地形影响下河道堤防施工过程中软土地基处理技术

阮 健

(广州市水务科学研究院有限公司，广州 510220)

0 引 言

在众多水利防洪工程中，河道堤防的施工频率最高，而堤防建设环境的地形往往较为复杂[1]，导致软土地基处理问题，成为河道堤防施工中的关键环节。软土地基的有效处理，有利于控制地基的沉降，达到提升河岸堤防稳定性的目的。根据实际地形环境和施工要求，制定合理的加固方案，实现对软土地基的加固处理。

目前，许多学者对软土地基处理技术进行了研究。文献[2]将待处理区域划分为插排水板区、非插排水板区，再建立高压旋喷桩。利用三重管工艺，实时调整喷浆配比、喷桩压力等施工参数，以确保旋喷桩质量，实现软土地基的加固处理。但是，该技术处理后地基沉降量消除效果较差。文献[3]依托于碎石桩复合地基，来实现软土地基承载力提升。首先，根据现场调查数据和室内研究数据，明确目标区域的软土特性。通过FLAC3D有限差分程序，获取最优碎石桩复合地基施工参数，形成最终的软土地基处理方案。测试结果表明，该方法处理以后地基承载能力依旧较低。文献[4]针对淤泥、淤泥质土等软土进行研究，提出基于泥土搅拌桩的地基加固方法。向泥土中添加适量的固化剂，再应用浆喷法、粉喷法等工艺，得到软土地基加固所需的泥土搅拌桩。但是，该方法应用拓展性较差。

本文在考虑地形影响的基础上，针对河道堤防施工过程中软土地基处理进行研究。采用铺设砂垫层、打造泥浆搅拌墙、安装降水预压装置和强夯加固处理4个环节的施工技术[5]。从最终处理结果来看，本文提出的处理技术可以有效加固软土地基，降低河道堤防施工过程中沉降量。

1 工程概况

选定某河道作为研究区域，该河道近几年填河开发过度，频繁出现淤塞问题，造成该区域防洪能力不达标。为了保证附近群众生命财产安全，需要对该河口进行治理，确保河道达到防洪标准[6]。在河段治理工程中，堤防施工是不可或缺的施工内容。本文以河道北岸的堤防施工工程为研究对象，该堤防的预期建设长度为860m，为了保证河岸堤防的稳定性，首先需要确保堤防地基的稳定性。该河段的地基土包含砾质黏性土、表层淤泥、粉质黏土、含砾质粉质黏土、粉土等。各土层的力学性能指标见表1。

表1 河道堤防地基土物理力学指标

考虑到施工区域的地形特点，会影响软土地基处理工艺的选取。因此，需要先对研究区域进行地形分析，在地形影响条件下提出合理的软土地基处理技术。

本文选定的施工区段位于河流中段，主要由低丘盆地与平原地带两种地形构成。该河道堤防地基所在区域，属于冲积、冲洪积相和海陆相交[7]。同时，该施工区域内地基土具有液化特点，属于轻微～中等液化等级。这种施工环境导致当前地基是不能作为堤基持力层的软土地基，需要进行加固处理。

2 河道堤防施工过程中软土地基处理过程

2.1 地基表面铺设砂垫层

考虑到目标河岸堤防施工区域地形并不平坦，设置软土地基处理的第一个环节，就是运用回填工艺向地基表面铺设砂垫层[8]，作为后续排水通道建设和强夯施工的基础。通常情况下，砂垫层包括中粗砂层、中细砂层，二者的含泥量分别低于10%、5%。为了配制出最佳比例的铺设材料，在砂垫层施工前，对水泥砂材料性能指标进行研究。其中，粉细砂选择不包含结块、植物根茎的纯净粉细砂，向其中掺入4.5%以内的普通硅酸盐水泥，得到相对密度高于0.7的水泥砂垫层铺设材料。本次地基表面砂垫层铺设过程中，两种水泥砂材料具体参数见表2。

表2 不同水泥砂材料相关参数

水泥砂材料配制过程中，应用称量系统精确控制水、粉细砂等材料的用料，得到可用于河道堤防施工过程中软土地基处理的砂垫层铺设材料。

在正式铺设前，对软土地基表面的杂物进行处理，针对坑洼地形，采用吹砂填筑的方式，先进行局部回填，然后完成两层砂垫层的铺设；再通过长臂反铲设备进行送料，人工与机械相结合进行垫层摊铺施工，见图1。

图1 砂垫层铺设主要步骤

填筑和摊铺处理后，应用ZW-10型附着式振捣器进行表面振捣处理。在实际操作过程中，需要规定振捣方向与振捣次数，设置两次连续的振捣碾迹中存在0.3 m以上的重叠区域，确保振捣施工的全面性。在一次振捣施工结束后，需要清理和修正施工区段的预留接头部分，直到其满足铺设要求，再展开下一段区域的振捣施工，实现相邻振捣处理区段的紧密连接。河岸堤防的软土地基完成砂垫层铺设后，将原始施工区段的坑洼地形转换为平坦统一的地形，再按照正方形布置模式插设SPB-B型塑料排水板，并保证两个相邻的排水板之间距离为1m，塑料排水板插设现场见图2。

图2 塑料排水板插设示意图

通过上述过程，完成软土地基的初步处理，在此基础上进行下一步地基加固处理。

2.2 打造泥浆搅拌墙密封水源

本文应用降水预压法进行软土地基的加固处理。为了避免河道内水流干扰地下水位降低效果，在软土地基上打造多个直径为0.7m的泥浆搅拌桩，按照双排桩布置形式得到宽度为1.2m泥浆搅拌墙，对周边水源进行密封处理。需要注意的是，两个相邻的泥浆搅拌桩圆心间距为0.5m，泥浆搅拌墙搭接模式见图3。

