地形影響下河道堤防施工過(guò)程中軟土地基處理技術(shù)

阮 健

(廣州市水務(wù)科學(xué)研究院有限公司，廣州 510220)

0 引 言

在眾多水利防洪工程中，河道堤防的施工頻率最高，而堤防建設(shè)環(huán)境的地形往往較為復(fù)雜[1]，導(dǎo)致軟土地基處理問(wèn)題，成為河道堤防施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。軟土地基的有效處理，有利于控制地基的沉降，達(dá)到提升河岸堤防穩(wěn)定性的目的。根據(jù)實(shí)際地形環(huán)境和施工要求，制定合理的加固方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土地基的加固處理。

目前，許多學(xué)者對(duì)軟土地基處理技術(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]將待處理區(qū)域劃分為插排水板區(qū)、非插排水板區(qū)，再建立高壓旋噴樁。利用三重管工藝，實(shí)時(shí)調(diào)整噴漿配比、噴樁壓力等施工參數(shù)，以確保旋噴樁質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)軟土地基的加固處理。但是，該技術(shù)處理后地基沉降量消除效果較差。文獻(xiàn)[3]依托于碎石樁復(fù)合地基，來(lái)實(shí)現(xiàn)軟土地基承載力提升。首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)和室內(nèi)研究數(shù)據(jù)，明確目標(biāo)區(qū)域的軟土特性。通過(guò)FLAC3D有限差分程序，獲取最優(yōu)碎石樁復(fù)合地基施工參數(shù)，形成最終的軟土地基處理方案。測(cè)試結(jié)果表明，該方法處理以后地基承載能力依舊較低。文獻(xiàn)[4]針對(duì)淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土進(jìn)行研究，提出基于泥土攪拌樁的地基加固方法。向泥土中添加適量的固化劑，再應(yīng)用漿噴法、粉噴法等工藝，得到軟土地基加固所需的泥土攪拌樁。但是，該方法應(yīng)用拓展性較差。

本文在考慮地形影響的基礎(chǔ)上，針對(duì)河道堤防施工過(guò)程中軟土地基處理進(jìn)行研究。采用鋪設(shè)砂墊層、打造泥漿攪拌墻、安裝降水預(yù)壓裝置和強(qiáng)夯加固處理4個(gè)環(huán)節(jié)的施工技術(shù)[5]。從最終處理結(jié)果來(lái)看，本文提出的處理技術(shù)可以有效加固軟土地基，降低河道堤防施工過(guò)程中沉降量。

1 工程概況

選定某河道作為研究區(qū)域，該河道近幾年填河開(kāi)發(fā)過(guò)度，頻繁出現(xiàn)淤塞問(wèn)題，造成該區(qū)域防洪能力不達(dá)標(biāo)。為了保證附近群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，需要對(duì)該河口進(jìn)行治理，確保河道達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)[6]。在河段治理工程中，堤防施工是不可或缺的施工內(nèi)容。本文以河道北岸的堤防施工工程為研究對(duì)象，該堤防的預(yù)期建設(shè)長(zhǎng)度為860m，為了保證河岸堤防的穩(wěn)定性，首先需要確保堤防地基的穩(wěn)定性。該河段的地基土包含礫質(zhì)黏性土、表層淤泥、粉質(zhì)黏土、含礫質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土等。各土層的力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 河道堤防地基土物理力學(xué)指標(biāo)

考慮到施工區(qū)域的地形特點(diǎn)，會(huì)影響軟土地基處理工藝的選取。因此，需要先對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行地形分析，在地形影響條件下提出合理的軟土地基處理技術(shù)。

本文選定的施工區(qū)段位于河流中段，主要由低丘盆地與平原地帶兩種地形構(gòu)成。該河道堤防地基所在區(qū)域，屬于沖積、沖洪積相和海陸相交[7]。同時(shí)，該施工區(qū)域內(nèi)地基土具有液化特點(diǎn)，屬于輕微～中等液化等級(jí)。這種施工環(huán)境導(dǎo)致當(dāng)前地基是不能作為堤基持力層的軟土地基，需要進(jìn)行加固處理。

