基于振沖置換方法的河堤軟土地基加固處理的物理模型試驗研究

賈秀娟

基于振沖置換方法的河堤軟土地基加固處理的物理模型試驗研究

賈秀娟

（鐵嶺市水利工程規劃設計技術審核中心，遼寧 鐵嶺 112608）

文章結合振沖置換方法對河道堤防軟土地基進行加固處理，并結合物理模型對不同加固方案進行試驗分析，確定最優振沖置換加固方案。結果表明：樁固試驗方案下河堤軟土地基密實度逐步增加，其中1#樁固試驗方案下河堤軟土地基密實度效果最為明顯，密實度Dr從0.30kN/m3增加至0.89kN/m3；河堤在水面2.5～5.0m處發生液化，振沖置換加固后河道堤防的抗液化能力逐步增加；各樁固試驗方案下地基沉降最大值在18.13～27.43mm，地基靜載能力增強；相比于天然地基，各樁固試驗方案下的地基抗滑穩定系數均顯著提高。研究成果對于河道堤防軟土地基的加固處理提供參考。

振沖置換法；軟土地基；加固；物理模型試驗

河道堤防的穩定性對于區域的防洪安全至關重要。河道堤防經過多年后，其抗滑和荷載能力都會有所下降，為保障區域的防洪安全，需要對河道地基進行加固處理，而合理有效的加固處理方案將顯著提高河道堤防的穩定性，為此國內許多學者對河道堤防加固處理進行過相關研究［1-6］，但在河道堤防松軟地基加固處理的研究還較少。近些年來，振沖置換方法可對軟土地基的進行加固處理，使得松軟的地基更為密實，提高地基的承載能力和抗剪能力，且具有操作簡單，加固效果快速且較為顯著的特點，在地基加固處理中得到較為廣泛的應用［7-10］，但在河道地基加固處理中應用還較少，為此本文引入振沖置換加固處理技術，對河道堤防軟土地基進行物理模型試驗研究，探討該技術在河道軟土地基加固處理的效果。

1 主要加固原理和試驗方案設計

對于軟土地基，結合振動波在飽和砂土之間進行傳播，液化振動器附近的砂土，使得試驗軟土地基附近的砂土顆粒在傳導壓力的作用下進行重新排列，地基間的孔隙在傳導壓力作用下進行密實加固處理。相比于未處理前的軟土地基，經過振沖置換法加固處理的軟土地基，其荷載能力可得到明顯提高，軟土地基之間的孔隙將被壓縮，抗震性能也將增加。

在進行振沖置換方法試驗時，結合相關地基處理的規范要求，對振沖加固樁進行了設定，每個加固樁之間的距離設定為2.0m，采用等腰三角形方案進行振動試驗結果樁的布置，主要設定的探坑深度為3.0m，其中貫入抨擊試驗深度設定為7.0m。在進行抗滑穩定性試驗時來水量參照區域不同頻率洪水進行方案設置，設置的頻率分別為5%、10%、20%。

在進行河道堤防軟土地基試驗時，需要確定地基初始的抗剪和固定樁的抗剪指標CSP，其計算方程為：

式中，ω—置換參數，本文取值為0.6；Cs—天然地基的抗剪強度。

此外，振沖置換方法需要確定置換率，計算方程為：

式中，m—置換率；D—固定樁的直徑；De—不同固定樁之間的距離。

復合地基抗剪指標的計算方程為：

其中復核地基承載能力計算方程為：

式中，Fksp—復合地基承載能力，kPa；Rp—不同固定樁的標準承載能力，kPa，取為100kPa；m—振沖置換率；Fk—不同固定樁間的標準承載能力，kPa。

2 基于振沖置換法河堤軟土地基加固處理物理模型試驗

2.1 河道物理模型概況

本次河道堤防物理模型試驗采用天然河砂，河道堤防的坡度比降為1∶2，模型試驗河道內的水面寬度為3.94m，全部河道堤防采用直徑為0.42mm的天然砂構筑而成，河道堤防地基的泥砂厚度為30cm，試驗各土層的抗剪指標見表1，試驗河段剖面圖見圖1，鋪設的河道堤防工程圖片見圖2。

