基于振冲置换方法的河堤软土地基加固处理的物理模型试验研究

2017-12-15贾秀娟

水利技术监督 2017年5期

贾秀娟

贾秀娟

（铁岭市水利工程规划设计技术审核中心，辽宁铁岭 112608）

文章结合振冲置换方法对河道堤防软土地基进行加固处理，并结合物理模型对不同加固方案进行试验分析，确定最优振冲置换加固方案。结果表明：桩固试验方案下河堤软土地基密实度逐步增加，其中1#桩固试验方案下河堤软土地基密实度效果最为明显，密实度Dr从0.30kN/m3增加至0.89kN/m3；河堤在水面2.5～5.0m处发生液化，振冲置换加固后河道堤防的抗液化能力逐步增加；各桩固试验方案下地基沉降最大值在18.13～27.43mm，地基静载能力增强；相比于天然地基，各桩固试验方案下的地基抗滑稳定系数均显著提高。研究成果对于河道堤防软土地基的加固处理提供参考。

振冲置换法；软土地基；加固；物理模型试验

河道堤防的稳定性对于区域的防洪安全至关重要。河道堤防经过多年后，其抗滑和荷载能力都会有所下降，为保障区域的防洪安全，需要对河道地基进行加固处理，而合理有效的加固处理方案将显著提高河道堤防的稳定性，为此国内许多学者对河道堤防加固处理进行过相关研究［1-6］，但在河道堤防松软地基加固处理的研究还较少。近些年来，振冲置换方法可对软土地基的进行加固处理，使得松软的地基更为密实，提高地基的承载能力和抗剪能力，且具有操作简单，加固效果快速且较为显著的特点，在地基加固处理中得到较为广泛的应用［7-10］，但在河道地基加固处理中应用还较少，为此本文引入振冲置换加固处理技术，对河道堤防软土地基进行物理模型试验研究，探讨该技术在河道软土地基加固处理的效果。

1 主要加固原理和试验方案设计

对于软土地基，结合振动波在饱和砂土之间进行传播，液化振动器附近的砂土，使得试验软土地基附近的砂土颗粒在传导压力的作用下进行重新排列，地基间的孔隙在传导压力作用下进行密实加固处理。相比于未处理前的软土地基，经过振冲置换法加固处理的软土地基，其荷载能力可得到明显提高，软土地基之间的孔隙将被压缩，抗震性能也将增加。

在进行振冲置换方法试验时，结合相关地基处理的规范要求，对振冲加固桩进行了设定，每个加固桩之间的距离设定为2.0m，采用等腰三角形方案进行振动试验结果桩的布置，主要设定的探坑深度为3.0m，其中贯入抨击试验深度设定为7.0m。在进行抗滑稳定性试验时来水量参照区域不同频率洪水进行方案设置，设置的频率分别为5%、10%、20%。

在进行河道堤防软土地基试验时，需要确定地基初始的抗剪和固定桩的抗剪指标CSP，其计算方程为：

式中，ω—置换参数，本文取值为0.6；Cs—天然地基的抗剪强度。

此外，振冲置换方法需要确定置换率，计算方程为：

式中，m—置换率；D—固定桩的直径；De—不同固定桩之间的距离。

复合地基抗剪指标的计算方程为：

其中复核地基承载能力计算方程为：

式中，Fksp—复合地基承载能力，kPa；Rp—不同固定桩的标准承载能力，kPa，取为100kPa；m—振冲置换率；Fk—不同固定桩间的标准承载能力，kPa。

2 基于振冲置换法河堤软土地基加固处理物理模型试验

2.1 河道物理模型概况

本次河道堤防物理模型试验采用天然河砂，河道堤防的坡度比降为1∶2，模型试验河道内的水面宽度为3.94m，全部河道堤防采用直径为0.42mm的天然砂构筑而成，河道堤防地基的泥砂厚度为30cm，试验各土层的抗剪指标见表1，试验河段剖面图见图1，铺设的河道堤防工程图片见图2。