2 河道堤防施工過(guò)程中軟土地基處理過(guò)程

2.1 地基表面鋪設(shè)砂墊層

考慮到目標(biāo)河岸堤防施工區(qū)域地形并不平坦，設(shè)置軟土地基處理的第一個(gè)環(huán)節(jié)，就是運(yùn)用回填工藝向地基表面鋪設(shè)砂墊層[8]，作為后續(xù)排水通道建設(shè)和強(qiáng)夯施工的基礎(chǔ)。通常情況下，砂墊層包括中粗砂層、中細(xì)砂層，二者的含泥量分別低于10%、5%。為了配制出最佳比例的鋪設(shè)材料，在砂墊層施工前，對(duì)水泥砂材料性能指標(biāo)進(jìn)行研究。其中，粉細(xì)砂選擇不包含結(jié)塊、植物根莖的純凈粉細(xì)砂，向其中摻入4.5%以內(nèi)的普通硅酸鹽水泥，得到相對(duì)密度高于0.7的水泥砂墊層鋪設(shè)材料。本次地基表面砂墊層鋪設(shè)過(guò)程中，兩種水泥砂材料具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同水泥砂材料相關(guān)參數(shù)

水泥砂材料配制過(guò)程中，應(yīng)用稱(chēng)量系統(tǒng)精確控制水、粉細(xì)砂等材料的用料，得到可用于河道堤防施工過(guò)程中軟土地基處理的砂墊層鋪設(shè)材料。

在正式鋪設(shè)前，對(duì)軟土地基表面的雜物進(jìn)行處理，針對(duì)坑洼地形，采用吹砂填筑的方式，先進(jìn)行局部回填，然后完成兩層砂墊層的鋪設(shè)；再通過(guò)長(zhǎng)臂反鏟設(shè)備進(jìn)行送料，人工與機(jī)械相結(jié)合進(jìn)行墊層攤鋪施工，見(jiàn)圖1。

圖1 砂墊層鋪設(shè)主要步驟

填筑和攤鋪處理后，應(yīng)用ZW-10型附著式振搗器進(jìn)行表面振搗處理。在實(shí)際操作過(guò)程中，需要規(guī)定振搗方向與振搗次數(shù)，設(shè)置兩次連續(xù)的振搗碾跡中存在0.3 m以上的重疊區(qū)域，確保振搗施工的全面性。在一次振搗施工結(jié)束后，需要清理和修正施工區(qū)段的預(yù)留接頭部分，直到其滿足鋪設(shè)要求，再展開(kāi)下一段區(qū)域的振搗施工，實(shí)現(xiàn)相鄰振搗處理區(qū)段的緊密連接。河岸堤防的軟土地基完成砂墊層鋪設(shè)后，將原始施工區(qū)段的坑洼地形轉(zhuǎn)換為平坦統(tǒng)一的地形，再按照正方形布置模式插設(shè)SPB-B型塑料排水板，并保證兩個(gè)相鄰的排水板之間距離為1m，塑料排水板插設(shè)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

圖2 塑料排水板插設(shè)示意圖

通過(guò)上述過(guò)程，完成軟土地基的初步處理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步地基加固處理。

2.2 打造泥漿攪拌墻密封水源

本文應(yīng)用降水預(yù)壓法進(jìn)行軟土地基的加固處理。為了避免河道內(nèi)水流干擾地下水位降低效果，在軟土地基上打造多個(gè)直徑為0.7m的泥漿攪拌樁，按照雙排樁布置形式得到寬度為1.2m泥漿攪拌墻，對(duì)周邊水源進(jìn)行密封處理。需要注意的是，兩個(gè)相鄰的泥漿攪拌樁圓心間距為0.5m，泥漿攪拌墻搭接模式見(jiàn)圖3。