圖1 模型剖面圖（單位：mm）

圖2 全動床河槽初始斷面形態

表1 模型試驗河道地基抗剪指標分析

2.2 試驗結果

2.2.1 振沖試驗結果

結合探坑振沖試驗和貫入抨擊試驗對不同樁固下的河道堤防軟土地基的密實度進行試驗分析，試驗分析結果見表2和表3。

表3 貫入抨擊試驗結果

表2 探坑振沖試驗結果

從表2中可以看出，隨著探坑深度的增加，各樁固試驗下的密實度Dr和樁固直徑rd相比于振沖試驗前均有所增加，且隨著探坑深度的增加，其地基密實度Dr和樁固直徑rd都逐步增加。這主要是因為使得試驗軟土地基附近的砂土顆粒在傳導壓力的作用下進行重新排列，地基間的孔隙在傳導壓力作用下進行密實加固，使得其密實度顯著增加；在1#樁固試驗下，河道地基密實度 Dr從0.30kN/m3增加至0.89kN/m3，密實度增加效果相比于其他樁固試驗最為顯著。從表3中可以看出，在不同深度下，1#樁固試驗河道軟土地基密實度提高百分比在14%～314%之間，不同樁固試驗下，其密實度均有明顯提高。

2.2.2 河道堤防軟土地基抗液化試驗

為分析振動置換方法下對河道堤防軟土地基液化的影響，結合貫入抨擊試驗分析各樁固試驗下的軟土地基液化試驗，試驗結果見表4。

表4 貫入抨擊軟地基液化試驗結果

從表4中可以看出，1#樁固試驗下平均抨擊的次數在11～28次，在振動置換方法下，河堤在水面2.5～5.0m處發生液化，其他深度下河道堤防軟土地基均為發生液化現象，從2#和3#樁固試驗下，不同深度下的振動抨擊次數為5～19次，其不同深度均未發生地基液化現象，從試驗結果可以看出，在振動置換方法下，結合振動波在飽和砂土之間進行傳播，液化振動器附近的砂土，使得試驗軟土地基附近的砂土顆粒在傳導壓力的作用下進行重新排列，使得軟土地基的抗液化能力增強。

2.2.3 河道堤防軟土地基靜載試驗分析

為分析振動置換方法下河道堤防軟土地基的靜載能力，結合靜載試驗分析了不同載荷程度下河道地基沉降值和各樁固試驗下的地基載荷分布，試驗結果見表5和圖3。

表5 振沖置換方法下的軟土地基靜載試驗結果

圖3 各加固樁地基靜載分布圖

從表5中可以看出，隨著荷載程度的增加，河道堤防軟土地基的應力也逐漸增加，從各樁固下的沉降值來看，1#樁固的沉降最大值為18.13mm，對應的地基應力為150 Kpa，2#樁固地基沉降最大值為21.34mm，3#和4#樁固地基沉降最大值分別為24.35和27.35mm，4#樁固下的地基沉降值最大。從圖3各樁固地基靜載分布圖中可以看出，各樁固地基靜載分布較為相似，均呈現繩套變化過程，當應力逐漸增加時，其靜載逐步增加，這主要是因為經過振沖置換法加固處理的軟土地基，其荷載能力可得到明顯提高。

2.2.4 河道堤防軟土地基抗滑穩定試驗分析

為分析振沖置換方法下的河道堤防軟土地基的抗滑穩定性，分別設定三個來水頻率，分析不同來水頻率下各樁固在不同地基處理加固方案下的抗滑穩定性系數，分析結果見表6。

表6 不同頻率來水影響下河堤地基抗滑穩定系數試驗

從表6中可以看出，1#樁面在采用部分挖除和碎石地基加固處理方案下，其不同來水頻率下的地基抗滑穩定系數都大于傳統碎石樁處理的抗滑穩定性系數。從2#樁面和3#樁面的試驗結果中可以看出，采用振動置換方法下的復合地基的抗滑穩定性系數都好于天然地基加固處理方案下的抗滑穩定性系數。這主要是因為經過振沖置換法加固處理的軟土地基，其軟土地基之間的孔隙將被壓縮，抗滑穩定性能也將增加。

3 結語

本文結合振動置換方法對河道堤防軟土地基進行加固處理的物理模型試驗，通過試驗取得以下結論。

（1）通過振動置換方法下，河道堤防軟土地基的密實度明顯增加，且軟土地基土層的抗液化能力和抗載能力都得到加強；

（2）振動置換方法在河道堤防軟土地基加固效果較為明顯，且施工工藝較為簡單，可大幅降低堤防地基加固工程的造價，可在河道堤防軟土地基加固中進行推廣和應用。

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1008-1305（2017）05-0014-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.005

2017-04-12

賈秀娟（1965年—），女，高級工程師。