图3 泥浆搅拌墙搭接图

泥浆搅拌墙打造过程中，采用液压双轮铣槽机和深层搅拌工艺，通过控制两个相对齿状的旋转，实现土层的切削，形成注浆槽。通过供气注浆系统，向注浆槽内注入混合材料和高压空气，直到与铺设的砂垫层平齐后，停止供气和注浆。再运转铣轮向相反方向展开铣削处理，重复注入泥浆和空气，最终形成泥浆搅拌墙。

2.3 安装降水预压地基处理装置

通过泥浆搅拌墙阻断水源补给后，在软土地基区域布置数个井点执行抽水操作，降低地下水位，使软土层内的含水量饱和度转变为非饱和状态。同时，地下水位降低后，软土层的有效应力会大幅增大，实现对深部软土的预压固结，有效应力变化模式见图4。

图4 软土有效应力变化示意图

图4中，H为水位降深；δ、α、β为原始水位作用下有效应力分布；δ、α、χ、ε为水位下降后有效应力分布。

为了实现降水预压处理，需要合理布置施工井点。考虑到稳定潜水井流的渗流服从线性定律，在井点的设计过程中，先通过抽水测试计算土层渗透系数，公式如下：

(1)

式中：L为土层渗透系数；φ为抽水量；c1、c2为观测孔与井点中心点之间的距离；P1、P2为两个观测孔显示的水位降深。

然后进行总抽水量的计算，公式如下：

(2)

式中；μ为井半径；lg为对数函数。

在此基础上，单井出水量和井点间距公式为：

v=ζ(2μ)LI

(3)

(4)

式中：v为单井出水量；ζ为有效利用系数；I为水力梯度；ϖ为井点间距；ρ为降水区域周长；u为井点数量。

按照上述公式进行计算，得到井点施工布设图，见图5。

图5 井点施工布设图

由图5可知，本次河道堤防施工过程中，软土地基加固处理时，相邻井点之间的距离均为20m，且每个井点的打造需要深入到硬土层至少0.2m。

井点打造完成后进行洗井。每一个井内安装一台深水潜水泵，考虑到井内空间有限，为每台深水潜水泵配备一个感应探头式电子控制器，再将潜水泵和控制器同时下放至水位以下1m左右的位置，辅助降水预压处理。见图6。

图6 降水预压示意图

为了确保地形不会对软土地基的处理产生负面影响，在降水预压处理结束后，进行强夯加固处理。

2.4 软土地基强夯加固

依据“少击多遍”原则，对软土地基进行强夯加固处理。首先，按照正方形布置方式，部署夯击单点，每个点击5下，并设置每次夯击能为1 000～2 000kN，强夯加固现场施工见图7。

图7 强夯加固施工现场

针对地基土体施加巨大的冲击能量，冲击能遇到土层后转化为冲击波，在软土地基各土层内进行有效传播，达到加固软土地基的目的。其中，强夯造成的冲击波主要包括体波、面波两类。体波是向地基深处传输，实现软土地基的压密与固结。面波则是沿地表传播，会引起地基表层松动。

综上所述，通过强夯法使软土地基的表层土变得松动，形成表层松动区，但在松动区下方形成加固区，实现了软土地基的加固处理，保证了河道堤防施工稳定性。

3 软土地基处理结果分析

3.1 监测准备

为了验证软土地基处理效果，针对处理区域进行监测分析，掌握软基处理工程施工过程、运营过程中的沉降信息，明确所提方法的加固效果。

为了获取准确的沉降信息监测结果，选定直径为8cm的木桩放置于砂垫层中，并在木桩顶部安装粗铁钉，得到简易的沉降标，以便获取软土地基施工阶段和运营阶段的沉降数据。

3.2 施工阶段沉降

本文提出的软土地基处理技术主要包括7个阶段，分别为插设塑料排水板、降水预压、强夯1次、强夯2次、强夯3次、强夯4次、满夯。各施工阶段的地基表层沉降值见图8。

图8 软土地基处理各阶段地表沉降变化曲线

根据图8可知，软土地基处理过程中，插板阶段、降水预压阶段、强夯1次阶段和强夯2次阶段，沉降值分别为0.23、0.34、0.42和0.46m，这4个阶段的沉降速率较大。从强夯3次阶段开始，表层沉降速率开始呈现出平缓趋势，直到软土地基加固处理结束后，总沉降量为了0.49m，符合施工阶段沉降要求。

3.3 运营阶段沉降

软土地基处理结束后，针对目标区域进行载荷试验，实现运营阶段的沉降监测。地基土现场载荷试验具体模式见图9。

运营阶段软土地基的载荷实验，应用刚性方形板制作承压板，基于处理后地基土的硬度确定承压板面积大于0.3m2，通过重物加荷、千斤顶加荷两种方式，向地基施加荷载，观测不同时间段、不同荷载值条件下，加固后软土地基的沉降值变化曲线。见图10。

根据图10可知，运营阶段向软土地基施加的初始荷载值为70kPa，后续呈现阶梯式增加，从8月15日开始顶面均布荷载值达到140kPa。这种环境下，观测5月26日至12月10日期间，198天内地基沉降情况，最终沉降量为0.92m。

图10 运营阶段软土地基处理地表沉降变化曲线

经计算可知，应用本文提出方法进行软土地基处理，在施加巨大荷载后，地面沉降值仍在1m以下，满足设计要求。

4 结 语

本文结合降水预压法和强夯法，设计一种软土地基处理技术，实现了软土地基的加固处理。沉降监测结果表明，按照本文研究内容进行软土地基加固处理，在施工阶段和运营阶段所表现出的沉降值均符合设计要求。