基于物理模型的河道堤軟土地基加固處理的試驗(yàn)研究

趙 波

(遼寧澤龍水利實(shí)業(yè)有限責(zé)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(wěn)定性設(shè)計(jì)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(qū)域河道堤軟土地基的特點(diǎn)進(jìn)行加固處理方式的研究，未能對通用加固方式進(jìn)行分析。當(dāng)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(yīng)用，這種加固方式通過對軟土地基進(jìn)行孔隙壓實(shí)，降低孔隙比，來提高軟土地基的靜力荷載和穩(wěn)定性，加固效果好于傳統(tǒng)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(yīng)用還較少。為此文章結(jié)合此加固新方法，并通過物理模型試驗(yàn)的方式對加固效果進(jìn)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(jìn)行傳播，使得附件的砂土被振動液化，在傳統(tǒng)壓力作用下軟土地基附件的砂土顆粒進(jìn)行重新組合，在傳導(dǎo)力作用下地基砂土孔隙比被逐步壓縮密實(shí)，相比于未加固前地基通過振動置換后其靜力荷載得到進(jìn)一步提升，抗震性能由于砂土孔隙比的變化得到增強(qiáng)。

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

Csp=(1-ω)Cs

(1)

式中：ω為置換系數(shù)，取值為0.8；Cs為地基處于天然條件下的抗剪指標(biāo)。振沖置換方法中置換率m采用以下方程進(jìn)行計(jì)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(fù)合地基其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及承載力計(jì)算方程分別為：

ψ=ωψ+(1-ω)φ

(3)

Fksp=m×Rp+(1m)×Fk

(4)

式中：Fksp為復(fù)合地基承載力，kPa；Rp為承載能力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Fk為相鄰加固樁之間的承載能力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

2 基于振沖置換法河堤軟土地基加固處理試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

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

表1 試驗(yàn)河段地基抗剪指標(biāo)

圖1 模型剖面圖

3.2 加固試驗(yàn)測定結(jié)果

3.2.1 密實(shí)度分析

結(jié)合貫入以及探坑抨擊試驗(yàn)對不同加固樁進(jìn)行密實(shí)度試驗(yàn)分析，主要探討振沖和抨擊對各試驗(yàn)點(diǎn)孔隙比的影響，不同加固樁各探坑深度等級下密實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果，見表2；不同貫入抨擊深度和次數(shù)下的密實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果，見表3。

表2 不同加固樁各探坑深度等級下密實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

表3 不同貫入抨擊深度和次數(shù)下的密實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

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

3.2.2 抗液化試驗(yàn)分析

結(jié)合貫入抨擊試驗(yàn)對振動置換加固方法下砂土液化影響進(jìn)行試驗(yàn)分析，振動置換加固方法下砂土液化試驗(yàn)結(jié)果，見表4。

表4 振動置換加固方法下砂土液化試驗(yàn)結(jié)果

從振動置換各加固樁附件的砂土液化試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，當(dāng)隨著貫入抨擊試驗(yàn)次數(shù)的增加，其砂化程度逐步顯現(xiàn)，對于1#加固樁附近的砂土而言，當(dāng)抨擊次數(shù)在100-133次時，其出現(xiàn)液化，當(dāng)隨著抨擊次數(shù)的增加其未出現(xiàn)液化現(xiàn)象，這主要是因?yàn)殡S著抨擊次數(shù)的增加，一開始軟土地基周圍的細(xì)砂顆粒重新組合，這時候較易出現(xiàn)砂土液化的現(xiàn)象，而隨著貫入抨擊次數(shù)的增加，砂土密實(shí)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(xiàn)液化的情況。而當(dāng)抨擊次數(shù)減少而貫入深度增加后，細(xì)砂顆粒的密實(shí)度逐步降低，使得其再次出現(xiàn)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(yàn)

在對軟土地基砂土抗液化試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合靜載負(fù)荷試驗(yàn)的方式對不同荷載下軟土地基的穩(wěn)定度以及沉降量進(jìn)行分析，振沖置換加固處理后的地基應(yīng)力和沉降量試驗(yàn)結(jié)果，見表5。

表5 振沖置換加固處理后的地基應(yīng)力和沉降量試驗(yàn)結(jié)果

從加固樁的剪切應(yīng)力和地基沉降試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，隨著荷載不斷提高其地應(yīng)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?yàn)?#加固樁在振動置換條件下其附近細(xì)砂顆?？紫侗容^大，密實(shí)度要<相同深度下的其他加固樁，因此其抗剪穩(wěn)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(shí)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(yīng)最優(yōu)。各加固樁靜力荷載分布較為相似，隨著地基應(yīng)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(qiáng)。

3.2.4 地基抗滑系數(shù)試驗(yàn)分析

分別按照10%、15%、25%洪水頻率進(jìn)行抗滑試驗(yàn)的穩(wěn)定性分析，各加固處理方案下的地基抗滑穩(wěn)定系數(shù)分析結(jié)果，見表6。

續(xù)表6 各加固處理方案下的地基抗滑穩(wěn)定系數(shù)分析結(jié)果

從不同加固方案下的抗滑穩(wěn)定系數(shù)分析結(jié)果可看出，采用振沖置換法對堤坎軟土地基進(jìn)行加固處理后，不同洪水頻率下其抗滑穩(wěn)定性系數(shù)均較高，其中方案1對碎石地基進(jìn)行部分挖除的加固方案其抗滑穩(wěn)定系數(shù)最高，而對于其他加固樁而言，由于其復(fù)合地基的影響，其采用振沖置換進(jìn)行地基加固好，其抗滑穩(wěn)定性系數(shù)均要好于天然地基的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)，相比于加固前，其不同深度下的復(fù)合地基抗滑穩(wěn)定性系數(shù)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(shí)度提高，孔隙比降低，其內(nèi)摩擦角也有所增加，使得堤坎軟土地基的抗滑穩(wěn)定性能得到增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

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

2)隨著抨擊次數(shù)的增加，初始階段軟土地基周圍的細(xì)砂顆粒重新組合，這時候較易出現(xiàn)砂土液化的現(xiàn)象，而隨著貫入抨擊次數(shù)的增加，砂土密實(shí)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(yīng)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(qiáng)。

4) 相比于加固前，其不同深度下的復(fù)合地基抗滑穩(wěn)定性系數(shù)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(shí)度提高，孔隙比降低，其內(nèi)摩擦角也有所增加，使得堤坎軟土地基的抗滑穩(wěn)定性能得到增強(qiáng)。