農(nóng)田水利工程軟土地基聯(lián)合加固效果分析

扈長(zhǎng)霞

(東營(yíng)市河口區(qū)水利灌溉管理站，山東 東營(yíng) 257200)

1 軟土地基加固法及數(shù)值分析設(shè)計(jì)

1.1 聯(lián)合加固法施工設(shè)計(jì)

強(qiáng)夯法是將重量數(shù)百噸的重錘從一定的高度自由落下，利用重錘產(chǎn)生的動(dòng)力對(duì)土體進(jìn)行夯擊，孔隙水排出地表使土層強(qiáng)制壓密從而減少其壓縮性，是提高土體強(qiáng)度的一種施工方法，適用于軟土地基加固，但強(qiáng)夯法在施工過(guò)程中振動(dòng)噪音較大，影響施工條件，強(qiáng)夯法的動(dòng)力密實(shí)原理如圖1所示。對(duì)于軟土地基的加固還可以使用井點(diǎn)降水法，在基坑開(kāi)挖前，在基坑四周埋設(shè)濾水管，利用抽水設(shè)備保持所挖土層含水率始終處于低值，有利于地基的機(jī)械施工，縮短施工工期[1-2]。因此，針對(duì)山東東營(yíng)某農(nóng)田水利工程軟土地基的土層特性，將這兩種加固技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合使用，結(jié)合各自優(yōu)勢(shì)提高加固地基工程施工效果。

圖1 土體壓實(shí)過(guò)程

聯(lián)合法利用井點(diǎn)降水法的較大排氣量減輕強(qiáng)夯技術(shù)的超靜孔隙水壓力，施工前充分了解施工地的地質(zhì)地層構(gòu)造、地下水分布情況，結(jié)合工程設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算地基承載力與均勻性及安全穩(wěn)定性，進(jìn)而確定重錘的起重、加固深度、夯擊能量等相關(guān)操作參數(shù)。綜合工程施工布置情況以及地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)確定夯擊點(diǎn)的布置。確定初步施工方案時(shí)，需進(jìn)行試夯。根據(jù)工程前期勘察報(bào)告，在現(xiàn)場(chǎng)施工區(qū)域內(nèi)選取一個(gè)工程代表區(qū)域作為試探點(diǎn)，通過(guò)原位試驗(yàn)得到的初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)編制并修正初步強(qiáng)夯施工方案，施工流程圖如圖2所示。

圖2 強(qiáng)夯法施工工序

在正式施工階段，清理平整場(chǎng)地后，將起重機(jī)夯錘對(duì)準(zhǔn)夯點(diǎn)位置，核實(shí)夯錘的高程，夯錘自由下落后又測(cè)定新高程，重復(fù)以上操作直至場(chǎng)地全部夯擊完成。達(dá)到間隔時(shí)間后根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)重新測(cè)量夯擊后的場(chǎng)地高程，完成所有夯擊遍數(shù)。施工結(jié)束后，檢測(cè)施工的記錄和操作數(shù)據(jù)記錄，并在施工完成后地基承載力檢驗(yàn)和工程驗(yàn)收。

此次研究選用梅那法對(duì)加固深度進(jìn)行大致確定，并根據(jù)土層性質(zhì)對(duì)加固深度修正，結(jié)合地基處理厚度進(jìn)一步確定強(qiáng)夯級(jí)能的選擇。根據(jù)梅那理論，強(qiáng)夯加固的極值大約為15 MPa，加固深度越深，夯擊能與錘底面積也相應(yīng)增大。當(dāng)錘底的擠壓力大于土的側(cè)邊約束力時(shí)，此時(shí)的夯擊能恰好使土體隆起，夯擊能為極限夯擊能。錘底面積及夯錘形狀與沖擊應(yīng)力分布有關(guān)，影響有效加固深度，合適的錘形及夯底面積才能實(shí)現(xiàn)理想的施工效果，此次研究采用圓形夯錘，每夯擊點(diǎn)夯擊15次，夯擊間歇時(shí)間為1周。夯擊點(diǎn)的間距根據(jù)土層性質(zhì)和加固深度確定，合適的夯擊間距有利于夯擊能的傳遞，實(shí)現(xiàn)地基土的加固。施工結(jié)束后，引入靜力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法對(duì)工程聯(lián)合法的加固地基土體施工效果進(jìn)行分析，對(duì)聯(lián)合強(qiáng)夯和井點(diǎn)降水法的加固技術(shù)做出更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)[3-4]。

