寒冷地區引水渠道地基加固處理研究

王 旗

（湖北省引江濟漢工程管理局，湖北 荊州 434000）

灌區引水渠道輸送的主要物質為水，水對巖土體強度的劣化具備不可忽視的作用，水是巖土體變形破壞的主要誘發因素之一。許多學者對巖土體干濕循環作用下的強度劣化特征進行了研究[1-3]，在多次干濕循環作用下，巖土體強度會產生明顯的下降；同時在干濕循環作用下，巖土體結構也會產生一定的損傷。在寒區，巖土體經常產生凍脹破壞，且凍融循環作用下，巖土體也會同干濕循環一樣產生強度劣化和結構損傷[4-6]。

1 工程概況

工程位于我國北方寒區某灌區，地基巖土體類型為耕植土，為灌區引水渠道進入農田段，天然狀態下，巖土體密度ρ=1.58g/cm3，孔隙比e=0.95，含水率ω=12.6%，由于距離農田較近，灌溉時，巖土體可達到飽和狀態，地下水位埋深較淺。

2 地基凍脹率

巖土體的凍脹主要是由于水在凍結作用下體積變化造成的，巖土體顆粒自身的凍脹產生的體積變化與水體積變化相比可以忽略不計。

因此，假設原狀土總重量為M總，黃土顆粒的干密度為ρ土，含水率為ω。則滿足下式：

式中 V土為土體顆粒的體積；V總1為原狀土體積；V總2為凍脹后的體積。

體積變化率η為：

已知ρ水=1.0g/cm3，ρ冰=0.9g/cm3，因此，體積變化率為：

從式（5）中可以看出，巖土體凍脹體積變化率與含水率呈正相關關系，降低巖土體中的含水率可以有效降低巖土體的凍脹變化。

3 干濕—凍融循環作用下巖土體強度劣化

在項目區獲取原狀樣，進行室內干濕—凍融循環試驗，研究干濕—凍融循環作用下巖土體強度劣化特征。選用目前常用的恒溫恒濕試驗箱完成干濕—凍融循環。進行常規三軸試驗研究巖土體強度變化。干濕—凍融循環試驗步驟[7]：

（1）將實驗樣品放入實驗箱，模擬當地夏季氣候。設置溫度為25℃，濕度為75%的實驗箱環境對樣品進行干燥。當達到實驗樣品的縮限時，即可停止干燥。對樣品進行抽氣飽水，再次進行干燥，直至含水率變為20%。即完成1次干濕循環。

（2）模擬當地冬季氣候。在樣品外包裹一層保護膜，設置溫度為-15 ℃的實驗箱環境對樣品進行凍結。凍結時間24h。在溫度為15 ℃的實驗箱環境進行融化24h，即完成1次凍融循環。

（3）完成步驟（1）之后，緊接著進行步驟（2）。即完成1次干濕—凍融循環。

通過多次循環試驗，獲取巖土體強度參數黏聚力C值和內摩擦角φ值隨循環次數的變化特征。可以發現干濕—凍融循環較其他兩種試驗條件相比C值減小，最大φ值增加最大。不同循環實驗條件下巖土體C，φ值變化如圖1。

圖1 C，φ值與循環次數關系曲線

巖土體強度參數（C，φ值）在完成首次實驗后產生最大幅度的降低。在應力相同的情況下：

（1）8 次干濕循環后C 值降低42.5%，φ 值增大6.7%（與天然狀態數據對比）。

（2）8 次凍融循環后C 值降低31.8%，φ 值增大4.8%（與天然狀態數據對比）。

（3）8次干濕—凍融循環后C值降低50.4%，φ值增大10.5%（與天然狀態數據對比）。

（4）巖土樣凍融循環次數的增加，C值逐漸減小，φ值逐漸增大，但兩者的減小和增大速率逐漸降低。

4 地基加固處理

目前常用的地基處理方法有5種類型： 置換法、壓密法、排水固結法、加筋處理法及膠結法[8-10]。

置換法主要采用高強度的巖土體將天然地基中力學性質較差的巖土體進行置換，置換后的材料與周圍巖土體形成較好的復合地基可以有效增強地基的承載力，目前主要應用于砂土、粉土、淤泥質土中。

壓密法主要是將結構松散的巖土體進行擠密壓實，首先在地基中鉆孔填入碎石等材料，使地基受到側向壓力進行擠密壓實，從而降低巖土體的孔隙率，增加密實度提高地基承載力。

排水固結法是使用外加荷載對結構松散、含水率較高的軟土地基進行擠密壓實同時將巖土體中的水快速排出，該方法能較好的提高地基承載力同時可以控制地基的沉降。

加筋處理法是在巖土體中加入強度較高的材料，由于土顆粒自身的抗拉強度較小可以忽略，這些材料的加入形成土—筋符合地基，可以有效增加土體的抗拉強度。

膠結法的基本原理為化學加固，使用漿液注入巖土體中，在擠密壓實巖土體的同時又可以與周為巖土體形成較好的黏結，形成強度高、抗水性能好的膠結復合地基。這些方法是無數個工程實踐經驗的總結，在實際工程中取得了較好的效果。

研究可發現，該工程地基的破壞主要遭受含水率和凍脹作用控制。因此，針對工程特點采用壓密、保溫、渠道防滲的方法進行處理。地基處理如圖2。

圖2 地基處理示意

5 結語

（1）在寒冷地區引水渠道建設中，渠道防滲是一項重要的工程，遇到一旦發生滲漏不但會造成輸送水源的效率對渠道下的地基也會產生不良的影響。工程的安全需要工程設計、施工等各個階段的完美配合，一個環節的疏漏將會造成整個工程的破壞。

（2）通過公式計算，巖土體顆粒凍脹作用下體積變化率與巖土體含水率呈正相關關系，對于引水渠道建設過程中應嚴格控制渠道滲漏，防止地基巖土體含水率過高，在凍融作用下產生較大的體積變化，造成渠道結構破壞。

（3）通過室內的巖土體力學強度試驗分析，在干濕—凍融作用下，巖土體強度將會產生較為明顯的劣化，強度變化大于干濕循環和凍融循環分別造成的劣化特征。在寒冷地區水利工程建設應防止水工建筑周邊巖土體遭受干濕和凍融的綜合影響。

（4）通過研究確定灌區引水渠道建設中可能遇到的地基強度問題，具有針對性的提出適合當地條件的地基處理工程措施，取得了較好的效果。