高安水庫溢洪道場(chǎng)地軟弱土體固化改良設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)研究

鄒福華

(江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

1 概 述

地基作為水利工程、建筑工程的重要組成部分，其承載能力是上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)，但各類工程中常出現(xiàn)軟弱土、淤泥質(zhì)土等不良地基[1-2]，因而針對(duì)地基不良土體開展治理技術(shù)研究，有助于推動(dòng)地基與基礎(chǔ)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)水平[3]。石經(jīng)緯[4]、魯曉旭等[5]針對(duì)工程地基土體承載力較弱的問題，采用夯實(shí)、換填土等地基處理技術(shù)，提高了地基土體承載能力，并對(duì)施工技術(shù)工藝進(jìn)行了優(yōu)化提升。當(dāng)然，地基處理不僅限于此，也有陳賢可等[6]、劉維正等[7]從人工復(fù)合地基處理技術(shù)考慮，研究了CFG樁等樁網(wǎng)復(fù)合地基設(shè)計(jì)問題，通過樁土一體化協(xié)同，提升地基承載能力，解決地基承載不夠、沉降過大等問題。人工干預(yù)不僅局限于樁基設(shè)計(jì)，通過物化改性方法，同樣可以解決地基土體不良的問題，高洪濱[8]、陳超等[9]開展了改良土體力學(xué)試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了注漿固結(jié)、高聚物改性等物化改良方案，由試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)改良土工程力學(xué)特征，對(duì)地基土體改良設(shè)計(jì)研究具有參考價(jià)值。為研究高安水庫溢洪道場(chǎng)地地基軟弱土體沉降過大、承載力不足的問題，本文從固化劑類型的遴選、固化劑摻量與原狀土含水率狀態(tài)的設(shè)計(jì)入手，為實(shí)際工程土體改良設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 工程背景與試驗(yàn)方法

2.1 工程概況

高安水庫位于錦河北岸支流蘇溪河上游，其位置在錦河與蘇溪河交匯后下游15km，對(duì)控制錦河上游支流河道流量、水位調(diào)節(jié)以及防洪排澇具有重要價(jià)值。該水庫由溢洪道、引水樞紐以及防洪主、副壩工程等組成，水庫樞紐控制流域面積超過30km2，可滿足高安標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田建設(shè)，年供應(yīng)農(nóng)業(yè)用水量超過2000萬m3，引水樞紐投入運(yùn)營(yíng)，有助于緩解城區(qū)地下用水緊張，對(duì)提升地區(qū)城防安全、用水安全均有正面作用。2020年上半年江西發(fā)生重大洪水災(zāi)害，贛江上、中游各水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間警戒，各節(jié)制閘水位常出現(xiàn)過流、漫流等現(xiàn)象，對(duì)錦河干流、蘇溪河支流產(chǎn)生影響，高安水庫泄洪壓力劇增，庫水量在短短一周內(nèi)增大了26.5%，達(dá)設(shè)計(jì)庫容量的95%，水庫各水工設(shè)施運(yùn)營(yíng)出現(xiàn)停滯、掉頻現(xiàn)象，泄流設(shè)施無法滿功率完成泄流，原溢洪道設(shè)計(jì)最大泄流量300m3/s，受上游洪水挾沙影響，閘前泥沙淤積厚度接近閘室底板高度，無法有效泄洪運(yùn)營(yíng)。得益于贛江吉安中游段、贛江下游南昌段各類水工設(shè)施的泄流以及鄱陽湖水位調(diào)節(jié)，警戒水位安全過境。但不可忽視的是，汛期過后，高安水庫部分水工設(shè)施出現(xiàn)損壞，尤以溢洪道受損嚴(yán)重。高安水庫溢洪道進(jìn)水渠段，左、右襯砌結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，原漿砌石塊石襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)移位，溢洪道泄槽段支撐結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)沉降、回填土塌陷等現(xiàn)象，兩側(cè)高2.2m的翼墻結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了一定沉降，測(cè)量表明最大沉降量達(dá)到12cm，位于泄槽段與控制段交界面閘墩后85.5m處(見圖1)。作為高安水庫的重要泄洪設(shè)施，對(duì)溢洪道開展除險(xiǎn)加固很有必要，但工程加固設(shè)計(jì)應(yīng)“對(duì)癥下藥”。根據(jù)工程設(shè)計(jì)部門調(diào)查，目前，溢洪道出現(xiàn)的沉降問題乃是重中之重，而沉降根源是溢洪道所在場(chǎng)地在長(zhǎng)期的地表、地下徑流活動(dòng)下，原淤泥質(zhì)軟土層順勢(shì)沉降，直接導(dǎo)致了上部溢洪道泄槽、出水渠、翼墻等結(jié)構(gòu)塌陷。為此，工程部門首先要開展對(duì)高安水庫溢洪道場(chǎng)地淤泥質(zhì)軟土層的改良治理。

