地形影響下河道堤防施工過程中軟土地基處理技術

阮 健

(廣州市水務科學研究院有限公司，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，而堤防建設環(huán)境的地形往往較為復雜[1]，導致軟土地基處理問題，成為河道堤防施工中的關鍵環(huán)節(jié)。軟土地基的有效處理，有利于控制地基的沉降，達到提升河岸堤防穩(wěn)定性的目的。根據實際地形環(huán)境和施工要求，制定合理的加固方案，實現(xiàn)對軟土地基的加固處理。

目前，許多學者對軟土地基處理技術進行了研究。文獻[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，實時調整噴漿配比、噴樁壓力等施工參數，以確保旋噴樁質量，實現(xiàn)軟土地基的加固處理。但是，該技術處理后地基沉降量消除效果較差。文獻[3]依托于碎石樁復合地基，來實現(xiàn)軟土地基承載力提升。首先，根據現(xiàn)場調查數據和室內研究數據，明確目標區(qū)域的軟土特性。通過FLAC3D有限差分程序，獲取最優(yōu)碎石樁復合地基施工參數，形成最終的軟土地基處理方案。測試結果表明，該方法處理以后地基承載能力依舊較低。文獻[4]針對淤泥、淤泥質土等軟土進行研究，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，該方法應用拓展性較差。

本文在考慮地形影響的基礎上，針對河道堤防施工過程中軟土地基處理進行研究。采用鋪設砂墊層、打造泥漿攪拌墻、安裝降水預壓裝置和強夯加固處理4個環(huán)節(jié)的施工技術[5]。從最終處理結果來看，本文提出的處理技術可以有效加固軟土地基，降低河道堤防施工過程中沉降量。

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發(fā)過度，頻繁出現(xiàn)淤塞問題，造成該區(qū)域防洪能力不達標。為了保證附近群眾生命財產安全，需要對該河口進行治理，確保河道達到防洪標準[6]。在河段治理工程中，堤防施工是不可或缺的施工內容。本文以河道北岸的堤防施工工程為研究對象，該堤防的預期建設長度為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黏性土、表層淤泥、粉質黏土、含礫質粉質黏土、粉土等。各土層的力學性能指標見表1。

表1 河道堤防地基土物理力學指標

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

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，該施工區(qū)域內地基土具有液化特點，屬于輕微～中等液化等級。這種施工環(huán)境導致當前地基是不能作為堤基持力層的軟土地基，需要進行加固處理。

2 河道堤防施工過程中軟土地基處理過程

2.1 地基表面鋪設砂墊層

考慮到目標河岸堤防施工區(qū)域地形并不平坦，設置軟土地基處理的第一個環(huán)節(jié)，就是運用回填工藝向地基表面鋪設砂墊層[8]，作為后續(xù)排水通道建設和強夯施工的基礎。通常情況下，砂墊層包括中粗砂層、中細砂層，二者的含泥量分別低于10%、5%。為了配制出最佳比例的鋪設材料，在砂墊層施工前，對水泥砂材料性能指標進行研究。其中，粉細砂選擇不包含結塊、植物根莖的純凈粉細砂，向其中摻入4.5%以內的普通硅酸鹽水泥，得到相對密度高于0.7的水泥砂墊層鋪設材料。本次地基表面砂墊層鋪設過程中，兩種水泥砂材料具體參數見表2。

表2 不同水泥砂材料相關參數

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

在正式鋪設前，對軟土地基表面的雜物進行處理，針對坑洼地形，采用吹砂填筑的方式，先進行局部回填，然后完成兩層砂墊層的鋪設；再通過長臂反鏟設備進行送料，人工與機械相結合進行墊層攤鋪施工，見圖1。

圖1 砂墊層鋪設主要步驟

填筑和攤鋪處理后，應用ZW-10型附著式振搗器進行表面振搗處理。在實際操作過程中，需要規(guī)定振搗方向與振搗次數，設置兩次連續(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。在一次振搗施工結束后，需要清理和修正施工區(qū)段的預留接頭部分，直到其滿足鋪設要求，再展開下一段區(qū)域的振搗施工，實現(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后，將原始施工區(qū)段的坑洼地形轉換為平坦統(tǒng)一的地形，再按照正方形布置模式插設SPB-B型塑料排水板，并保證兩個相鄰的排水板之間距離為1m，塑料排水板插設現(xiàn)場見圖2。

圖2 塑料排水板插設示意圖

通過上述過程，完成軟土地基的初步處理，在此基礎上進行下一步地基加固處理。

2.2 打造泥漿攪拌墻密封水源

本文應用降水預壓法進行軟土地基的加固處理。為了避免河道內水流干擾地下水位降低效果，在軟土地基上打造多個直徑為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，對周邊水源進行密封處理。需要注意的是，兩個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圖3。