图1 模型剖面图（单位：mm）

图2 全动床河槽初始断面形态

表1 模型试验河道地基抗剪指标分析

2.2 试验结果

2.2.1 振冲试验结果

结合探坑振冲试验和贯入抨击试验对不同桩固下的河道堤防软土地基的密实度进行试验分析，试验分析结果见表2和表3。

表3 贯入抨击试验结果

表2 探坑振冲试验结果

从表2中可以看出，随着探坑深度的增加，各桩固试验下的密实度Dr和桩固直径rd相比于振冲试验前均有所增加，且随着探坑深度的增加，其地基密实度Dr和桩固直径rd都逐步增加。这主要是因为使得试验软土地基附近的砂土颗粒在传导压力的作用下进行重新排列，地基间的孔隙在传导压力作用下进行密实加固，使得其密实度显著增加；在1#桩固试验下，河道地基密实度 Dr从0.30kN/m3增加至0.89kN/m3，密实度增加效果相比于其他桩固试验最为显著。从表3中可以看出，在不同深度下，1#桩固试验河道软土地基密实度提高百分比在14%～314%之间，不同桩固试验下，其密实度均有明显提高。

2.2.2 河道堤防软土地基抗液化试验

为分析振动置换方法下对河道堤防软土地基液化的影响，结合贯入抨击试验分析各桩固试验下的软土地基液化试验，试验结果见表4。

表4 贯入抨击软地基液化试验结果

从表4中可以看出，1#桩固试验下平均抨击的次数在11～28次，在振动置换方法下，河堤在水面2.5～5.0m处发生液化，其他深度下河道堤防软土地基均为发生液化现象，从2#和3#桩固试验下，不同深度下的振动抨击次数为5～19次，其不同深度均未发生地基液化现象，从试验结果可以看出，在振动置换方法下，结合振动波在饱和砂土之间进行传播，液化振动器附近的砂土，使得试验软土地基附近的砂土颗粒在传导压力的作用下进行重新排列，使得软土地基的抗液化能力增强。

2.2.3 河道堤防软土地基静载试验分析

为分析振动置换方法下河道堤防软土地基的静载能力，结合静载试验分析了不同载荷程度下河道地基沉降值和各桩固试验下的地基载荷分布，试验结果见表5和图3。

表5 振冲置换方法下的软土地基静载试验结果

图3 各加固桩地基静载分布图

从表5中可以看出，随着荷载程度的增加，河道堤防软土地基的应力也逐渐增加，从各桩固下的沉降值来看，1#桩固的沉降最大值为18.13mm，对应的地基应力为150 Kpa，2#桩固地基沉降最大值为21.34mm，3#和4#桩固地基沉降最大值分别为24.35和27.35mm，4#桩固下的地基沉降值最大。从图3各桩固地基静载分布图中可以看出，各桩固地基静载分布较为相似，均呈现绳套变化过程，当应力逐渐增加时，其静载逐步增加，这主要是因为经过振冲置换法加固处理的软土地基，其荷载能力可得到明显提高。

2.2.4 河道堤防软土地基抗滑稳定试验分析

为分析振冲置换方法下的河道堤防软土地基的抗滑稳定性，分别设定三个来水频率，分析不同来水频率下各桩固在不同地基处理加固方案下的抗滑稳定性系数，分析结果见表6。

表6 不同频率来水影响下河堤地基抗滑稳定系数试验

从表6中可以看出，1#桩面在采用部分挖除和碎石地基加固处理方案下，其不同来水频率下的地基抗滑稳定系数都大于传统碎石桩处理的抗滑稳定性系数。从2#桩面和3#桩面的试验结果中可以看出，采用振动置换方法下的复合地基的抗滑稳定性系数都好于天然地基加固处理方案下的抗滑稳定性系数。这主要是因为经过振冲置换法加固处理的软土地基，其软土地基之间的孔隙将被压缩，抗滑稳定性能也将增加。