圖1 擋墻幾何設(shè)計(jì)

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要為探討淤泥質(zhì)軟土改良設(shè)計(jì)方案，提升高安水庫溢洪道場(chǎng)地地基承載力，因而計(jì)劃通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比方法，評(píng)價(jià)不同固化劑對(duì)地基土體力學(xué)特征的影響，并基于所選擇的固化劑類型，對(duì)地基土體的改良設(shè)計(jì)方案開展分析，包括改性劑摻量、原狀土含水狀態(tài)?；谕馏w三軸力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行改良土力學(xué)對(duì)比，試驗(yàn)設(shè)備見圖2。試驗(yàn)系統(tǒng)配置有精密液壓油動(dòng)力活塞裝置，可實(shí)現(xiàn)不論是高或低應(yīng)力加載，動(dòng)力裝置振頻均不超過0.01Hz，且三軸圍壓裝置最大荷載可達(dá)10MPa，軸向荷載最大可達(dá)100kN。加載裝置為裝配式平臺(tái)，可對(duì)圓柱體、長(zhǎng)方體等不同類型尺寸的試樣適配，同時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置安裝至試樣周身的軸、環(huán)向位移監(jiān)測(cè)傳感器，均可與試樣尺寸契合。中控系統(tǒng)有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理與八通道數(shù)據(jù)傳輸裝置，所有數(shù)據(jù)采集間隔均為1s，其中LVDT裝置安裝在加載平臺(tái)外，量程為-20～20mm。所有試驗(yàn)傳感器在開始第一個(gè)試樣加載前均完成標(biāo)定，減少了試驗(yàn)設(shè)備誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。

圖2 三軸土體試驗(yàn)設(shè)備

從溢洪道工程現(xiàn)場(chǎng)塌陷區(qū)段鉆孔取樣，獲得淤泥質(zhì)軟土體(見圖3)，該類型土體黏粒含量較高，可達(dá)24.5%，多個(gè)地段的鉆孔表明，淤泥質(zhì)軟土層厚度超過4m，而涉及溢洪道場(chǎng)地的軟土體含水率分布差異較大，為14%～25%，室內(nèi)細(xì)觀觀測(cè)表明，顆粒粒徑最大未超過1.6mm，全場(chǎng)地試樣顆粒級(jí)配均勻。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室中對(duì)原狀土樣進(jìn)行重塑[10-11]，并按照不同含水率試驗(yàn)組分類，在制樣過程中混入定量的固化劑，分別為鈣化物改性劑、硅鋁酸鹽改性劑、水泥混合改性劑、堿性物改性劑四種類型，摻量分別為1.5%。所制備的試樣見圖4，直徑、高度分別為50mm、100mm，制備后所有試樣在真空飽和箱內(nèi)完成飽和，養(yǎng)護(hù)12h后進(jìn)行飽和不排水三軸試驗(yàn)。

圖3 地基軟土體

圖4 試樣制備

試驗(yàn)中設(shè)定圍壓為100kPa、250kPa、400kPa、550kPa，在四種改性劑的對(duì)比下，確定最優(yōu)固化劑類型。基于所選擇的最優(yōu)固化劑，開展地基土體改良設(shè)計(jì)方案的對(duì)比試驗(yàn)，從固化劑的摻量以及原狀土體狀態(tài)兩方面入手，前者因素固化劑摻量分別設(shè)定有0.5%、2%、3.5%、5%、6.5%、8%，后者原狀土狀態(tài)以含水率為對(duì)比參量，設(shè)定為14%、16%、18%、20%、22%、24%?；趦纱笠蛩馗牧剂W(xué)試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)該溢洪道場(chǎng)地軟弱土體改良設(shè)計(jì)治理最優(yōu)方案。