圖3 泥漿攪拌墻搭接圖

泥漿攪拌墻打造過程中，采用液壓雙輪銑槽機和深層攪拌工藝，通過控制兩個相對齒狀的旋轉，實現(xiàn)土層的切削，形成注漿槽。通過供氣注漿系統(tǒng)，向注漿槽內注入混合材料和高壓空氣，直到與鋪設的砂墊層平齊后，停止供氣和注漿。再運轉銑輪向相反方向展開銑削處理，重復注入泥漿和空氣，最終形成泥漿攪拌墻。

2.3 安裝降水預壓地基處理裝置

通過泥漿攪拌墻阻斷水源補給后，在軟土地基區(qū)域布置數個井點執(zhí)行抽水操作，降低地下水位，使軟土層內的含水量飽和度轉變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)。同時，地下水位降低后，軟土層的有效應力會大幅增大，實現(xiàn)對深部軟土的預壓固結，有效應力變化模式見圖4。

圖4 軟土有效應力變化示意圖

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

為了實現(xiàn)降水預壓處理，需要合理布置施工井點。考慮到穩(wěn)定潛水井流的滲流服從線性定律，在井點的設計過程中，先通過抽水測試計算土層滲透系數，公式如下：

(1)

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

然后進行總抽水量的計算，公式如下：

(2)

式中；μ為井半徑；lg為對數函數。

在此基礎上，單井出水量和井點間距公式為：

v=ζ(2μ)LI

(3)

(4)

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

按照上述公式進行計算，得到井點施工布設圖，見圖5。

圖5 井點施工布設圖

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

井點打造完成后進行洗井。每一個井內安裝一臺深水潛水泵，考慮到井內空間有限，為每臺深水潛水泵配備一個感應探頭式電子控制器，再將潛水泵和控制器同時下放至水位以下1m左右的位置，輔助降水預壓處理。見圖6。

圖6 降水預壓示意圖

為了確保地形不會對軟土地基的處理產生負面影響，在降水預壓處理結束后，進行強夯加固處理。

2.4 軟土地基強夯加固

依據“少擊多遍”原則，對軟土地基進行強夯加固處理。首先，按照正方形布置方式，部署夯擊單點，每個點擊5下，并設置每次夯擊能為1 000～2 000kN，強夯加固現(xiàn)場施工見圖7。

圖7 強夯加固施工現(xiàn)場

針對地基土體施加巨大的沖擊能量，沖擊能遇到土層后轉化為沖擊波，在軟土地基各土層內進行有效傳播，達到加固軟土地基的目的。其中，強夯造成的沖擊波主要包括體波、面波兩類。體波是向地基深處傳輸，實現(xiàn)軟土地基的壓密與固結。面波則是沿地表傳播，會引起地基表層松動。

綜上所述，通過強夯法使軟土地基的表層土變得松動，形成表層松動區(qū)，但在松動區(qū)下方形成加固區(qū)，實現(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 軟土地基處理結果分析

3.1 監(jiān)測準備

為了驗證軟土地基處理效果，針對處理區(qū)域進行監(jiān)測分析，掌握軟基處理工程施工過程、運營過程中的沉降信息，明確所提方法的加固效果。

為了獲取準確的沉降信息監(jiān)測結果，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，得到簡易的沉降標，以便獲取軟土地基施工階段和運營階段的沉降數據。

3.2 施工階段沉降

本文提出的軟土地基處理技術主要包括7個階段，分別為插設塑料排水板、降水預壓、強夯1次、強夯2次、強夯3次、強夯4次、滿夯。各施工階段的地基表層沉降值見圖8。

圖8 軟土地基處理各階段地表沉降變化曲線

根據圖8可知，軟土地基處理過程中，插板階段、降水預壓階段、強夯1次階段和強夯2次階段，沉降值分別為0.23、0.34、0.42和0.46m，這4個階段的沉降速率較大。從強夯3次階段開始，表層沉降速率開始呈現(xiàn)出平緩趨勢，直到軟土地基加固處理結束后，總沉降量為了0.49m，符合施工階段沉降要求。

3.3 運營階段沉降

軟土地基處理結束后，針對目標區(qū)域進行載荷試驗，實現(xiàn)運營階段的沉降監(jiān)測。地基土現(xiàn)場載荷試驗具體模式見圖9。

運營階段軟土地基的載荷實驗，應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，通過重物加荷、千斤頂加荷兩種方式，向地基施加荷載，觀測不同時間段、不同荷載值條件下，加固后軟土地基的沉降值變化曲線。見圖10。

根據圖10可知，運營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日開始頂面均布荷載值達到140kPa。這種環(huán)境下，觀測5月26日至12月10日期間，198天內地基沉降情況，最終沉降量為0.92m。

圖10 運營階段軟土地基處理地表沉降變化曲線

經計算可知，應用本文提出方法進行軟土地基處理，在施加巨大荷載后，地面沉降值仍在1m以下，滿足設計要求。

4 結 語

本文結合降水預壓法和強夯法，設計一種軟土地基處理技術，實現(xiàn)了軟土地基的加固處理。沉降監(jiān)測結果表明，按照本文研究內容進行軟土地基加固處理，在施工階段和運營階段所表現(xiàn)出的沉降值均符合設計要求。