固方案，即密排强化桩结合分块分层换填砂的强化方案。下文将通过试验来验证加固处理后的效果。

第一组试验是分析在本文提出的加固方案下，河道堤防工程安全系数和基土固结度间的关系。试验过程中，同时选择有效预应力模型法和有效固结力模型法并进行比较，试验结果如图3所示。

在图3中，河道堤防工程的安全系数以1为分界线，1属于基本的安全状态，低于1表明河道堤防工程存在安全隐患，高于1表明河道堤防工程安全。安全系数越高，河道堤防工程的安全程度越高。从图3中的2组曲线变化结果可以看出，在本文的加固方法下，随着河道堤防工程基土固结度不断提高，河道堤防工程的安全系数也不断增加，但基于有效固结力模型法明显高于基于有效预应力模型法。在有效固结力模型下，基土固结度为45%左、右时，河道堤防工程即达到安全状态。而在有效预应力模型下，基土固结度需要达到75%左、右时，河道堤防工程才能达到安全状态。

第二组试验考察细颗粒度基土对加固效果的影响，结果如图4所示。细颗粒指的是基土颗粒较小，体现在参数指标上，其摩擦角为15°左右。

从图4中2条曲线的走势来看，随着河道堤防工程坡度比不断增大，加固后的安全系数均不断提高。而从2条曲线的对比情况来看，基于有效固结力模型法的安全系数一直高于基于有效预应力模型法的安全系数。

第三组试验考察粗颗粒度基土对加固效果的影响，结果如图5所示。粗颗粒度指的是基土颗粒较大，体现在参数指标上，其摩擦角为25°左、右。

从图5中2条曲线的走势来看，随着河道堤防工程坡度比不断增大，加固后的安全系数均不断提高。而从2条曲线的对比情况来看，坡度比低于1∶3.5时，基于有效固结力模型法的安全系数一直低于基于有效预应力模型法的安全系数。坡度比高于1∶3.5时，基于有效固结力模型法的安全系数开始高于基于有效预应力模型法的安全系数。

4 结论

河道堤防工程是防治水患、引流疏导和有效利用水能的重要基础建设。为了提升河道堤防工程的安全性，本文针对堤防工程的加固技术进行了研究。首先，分析了有效预应力模型和有效固结力模型的原理，并确定有效固结力模型为加固处理的理论模型。其次，提出了强化桩配合分层分块换填砂的地方加固措施。最后，从3个方面进行验证性试验研究，试验结果显示：在有效固结力模型下，基土固结度为45%左、右时，河道堤防工程可以达到安全状态；在基土为细颗粒度的情况下，基于有效固结力模型法的安全系数一直高于基于有效预应力模型法的安全系数；在基土为粗颗粒度的情况下，2种方法的安全系数交替上升。

参考文献

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[2]陈永平，戴振伟，邹广电.运用优化方法研究土坡稳定分析圆弧法的数值解[J].水利与建筑工程学报，2024，25（3）：51-54.

[3]何春保，王林彬，李高扬.基于Mindlin解的矩形均布荷载作用下的附加应力[J].岩土工程学报，2018，40（3）：533-539.

[4]贾煜，杨龙才，王炳龙.条形抛物线荷载下桩网结构路基的附加应力计算[J].岩石力学与工程学报，2023，32（2）：4098-4104.