3 不同固化劑類型下地基土體力學(xué)特性

不同固化劑類型下地基土體力學(xué)試驗(yàn)的典型圍壓下應(yīng)力應(yīng)變特征見圖5。由圖5可知，四種固化劑中三軸應(yīng)力水平最高為硅鋁酸鹽改性劑，而不論是何種固化劑，三軸應(yīng)力水平均高于原狀土試樣。在圍壓100kPa下，當(dāng)試樣變形為2%時(shí)，硅鋁酸鹽改性劑改良試樣應(yīng)力為185.8kPa，而鈣化物改性劑、水泥混合改性劑、堿性物改性劑相應(yīng)改性土體在該應(yīng)變時(shí)加載應(yīng)力較其分別減少了62.1%、18.2%、48.2%，相比之下，軟弱土試樣在該應(yīng)變點(diǎn)時(shí)應(yīng)力僅為48.5kPa。從三軸峰值應(yīng)力對(duì)比來看，鈣化物改性劑、水泥混合改性劑土體試樣峰值應(yīng)力分別為148.1kPa、245.7kPa，而硅鋁酸鹽改性劑改良土試樣、堿性物改性劑試樣峰值應(yīng)力較之鈣化物改性劑下分別增長(zhǎng)了89.1%、42.4%，以鈣化物改性劑對(duì)土體承載應(yīng)力水平提升效果最弱。當(dāng)圍壓增大至400kPa后，四種改性劑試樣中應(yīng)力水平最高的仍為硅鋁酸鹽改性劑改良土，其峰值應(yīng)力可達(dá)560.8kPa。不僅如此，對(duì)比圍壓100kPa與400kPa下，硅鋁酸鹽改性劑土體試樣應(yīng)力水平受圍壓效應(yīng)促進(jìn)最為顯著，峰值應(yīng)力增幅達(dá)1.02倍，而鈣化物改性劑、水泥混合改性劑試樣峰值應(yīng)力分別提高了0.75、0.84倍，即硅鋁酸鹽改性劑有利于促進(jìn)改良土受圍壓效應(yīng)影響。

圖5 不同改性劑下改良土應(yīng)力應(yīng)變特征

從原狀土、鈣化物改性劑、硅鋁酸鹽改性劑以及水泥混合料改性劑土體SEM微觀特征[12]圖中(見圖6)可看出，原狀土顆粒離散性較大，骨架結(jié)構(gòu)較為疏松，而經(jīng)過改良后，改良土體試樣顆粒間黏結(jié)性有效提升，整體顆粒結(jié)構(gòu)較密實(shí)，尤以圖6(c)中硅鋁酸鹽改性劑試樣密實(shí)性最好，因而該類型改良土三軸承載應(yīng)力水平最高。綜上四種改性劑改良力學(xué)效果對(duì)比，采用硅鋁酸鹽改性劑對(duì)軟弱土體改良效果最好。

圖6 改良土SEM微觀特征

4 改良設(shè)計(jì)方案對(duì)地基土體力學(xué)特性影響

4.1 固化劑摻量

對(duì)比試驗(yàn)中，本工程地基土體改良選擇硅鋁酸鹽改性劑為固化劑，根據(jù)該改性劑不同摻量下的三軸試驗(yàn)，獲得硅鋁酸鹽改性劑摻量影響下的土體應(yīng)力應(yīng)變特征(見圖7)。

圖7 不同固化劑摻量下改良土應(yīng)力應(yīng)變特征

由圖7中不同固化劑摻量下力學(xué)特征對(duì)比可知，摻量愈多，改良土試樣承載應(yīng)力水平愈高，但不可忽視的是在摻量超過5%后，試樣整體承載穩(wěn)定性提升效果減弱。以圍壓250kPa下應(yīng)變2%為例，當(dāng)固化劑摻量為0.5%時(shí)，該變形程度下應(yīng)力為64.1kPa，此時(shí)試樣處于屈服塑性變形階段，土體損傷以二次裂隙擴(kuò)展為主，同為該應(yīng)變，固化劑摻量為2%、3.5%、5%下試樣應(yīng)力較之分別增長(zhǎng)了22.9%、1.04倍、1.64倍，但當(dāng)固化劑摻量增大至6.5%、8%后，應(yīng)力分別為178kPa、190.6kPa，較之摻量5%下分別僅有5.3%、16.8%增幅。由三軸峰值應(yīng)力對(duì)比可知，在圍壓250kPa下，當(dāng)固化劑摻量不超過5%時(shí)，隨固化劑摻量每梯次變化，則試樣峰值應(yīng)力分別平均可提升33.8%，而固化劑摻量超過5%后，摻量6.5%、8%下峰值應(yīng)力較之摻量5%試樣分別僅提高3.3%、7.2%，峰值應(yīng)力分別達(dá)357.1kPa、370.6kPa。當(dāng)圍壓增大至550kPa，在摻量5%節(jié)點(diǎn)前、后方案內(nèi)，隨摻量梯次變化，改良土峰值承載應(yīng)力分別平均提高了39.7%、4.4%。由此可知，固化劑摻量對(duì)軟弱土體的改良效果是有上限的，并不意味著持續(xù)增加固化劑摻量，就可使軟弱土體承載應(yīng)力持續(xù)較高幅度增長(zhǎng)，而是控制軟弱土體固化劑摻量在合理區(qū)間內(nèi)即可[9,13]，試驗(yàn)結(jié)果表明摻量5%較為適配。

