高安水库溢洪道场地软弱土体固化改良设计方案试验研究

邹福华

(江西省水利水电建设集团有限公司，江西 南昌 330000)

1 概 述

地基作为水利工程、建筑工程的重要组成部分，其承载能力是上部结构设计的关注重点，但各类工程中常出现软弱土、淤泥质土等不良地基[1-2]，因而针对地基不良土体开展治理技术研究，有助于推动地基与基础工程应用设计水平[3]。石经纬[4]、鲁晓旭等[5]针对工程地基土体承载力较弱的问题，采用夯实、换填土等地基处理技术，提高了地基土体承载能力，并对施工技术工艺进行了优化提升。当然，地基处理不仅限于此，也有陈贤可等[6]、刘维正等[7]从人工复合地基处理技术考虑，研究了CFG桩等桩网复合地基设计问题，通过桩土一体化协同，提升地基承载能力，解决地基承载不够、沉降过大等问题。人工干预不仅局限于桩基设计，通过物化改性方法，同样可以解决地基土体不良的问题，高洪滨[8]、陈超等[9]开展了改良土体力学试验研究，设计了注浆固结、高聚物改性等物化改良方案，由试验结果评价改良土工程力学特征，对地基土体改良设计研究具有参考价值。为研究高安水库溢洪道场地地基软弱土体沉降过大、承载力不足的问题，本文从固化剂类型的遴选、固化剂掺量与原状土含水率状态的设计入手，为实际工程土体改良设计提供依据。

2 工程背景与试验方法

2.1 工程概况

高安水库位于锦河北岸支流苏溪河上游，其位置在锦河与苏溪河交汇后下游15km，对控制锦河上游支流河道流量、水位调节以及防洪排涝具有重要价值。该水库由溢洪道、引水枢纽以及防洪主、副坝工程等组成，水库枢纽控制流域面积超过30km2，可满足高安标准化农田建设，年供应农业用水量超过2000万m3，引水枢纽投入运营，有助于缓解城区地下用水紧张，对提升地区城防安全、用水安全均有正面作用。2020年上半年江西发生重大洪水灾害，赣江上、中游各水位监测点均出现长时间警戒，各节制闸水位常出现过流、漫流等现象，对锦河干流、苏溪河支流产生影响，高安水库泄洪压力剧增，库水量在短短一周内增大了26.5%，达设计库容量的95%，水库各水工设施运营出现停滞、掉频现象，泄流设施无法满功率完成泄流，原溢洪道设计最大泄流量300m3/s，受上游洪水挟沙影响，闸前泥沙淤积厚度接近闸室底板高度，无法有效泄洪运营。得益于赣江吉安中游段、赣江下游南昌段各类水工设施的泄流以及鄱阳湖水位调节，警戒水位安全过境。但不可忽视的是，汛期过后，高安水库部分水工设施出现损坏，尤以溢洪道受损严重。高安水库溢洪道进水渠段，左、右衬砌结构均出现剥落现象，原浆砌石块石衬砌结构出现移位，溢洪道泄槽段支撑结构体系出现沉降、回填土塌陷等现象，两侧高2.2m的翼墙结构也出现了一定沉降，测量表明最大沉降量达到12cm，位于泄槽段与控制段交界面闸墩后85.5m处(见图1)。作为高安水库的重要泄洪设施，对溢洪道开展除险加固很有必要，但工程加固设计应“对症下药”。根据工程设计部门调查，目前，溢洪道出现的沉降问题乃是重中之重，而沉降根源是溢洪道所在场地在长期的地表、地下径流活动下，原淤泥质软土层顺势沉降，直接导致了上部溢洪道泄槽、出水渠、翼墙等结构塌陷。为此，工程部门首先要开展对高安水库溢洪道场地淤泥质软土层的改良治理。

图1 挡墙几何设计

2.2 试验方法

本试验主要为探讨淤泥质软土改良设计方案，提升高安水库溢洪道场地地基承载力，因而计划通过室内试验对比方法，评价不同固化剂对地基土体力学特征的影响，并基于所选择的固化剂类型，对地基土体的改良设计方案开展分析，包括改性剂掺量、原状土含水状态。基于土体三轴力学试验进行改良土力学对比，试验设备见图2。试验系统配置有精密液压油动力活塞装置，可实现不论是高或低应力加载，动力装置振频均不超过0.01Hz，且三轴围压装置最大荷载可达10MPa，轴向荷载最大可达100kN。加载装置为装配式平台，可对圆柱体、长方体等不同类型尺寸的试样适配，同时数据采集装置安装至试样周身的轴、环向位移监测传感器，均可与试样尺寸契合。中控系统有数据实时处理与八通道数据传输装置，所有数据采集间隔均为1s，其中LVDT装置安装在加载平台外，量程为-20～20mm。所有试验传感器在开始第一个试样加载前均完成标定，减少了试验设备误差对试验结果的干扰。