1.2 聯(lián)合加固法數(shù)值模擬分析設(shè)計(jì)

數(shù)值分析方法是研究用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)計(jì)算問(wèn)題的方法及其理論的學(xué)科，聯(lián)合強(qiáng)夯法處理農(nóng)田水利工程地基加固問(wèn)題機(jī)理復(fù)雜，可利用數(shù)值分析方法來(lái)解決強(qiáng)夯法的非線性問(wèn)題。專業(yè)的巖土工程三維分析軟件FLAC 3D可幫助土木、交通以及水利工程進(jìn)行檢測(cè)及分析，解決有限元軟件難以模擬的復(fù)雜工程問(wèn)題。FLAC 3D含有多種可變化邊界方位的邊界條件，單元內(nèi)部可以給定初始應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)可以給定初始位移、速度等，實(shí)現(xiàn)特定地下水位有效應(yīng)力計(jì)算等，功能強(qiáng)大。FLAC 3D的參數(shù)化建模十分高效，同時(shí)支持FISH語(yǔ)言和二次開(kāi)發(fā)，可方便地實(shí)現(xiàn)眾多復(fù)雜的功能，具有強(qiáng)大的后處理功能。因此，使用FLAC 3D仿真軟件建立夯擊作用下加固軟土地基的數(shù)值模型[5-7]。

根據(jù)實(shí)際工程土體變化特點(diǎn)，建立模型時(shí)僅考慮重力作用，夯擊能影響范圍以外地基變形可以忽略，假設(shè)夯錘底部始終保持水平。研究采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，破壞狀態(tài)定義為產(chǎn)生塑性破壞的最大應(yīng)力狀態(tài)，屈服方程見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：fs為屈服強(qiáng)度，MPa；σ1為小主應(yīng)力，MPa；σ3為大主應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；c為土體黏聚力，kPa；σt為土層張拉強(qiáng)度，MPa。

建模參數(shù)設(shè)置時(shí)，需對(duì)土體模型不同單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，直接影響著后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精確性。網(wǎng)格劃分涉及單元的形狀及其單元類型、網(wǎng)格生成器的選擇、網(wǎng)格的密度以及單元的編號(hào)等，網(wǎng)格越小、越密，分析軟件的結(jié)果精度就越高，但同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求也較高；反之，網(wǎng)格越大、越粗糙，分析軟件的結(jié)果精度就越低。網(wǎng)格密度的增加會(huì)使分析軟件的結(jié)果趨于唯一解，當(dāng)細(xì)分網(wǎng)格所得到的解變化不大時(shí)，網(wǎng)格收斂。研究采用六面體網(wǎng)格劃分，把三維實(shí)體分成幾個(gè)大的20節(jié)點(diǎn)六面體區(qū)，然后使用形函數(shù)映射技術(shù)把各個(gè)六面體區(qū)域映射為很多細(xì)小的8節(jié)點(diǎn)六面體單元[8]。

邊界條件設(shè)定為黏性邊界，黏性邊界也稱阻尼器邊界。在模型邊界處設(shè)置阻尼器，阻尼器產(chǎn)生的阻尼力吸收逸散波能，黏性力計(jì)算如式(2)。

(2)

式中：tn、ts分別為法向、切向黏性力，N/m2；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；cp、cs分別為p波、s波的波速，m/s；νn、νs分別為法向、切向的速度分量，m/s。

利用應(yīng)力時(shí)程的方式輸入FLAC 3D動(dòng)載；瑞利阻尼簡(jiǎn)單、方便，采用瑞利(Rayleigh)阻尼來(lái)確定機(jī)械阻尼，假設(shè)結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣是質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的組合。建模時(shí)將土層視為同一種土體，計(jì)算體積模量和剪切模量用于確定除橫觀彈性和正交彈性材料之外的數(shù)值計(jì)算模式，參數(shù)換算公式見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：K為體積模量，Pa；G為剪切模量，Pa；E為彈性模量，Pa；υ為泊松比。