圖3 泥漿攪拌墻搭接圖

泥漿攪拌墻打造過(guò)程中，采用液壓雙輪銑槽機(jī)和深層攪拌工藝，通過(guò)控制兩個(gè)相對(duì)齒狀的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)土層的切削，形成注漿槽。通過(guò)供氣注漿系統(tǒng)，向注漿槽內(nèi)注入混合材料和高壓空氣，直到與鋪設(shè)的砂墊層平齊后，停止供氣和注漿。再運(yùn)轉(zhuǎn)銑輪向相反方向展開(kāi)銑削處理，重復(fù)注入泥漿和空氣，最終形成泥漿攪拌墻。

2.3 安裝降水預(yù)壓地基處理裝置

通過(guò)泥漿攪拌墻阻斷水源補(bǔ)給后，在軟土地基區(qū)域布置數(shù)個(gè)井點(diǎn)執(zhí)行抽水操作，降低地下水位，使軟土層內(nèi)的含水量飽和度轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)。同時(shí)，地下水位降低后，軟土層的有效應(yīng)力會(huì)大幅增大，實(shí)現(xiàn)對(duì)深部軟土的預(yù)壓固結(jié)，有效應(yīng)力變化模式見(jiàn)圖4。

圖4 軟土有效應(yīng)力變化示意圖

圖4中，H為水位降深；δ、α、β為原始水位作用下有效應(yīng)力分布；δ、α、χ、ε為水位下降后有效應(yīng)力分布。

為了實(shí)現(xiàn)降水預(yù)壓處理，需要合理布置施工井點(diǎn)?？紤]到穩(wěn)定潛水井流的滲流服從線性定律，在井點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，先通過(guò)抽水測(cè)試計(jì)算土層滲透系數(shù)，公式如下：

(1)

式中：L為土層滲透系數(shù)；φ為抽水量；c1、c2為觀測(cè)孔與井點(diǎn)中心點(diǎn)之間的距離；P1、P2為兩個(gè)觀測(cè)孔顯示的水位降深。

然后進(jìn)行總抽水量的計(jì)算，公式如下：

(2)

式中；μ為井半徑；lg為對(duì)數(shù)函數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，單井出水量和井點(diǎn)間距公式為：

v=ζ(2μ)LI

(3)

(4)

式中：v為單井出水量；ζ為有效利用系數(shù)；I為水力梯度；?為井點(diǎn)間距；ρ為降水區(qū)域周長(zhǎng)；u為井點(diǎn)數(shù)量。

按照上述公式進(jìn)行計(jì)算，得到井點(diǎn)施工布設(shè)圖，見(jiàn)圖5。

圖5 井點(diǎn)施工布設(shè)圖

由圖5可知，本次河道堤防施工過(guò)程中，軟土地基加固處理時(shí)，相鄰井點(diǎn)之間的距離均為20m，且每個(gè)井點(diǎn)的打造需要深入到硬土層至少0.2m。

井點(diǎn)打造完成后進(jìn)行洗井。每一個(gè)井內(nèi)安裝一臺(tái)深水潛水泵，考慮到井內(nèi)空間有限，為每臺(tái)深水潛水泵配備一個(gè)感應(yīng)探頭式電子控制器，再將潛水泵和控制器同時(shí)下放至水位以下1m左右的位置，輔助降水預(yù)壓處理。見(jiàn)圖6。

圖6 降水預(yù)壓示意圖

為了確保地形不會(huì)對(duì)軟土地基的處理產(chǎn)生負(fù)面影響，在降水預(yù)壓處理結(jié)束后，進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理。

2.4 軟土地基強(qiáng)夯加固

依據(jù)“少擊多遍”原則，對(duì)軟土地基進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理。首先，按照正方形布置方式，部署夯擊單點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)擊5下，并設(shè)置每次夯擊能為1 000～2 000kN，強(qiáng)夯加固現(xiàn)場(chǎng)施工見(jiàn)圖7。

圖7 強(qiáng)夯加固施工現(xiàn)場(chǎng)