图2 三轴土体试验设备

从溢洪道工程现场塌陷区段钻孔取样，获得淤泥质软土体(见图3)，该类型土体黏粒含量较高，可达24.5%，多个地段的钻孔表明，淤泥质软土层厚度超过4m，而涉及溢洪道场地的软土体含水率分布差异较大，为14%～25%，室内细观观测表明，颗粒粒径最大未超过1.6mm，全场地试样颗粒级配均匀。在室内实验室中对原状土样进行重塑[10-11]，并按照不同含水率试验组分类，在制样过程中混入定量的固化剂，分别为钙化物改性剂、硅铝酸盐改性剂、水泥混合改性剂、碱性物改性剂四种类型，掺量分别为1.5%。所制备的试样见图4，直径、高度分别为50mm、100mm，制备后所有试样在真空饱和箱内完成饱和，养护12h后进行饱和不排水三轴试验。

图3 地基软土体

图4 试样制备

试验中设定围压为100kPa、250kPa、400kPa、550kPa，在四种改性剂的对比下，确定最优固化剂类型。基于所选择的最优固化剂，开展地基土体改良设计方案的对比试验，从固化剂的掺量以及原状土体状态两方面入手，前者因素固化剂掺量分别设定有0.5%、2%、3.5%、5%、6.5%、8%，后者原状土状态以含水率为对比参量，设定为14%、16%、18%、20%、22%、24%。基于两大因素改良力学试验结果，评价该溢洪道场地软弱土体改良设计治理最优方案。

3 不同固化剂类型下地基土体力学特性

不同固化剂类型下地基土体力学试验的典型围压下应力应变特征见图5。由图5可知，四种固化剂中三轴应力水平最高为硅铝酸盐改性剂，而不论是何种固化剂，三轴应力水平均高于原状土试样。在围压100kPa下，当试样变形为2%时，硅铝酸盐改性剂改良试样应力为185.8kPa，而钙化物改性剂、水泥混合改性剂、碱性物改性剂相应改性土体在该应变时加载应力较其分别减少了62.1%、18.2%、48.2%，相比之下，软弱土试样在该应变点时应力仅为48.5kPa。从三轴峰值应力对比来看，钙化物改性剂、水泥混合改性剂土体试样峰值应力分别为148.1kPa、245.7kPa，而硅铝酸盐改性剂改良土试样、碱性物改性剂试样峰值应力较之钙化物改性剂下分别增长了89.1%、42.4%，以钙化物改性剂对土体承载应力水平提升效果最弱。当围压增大至400kPa后，四种改性剂试样中应力水平最高的仍为硅铝酸盐改性剂改良土，其峰值应力可达560.8kPa。不仅如此，对比围压100kPa与400kPa下，硅铝酸盐改性剂土体试样应力水平受围压效应促进最为显著，峰值应力增幅达1.02倍，而钙化物改性剂、水泥混合改性剂试样峰值应力分别提高了0.75、0.84倍，即硅铝酸盐改性剂有利于促进改良土受围压效应影响。

图5 不同改性剂下改良土应力应变特征

从原状土、钙化物改性剂、硅铝酸盐改性剂以及水泥混合料改性剂土体SEM微观特征[12]图中(见图6)可看出，原状土颗粒离散性较大，骨架结构较为疏松，而经过改良后，改良土体试样颗粒间黏结性有效提升，整体颗粒结构较密实，尤以图6(c)中硅铝酸盐改性剂试样密实性最好，因而该类型改良土三轴承载应力水平最高。综上四种改性剂改良力学效果对比，采用硅铝酸盐改性剂对软弱土体改良效果最好。

