基于有效固結力模型的河道堤防加固技術

摘 要：在眾多基礎設施建設中，河道堤防工程對確保水利工程項目穩定運轉具有重要左右。本文提出了基于有效固結力模型的河道堤防加固技術，旨在提高河道堤防工程的穩定性和安全性。針對有效預應力模型的不足，構建有效固結力模型的理論方程并進行原理性分析。針對河道堤防基土加固問題，提出強化樁配合分層分塊換填砂的地方加固措施。在河道堤防加固試驗中，證實了有效固結力模型優于有效預應力模型，其基土固結度為45%時，可以確保河道堤防的安全。

關鍵詞：河道堤防工程；加固技術；有效固結力；預應力

中圖分類號：TV 87" " 文獻標志碼：A

大江大河沿岸修筑堤防工程是防治水患、引流疏導、有效利用水能的重要基礎建設。因此，河道堤防工程也成為目前領域研究的熱點[1]。充分考慮河道區域上、下層土質特點進行有針對性的設計是確保河道堤防工程安全性的關鍵所在。河道區域的土質以長期沉淀的細粒度土質結構為主，因此整體堅實度差、承載力低，在高強度的載荷作用下容易產生沉降[2]。再加上土質顆粒較細，容易在水浸情況下粘結，形成黏性的土質結構，滲透性差且容易產生滑移。綜上所述，河道沿岸區域上、下層土質結構均有強度不足、承載力不夠的缺點，易使其上興建的堤防工程出現失穩、沉降和滑移等現象[3]。因此，對河道堤防工程尤其是其地基土、周邊土進行加固就成為確保堤防安全的重點工作。加固河道堤防的方法包括對基土進行換填砂配合夯實、堆載配合頂部預壓和強化樁嵌入等[4]。本文在有效固結力模型的基礎上，提出了河道堤防工程的加固技術。

1 基于有效固結力模型的土質強化技術

如上所述，河道堤防工程的周邊土尤其是基土存在強度不足的突出問題。為了使其適用于堤防工程的承載，可以在其上方預添加應力來提高土質強度。假設不進行任何前期處理，原有土質在自身重力的作用下也會因沉降、風化等自然因素出現固結，這種固結會增加土質結構的強度。此時，在其上施加預應力，可以進一步增加土質結構的強度。經驗數據表明，初期的預應力可以將河道土質結構的前度提高50%以上，而長期施加預應力可以將河道土質結構的前度提高80%以上。施加預應力帶來的土質強度增加稱為應力固結模型，具體原理如下。

考察土質結構的強度，一般用其抵抗剪切作用的強度參數來表示，在施加應力的作用下，其抗剪切效果的前、后變化如公式（1）所示。

τ1=η（τ0+?τ） （1）

式中：τ0表示沒有施加預應力時河道土質結構表現出的初始抗剪切能力；τ1表示施加預應力后河道土質結構表現出的初始抗剪切能力；?τ表示施加預應力前、后河道土質結構表現出的初始抗剪切能力的增量；η表示理論結果到實際結果的折算因子。

從公式（1）可以看出，施加預應力后河道土質結構表現出的初始抗剪切能力與2個因素有關。第一個因素是河道土質結構的初始抗剪切能力，第二個因素是河道土質結構的初始抗剪切能力在施加預應力后的增量。當然，這種關系體現為一定的倍數關系，這個倍數的大小即折算因子。

公式（1）中，?τ的計算方法如公式（2）所示。

（2）

式中：σ0表示沒有施加預應力時河道土質結構承受的自然應力；σ1表示施加預應力后河道土質結構承受的總應力；φ表示土質結構顆粒度對應的摩擦角。

從公式（2）可以看出，施加預應力前、后河道土質結構表現出的初始抗剪切能力的增量與3個因素有關。第一個因素是河道土質結構承受的自然應力，第二個因素是施加預應力后河道土質結構承受的總應力，第三個因素是土質結構顆粒度對應的摩擦角的余弦值。