2 聯(lián)合法處理軟土地基施工效果分析

2.1 聯(lián)合法的試驗(yàn)研究和效果分析

在山東東營(yíng)某一農(nóng)田水利工程施工現(xiàn)場(chǎng)，將J-3圓錐形探頭以勻速旋入施工場(chǎng)地的選定試驗(yàn)點(diǎn)，錐頭截面面積為12 cm3，速度大小1.5 m/min，靜力觸探試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)布置如圖3所示，包含5個(gè)夯擊觀測(cè)點(diǎn)和3個(gè)測(cè)試點(diǎn)。并測(cè)量貫入阻力，進(jìn)而根據(jù)靜力觸探曲線的形態(tài)確定土層工程性質(zhì)，進(jìn)行土層分界。

圖3 試驗(yàn)區(qū)測(cè)試點(diǎn)布置

夯擊前后前后靜力觸探曲線圖如圖4所示，靜力觸探曲線圖橫坐標(biāo)為土層深度值，代表地下深度負(fù)值大小；縱坐標(biāo)為比貫入阻力，比貫入阻力的大小與錐尖阻力和側(cè)摩擦阻力大小有關(guān)。由圖4可見(jiàn)，夯擊前后曲線對(duì)比明顯，聯(lián)合強(qiáng)夯法與井點(diǎn)降水法的軟土地基加固施工效果良好，可以滿足東營(yíng)地區(qū)農(nóng)田工程的施工要求。測(cè)試點(diǎn)1、測(cè)試點(diǎn)2、測(cè)試點(diǎn)3的靜力觸探曲線處理前后的變化規(guī)律相似，0～4 m之間的土層比貫入阻力的大小提升最為明顯，對(duì)于測(cè)試點(diǎn)1，3 m左右的土層比貫入阻力大小提升幅度達(dá)90%；由測(cè)試點(diǎn)3的靜力觸探曲線可知，聯(lián)合法處理地基之后，最大比貫入阻力為10.5 MPa。結(jié)果表明，聯(lián)合法對(duì)于0～4 m之間的淺層土體加固效果最為顯著。同時(shí)，根據(jù)靜力觸探曲線還可大致判斷東營(yíng)地區(qū)的軟土層主要由淤泥質(zhì)黏性土和黏土組成。

圖4 測(cè)試點(diǎn)強(qiáng)夯前后靜力觸探曲線

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)將重的錘重從高度出落下，然后將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的開(kāi)管式的貫入器打入土中，根據(jù)貫入阻抗判斷土體工程性質(zhì)。測(cè)試點(diǎn)地基夯擊處理前后土層的物理力學(xué)性質(zhì)結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可見(jiàn)，聯(lián)合強(qiáng)夯處理前，淤泥層的標(biāo)準(zhǔn)貫擊平均數(shù)為6.4擊，處理后，淤泥層的標(biāo)準(zhǔn)貫擊平均數(shù)為7.8擊，增加了21.88%；處理前，黏土層的標(biāo)準(zhǔn)貫擊平均數(shù)為9.6擊，處理后，黏土層的標(biāo)準(zhǔn)貫擊平均數(shù)為10.6擊，增加了10.42%。由于聯(lián)合強(qiáng)夯的夯擊能有效加固深度有限，對(duì)于更深土層的黏土層加固效果不如淤泥層，強(qiáng)夯法對(duì)于淺層土的加固壓密效果更好。夯擊后，淤泥層和黏土的含水率較處理前分別降低了17.86%、19.00%，淤泥層和黏土的孔隙比較處理前分別降低了28.70%、9.38%，聯(lián)合加固法對(duì)軟土的物理性質(zhì)改變較大。淤泥層的壓縮系數(shù)由0.51降至0.43，黏土層壓縮系數(shù)由0.45降至0.36；淤泥層的黏聚力由9.24 kPa增加至19.48 kPa，黏土層的黏聚力由10.37 kPa增加至21.49 kPa，最大增幅達(dá)111%。由各項(xiàng)指標(biāo)具體數(shù)值可見(jiàn)，土體的工程性質(zhì)與力學(xué)強(qiáng)度得到改善。