图6 改良土SEM微观特征

4 改良设计方案对地基土体力学特性影响

4.1 固化剂掺量

对比试验中，本工程地基土体改良选择硅铝酸盐改性剂为固化剂，根据该改性剂不同掺量下的三轴试验，获得硅铝酸盐改性剂掺量影响下的土体应力应变特征(见图7)。

图7 不同固化剂掺量下改良土应力应变特征

由图7中不同固化剂掺量下力学特征对比可知，掺量愈多，改良土试样承载应力水平愈高，但不可忽视的是在掺量超过5%后，试样整体承载稳定性提升效果减弱。以围压250kPa下应变2%为例，当固化剂掺量为0.5%时，该变形程度下应力为64.1kPa，此时试样处于屈服塑性变形阶段，土体损伤以二次裂隙扩展为主，同为该应变，固化剂掺量为2%、3.5%、5%下试样应力较之分别增长了22.9%、1.04倍、1.64倍，但当固化剂掺量增大至6.5%、8%后，应力分别为178kPa、190.6kPa，较之掺量5%下分别仅有5.3%、16.8%增幅。由三轴峰值应力对比可知，在围压250kPa下，当固化剂掺量不超过5%时，随固化剂掺量每梯次变化，则试样峰值应力分别平均可提升33.8%，而固化剂掺量超过5%后，掺量6.5%、8%下峰值应力较之掺量5%试样分别仅提高3.3%、7.2%，峰值应力分别达357.1kPa、370.6kPa。当围压增大至550kPa，在掺量5%节点前、后方案内，随掺量梯次变化，改良土峰值承载应力分别平均提高了39.7%、4.4%。由此可知，固化剂掺量对软弱土体的改良效果是有上限的，并不意味着持续增加固化剂掺量，就可使软弱土体承载应力持续较高幅度增长，而是控制软弱土体固化剂掺量在合理区间内即可[9,13]，试验结果表明掺量5%较为适配。

在不同固化剂掺量下，改良土应力应变特征具有较强的一致性，峰值应变趋于相近，在围压250kPa、550kPa下试样组峰值应变分别稳定在4.95%、5.1%。相比之下，围压550kPa试样组应变趋于延性变形，而在围压250kPa下残余应力呈较高、较迅速的下降特征。

4.2 原状土状态参量

经固化剂掺量5%试验，由原状土不同含水率下应力应变特征图中(见图8)力学特征影响可知，含水率愈高，承载应力水平愈低，特别是在含水率超过18%后，应力水平受削弱显著。在围压100kPa下，屈服应变2%时，含水率14%试样应力最高，为140.5kPa，而含水率16%、18%下试样应力较之前者分别减少了12.8%、18.7%，降幅维持在较小区间，而含水率为20%、24%时应力分别仅为80.1kPa、47.5kPa，较之含水率16%下两试样分别减少了34.6%、61.3%。从峰值应力对比来看，围压400kPa下含水率14%试样为568.8kPa，而含水率随每梯次2%递增，改良土峰值应力平均降低16.1%，尤其在含水率18%后，试样降幅依次为17.5%、19.8%、28.9%，平均降幅可达21.9%。而围压为100kPa时，试样峰值应力变化亦是如此，在含水率20%后承载应力被大幅抑制。笔者认为，含水率过大，会影响硅铝酸盐改性剂与软弱土体矿物成分的结合，降低试样内部密实性[14-15]，进而承载应力水平降低。

图8 不同含水率下改良土应力应变特征

不论围压为100kPa或400kPa，不同含水率下试样应力应变走向趋势均一致，改变含水率，不影响改良土应力应变发展路径。综合分析可知，从改良方案设计考虑，原状土含水率控制在18%以内，此时地基土体改良效果最佳，同时也不会影响试样应变特征。

5 结 论

硅铝酸盐改性剂改良效果最好，三轴应力水平最高，且对围压效应的促进效果最显著；SEM细观特征表明硅铝酸盐改性剂改良土颗粒间咬合效果较好，骨架结构致密性最优；固化剂掺量愈多，改良土承载应力愈高，但掺量5%后提升效果减弱，围压550kPa下，在掺量5%节点前、后方案内，随掺量梯次变化，峰值应力分别平均提高了39.7%、4.4%；固化剂掺量不影响应力应变趋势特征，围压250kPa、550kPa下峰值应变稳定在4.95%、5.1%；含水率与改良土承载应力呈负相关变化，尤以含水率18%后试样承载应力下降幅度最为显著，在围压400kPa下含水率18%后试样峰值应力降幅依次为17.5%、19.8%、28.9%。

结合改良设计方案对比，选择硅铝酸盐改性剂为固化剂，掺量设计在5%左右，且原状土含水率控制不超过18%时，地基土体改良效果最佳。