在不同固化劑摻量下，改良土應(yīng)力應(yīng)變特征具有較強(qiáng)的一致性，峰值應(yīng)變趨于相近，在圍壓250kPa、550kPa下試樣組峰值應(yīng)變分別穩(wěn)定在4.95%、5.1%。相比之下，圍壓550kPa試樣組應(yīng)變趨于延性變形，而在圍壓250kPa下殘余應(yīng)力呈較高、較迅速的下降特征。

4.2 原狀土狀態(tài)參量

經(jīng)固化劑摻量5%試驗(yàn)，由原狀土不同含水率下應(yīng)力應(yīng)變特征圖中(見圖8)力學(xué)特征影響可知，含水率愈高，承載應(yīng)力水平愈低，特別是在含水率超過18%后，應(yīng)力水平受削弱顯著。在圍壓100kPa下，屈服應(yīng)變2%時(shí)，含水率14%試樣應(yīng)力最高，為140.5kPa，而含水率16%、18%下試樣應(yīng)力較之前者分別減少了12.8%、18.7%，降幅維持在較小區(qū)間，而含水率為20%、24%時(shí)應(yīng)力分別僅為80.1kPa、47.5kPa，較之含水率16%下兩試樣分別減少了34.6%、61.3%。從峰值應(yīng)力對(duì)比來看，圍壓400kPa下含水率14%試樣為568.8kPa，而含水率隨每梯次2%遞增，改良土峰值應(yīng)力平均降低16.1%，尤其在含水率18%后，試樣降幅依次為17.5%、19.8%、28.9%，平均降幅可達(dá)21.9%。而圍壓為100kPa時(shí)，試樣峰值應(yīng)力變化亦是如此，在含水率20%后承載應(yīng)力被大幅抑制。筆者認(rèn)為，含水率過大，會(huì)影響硅鋁酸鹽改性劑與軟弱土體礦物成分的結(jié)合，降低試樣內(nèi)部密實(shí)性[14-15]，進(jìn)而承載應(yīng)力水平降低。

圖8 不同含水率下改良土應(yīng)力應(yīng)變特征

不論圍壓為100kPa或400kPa，不同含水率下試樣應(yīng)力應(yīng)變走向趨勢(shì)均一致，改變含水率，不影響改良土應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展路徑。綜合分析可知，從改良方案設(shè)計(jì)考慮，原狀土含水率控制在18%以內(nèi)，此時(shí)地基土體改良效果最佳，同時(shí)也不會(huì)影響試樣應(yīng)變特征。

5 結(jié) 論

硅鋁酸鹽改性劑改良效果最好，三軸應(yīng)力水平最高，且對(duì)圍壓效應(yīng)的促進(jìn)效果最顯著；SEM細(xì)觀特征表明硅鋁酸鹽改性劑改良土顆粒間咬合效果較好，骨架結(jié)構(gòu)致密性最優(yōu)；固化劑摻量愈多，改良土承載應(yīng)力愈高，但摻量5%后提升效果減弱，圍壓550kPa下，在摻量5%節(jié)點(diǎn)前、后方案內(nèi)，隨摻量梯次變化，峰值應(yīng)力分別平均提高了39.7%、4.4%；固化劑摻量不影響應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)特征，圍壓250kPa、550kPa下峰值應(yīng)變穩(wěn)定在4.95%、5.1%；含水率與改良土承載應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)變化，尤以含水率18%后試樣承載應(yīng)力下降幅度最為顯著，在圍壓400kPa下含水率18%后試樣峰值應(yīng)力降幅依次為17.5%、19.8%、28.9%。

結(jié)合改良設(shè)計(jì)方案對(duì)比，選擇硅鋁酸鹽改性劑為固化劑，摻量設(shè)計(jì)在5%左右，且原狀土含水率控制不超過18%時(shí)，地基土體改良效果最佳。