表1 試驗(yàn)區(qū)地基處理前后土層的物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 軟土地基數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)靜力觸探試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)利用數(shù)值分析軟件進(jìn)行土體承載力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，淤泥層和黏土層經(jīng)聯(lián)合夯擊后地基承載力均得到有效提升，處理后所有測(cè)試點(diǎn)土層的承載力均在120.0 kPa以上，處理后測(cè)試點(diǎn)最小承載力為132.4 kPa，最大承載力為180.2 kPa，而《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)中要求淤泥層、黏土層的設(shè)計(jì)承載力最小值分別為110.0 kPa、130.0 kPa，可見(jiàn)施工效果滿足設(shè)計(jì)要求。由具體數(shù)值分析可知對(duì)于三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的淤泥土層、黏土層承載力提升幅度分別為114.5%、82.4%、124.3%、190.8%、146.9%、69.1%，測(cè)試點(diǎn)2的黏土層土體承載力增加將近2倍，加固效果顯著。

圖5 地基承載力變化

對(duì)FLAC-3D建立聯(lián)合加固作用下軟土地基的數(shù)值模型進(jìn)行結(jié)果分析，位移變化曲線如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，隨著土層深度的增加，土體豎向位移變化曲線均呈下降趨勢(shì)，在淺圖層區(qū)域夯擊作用下土體豎向位移變化較大；土層深度相同時(shí)，夯擊時(shí)間越長(zhǎng)，土體豎向位移越大，夯擊時(shí)間為0.03 s時(shí)，土體表層模擬豎向位移大小為32.2 cm；夯擊時(shí)間為0.01 s時(shí)，土體表層模擬豎向位移大小僅2 cm。結(jié)合FLAC-3D軟件模擬工程狀況來(lái)看，聯(lián)合加固法作用下加固土體的水平位移沿夯錘的外側(cè)水平增大，豎向與周邊的土體都被壓實(shí)緊密，隨著時(shí)間的增加，水平位移與豎向位移值都不斷增加，聯(lián)合加固法對(duì)土體的擠密壓實(shí)效果顯著。

圖6 位移變化曲線

土體孔隙水壓變化如圖7所示，F(xiàn)LAC-3D軟件只考慮自身滲透能力，不考慮井點(diǎn)降水的貢獻(xiàn)。由圖7數(shù)值模擬曲線可見(jiàn)，隨著土層深度增加，孔隙水壓大小呈先減小后增大的趨勢(shì)。以強(qiáng)夯作用時(shí)間為0.20 s為例，在土層深度0～3 m的深度范圍內(nèi)，超孔水壓力隨著深度增加而減小，超孔水壓值由45 000 Pa下降至3000 Pa；在-7～-3 m范圍內(nèi)，超孔水壓值由3000 Pa上升至59 000 Pa。相同深度條件下，強(qiáng)夯作用時(shí)間在0.01 s到0.05 s范圍內(nèi)，孔隙水壓力逐漸增加，時(shí)間在0.10 s到0.20 s范圍內(nèi)，孔隙水壓力有減小趨勢(shì)，孔隙水壓力大致呈先增大后減小的規(guī)律。

圖7 土層深度對(duì)超孔壓的影響規(guī)律

3 結(jié) 論

為了保證東營(yíng)地區(qū)農(nóng)田水利工程的軟土地基加固施工效果，工程聯(lián)合使用了強(qiáng)夯法與井點(diǎn)降水法。試驗(yàn)結(jié)果表明，夯擊后比貫入阻力最大提升90.00%，聯(lián)合法對(duì)于0～4 m的淺層土體加固效果最優(yōu)；夯擊后淤泥層、黏土層的標(biāo)準(zhǔn)貫擊分別增加了21.88%、10.42%；土層的含水率、孔隙比以及壓縮系數(shù)均有降低，黏聚力增幅可達(dá)111.00%。數(shù)值分析表明，夯擊后地基承載力明顯提升，最高土體承載力增加近2倍；土體水平與豎向位移均有增加，孔隙水壓隨土層深度增大呈先減小后增大的趨勢(shì)。聯(lián)合法在該地區(qū)農(nóng)田水利工程軟土地基加固施工效果良好，但研究數(shù)值模型單一簡(jiǎn)單，有待優(yōu)化。