針對(duì)地基土體施加巨大的沖擊能量，沖擊能遇到土層后轉(zhuǎn)化為沖擊波，在軟土地基各土層內(nèi)進(jìn)行有效傳播，達(dá)到加固軟土地基的目的。其中，強(qiáng)夯造成的沖擊波主要包括體波、面波兩類(lèi)。體波是向地基深處傳輸，實(shí)現(xiàn)軟土地基的壓密與固結(jié)。面波則是沿地表傳播，會(huì)引起地基表層松動(dòng)。

綜上所述，通過(guò)強(qiáng)夯法使軟土地基的表層土變得松動(dòng)，形成表層松動(dòng)區(qū)，但在松動(dòng)區(qū)下方形成加固區(qū)，實(shí)現(xiàn)了軟土地基的加固處理，保證了河道堤防施工穩(wěn)定性。

3 軟土地基處理結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證軟土地基處理效果，針對(duì)處理區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，掌握軟基處理工程施工過(guò)程、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的沉降信息，明確所提方法的加固效果。

為了獲取準(zhǔn)確的沉降信息監(jiān)測(cè)結(jié)果，選定直徑為8cm的木樁放置于砂墊層中，并在木樁頂部安裝粗鐵釘，得到簡(jiǎn)易的沉降標(biāo)，以便獲取軟土地基施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的沉降數(shù)據(jù)。

3.2 施工階段沉降

本文提出的軟土地基處理技術(shù)主要包括7個(gè)階段，分別為插設(shè)塑料排水板、降水預(yù)壓、強(qiáng)夯1次、強(qiáng)夯2次、強(qiáng)夯3次、強(qiáng)夯4次、滿夯。各施工階段的地基表層沉降值見(jiàn)圖8。

圖8 軟土地基處理各階段地表沉降變化曲線

根據(jù)圖8可知，軟土地基處理過(guò)程中，插板階段、降水預(yù)壓階段、強(qiáng)夯1次階段和強(qiáng)夯2次階段，沉降值分別為0.23、0.34、0.42和0.46m，這4個(gè)階段的沉降速率較大。從強(qiáng)夯3次階段開(kāi)始，表層沉降速率開(kāi)始呈現(xiàn)出平緩趨勢(shì)，直到軟土地基加固處理結(jié)束后，總沉降量為了0.49m，符合施工階段沉降要求。

3.3 運(yùn)營(yíng)階段沉降

軟土地基處理結(jié)束后，針對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行載荷試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)階段的沉降監(jiān)測(cè)。地基土現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)具體模式見(jiàn)圖9。

運(yùn)營(yíng)階段軟土地基的載荷實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用剛性方形板制作承壓板，基于處理后地基土的硬度確定承壓板面積大于0.3m2，通過(guò)重物加荷、千斤頂加荷兩種方式，向地基施加荷載，觀測(cè)不同時(shí)間段、不同荷載值條件下，加固后軟土地基的沉降值變化曲線。見(jiàn)圖10。

根據(jù)圖10可知，運(yùn)營(yíng)階段向軟土地基施加的初始荷載值為70kPa，后續(xù)呈現(xiàn)階梯式增加，從8月15日開(kāi)始頂面均布荷載值達(dá)到140kPa。這種環(huán)境下，觀測(cè)5月26日至12月10日期間，198天內(nèi)地基沉降情況，最終沉降量為0.92m。

圖10 運(yùn)營(yíng)階段軟土地基處理地表沉降變化曲線

經(jīng)計(jì)算可知，應(yīng)用本文提出方法進(jìn)行軟土地基處理，在施加巨大荷載后，地面沉降值仍在1m以下，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合降水預(yù)壓法和強(qiáng)夯法，設(shè)計(jì)一種軟土地基處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了軟土地基的加固處理。沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，按照本文研究?jī)?nèi)容進(jìn)行軟土地基加固處理，在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段所表現(xiàn)出的沉降值均符合設(shè)計(jì)要求。