從上述過程可以看出，在預應力理論的基本模型下，河道土質結構強度的變化可以建立有效的數學模型，但其難點是其中部分參數難以在實際中完成測量。例如，土質結構的抗剪切強度測算需要將土質孔隙壓力作為測算基，但這并不容易得到。

針對預應力模型的不足，本文采用有效固結力模型來進行土質結構強度核算，河道土質結構在有效固結前、后的抗剪切能力增長如公式（3）所示。

?τ=U?σtanφ （3）

式中：?τ表示施加預應力前、后河道土質結構表現出的初始抗剪切能力的增量；U表示經過加固處理后河道土質結構的實際固結程度；?σ表示加固處理前、后河道土質結構承受的應力變化；φ表示土質結構顆粒度對應的摩擦角。

從公式（3）可以看出，施加預應力前、后河道土質結構表現出的初始抗剪切能力的增量與3個因素有關。第一個因素是加固處理后河道土質結構的實際固結程度，第二個因素是加固處理前、后河道土質結構承受的應力變化，第三個因素是土質結構顆粒度對應的摩擦角的正切值。

在公式（3）中，由于無法有效測得孔隙壓力，因此很難計算?σ。本文采用一種等效的計算方法，如公式（4）所示。

（4）

式中：?σ表示加固處理前、后河道土質結構承受的應力變化；σ0表示沒有加固處理前河道土質結構承受的自然應力；K表示固結增益系數。

至公式（4），本文得到了一個便于計算又可實際測得的模型，即有效固結力模型。接下來只要采取有效的加固方案，就可以應用公式（3）和公式（4）測算河道土質結構加固前、后抗剪切強度等特征的變化。

2 河道堤防工程基土的加固方案

本文針對河道堤防工程的實際情況，并結合河道土質結構特點，給出了具體的基土加固方案，如圖1所示。

從圖1可以看出，最上方為壩面，壩面以下為基土。為了改變原有基土的土質結構，獲得更好的加固效果，本文采取了強化樁嵌入配合換填砂的加固方案。在該加固方案中，大量的強化樁以預先設定好的規律密集地嵌入原有基土中，構成壩底的支撐骨架。各排強化樁間自然隔離出均勻的空間，再在每一個空間內進行換填砂處理，具體如圖2所示。

在相鄰強化樁分隔出的每一個空間內，按照分塊、分層的操作策略進行換填砂的土質強化，即以箱模成型，一塊一塊地植入強化樁隔離出的基土區域內。為了確保強度和固結效果，將每一塊替換土分層填裝、逐層壓實，直至填充整個箱模。這樣的操作流程和處理工藝可使換填砂最大強度地替代原有的軟土土質，取得較好的河道堤防基土加固效果。

3 河道堤防工程的加固試驗結果與分析

上文分析了基于預應力模型的加固方法原理，針對其不足又提出了基于有效固結力模型的加固方法，給出了詳細的理論分析和模型推導過程，并基于有效固結力模型的基本原理，針對河道堤防工程的基土加固，提出了詳細的加固方案，即密排強化樁結合分塊分層換填砂的強化方案。下文將通過試驗來驗證加固處理后的效果。

第一組試驗是分析在本文提出的加固方案下，河道堤防工程安全系數和基土固結度間的關系。試驗過程中，同時選擇有效預應力模型法和有效固結力模型法并進行比較，試驗結果如圖3所示。

在圖3中，河道堤防工程的安全系數以1為分界線，1屬于基本的安全狀態，低于1表明河道堤防工程存在安全隱患，高于1表明河道堤防工程安全。安全系數越高，河道堤防工程的安全程度越高。從圖3中的2組曲線變化結果可以看出，在本文的加固方法下，隨著河道堤防工程基土固結度不斷提高，河道堤防工程的安全系數也不斷增加，但基于有效固結力模型法明顯高于基于有效預應力模型法。在有效固結力模型下，基土固結度為45%左、右時，河道堤防工程即達到安全狀態。而在有效預應力模型下，基土固結度需要達到75%左、右時，河道堤防工程才能達到安全狀態。

第二組試驗考察細顆粒度基土對加固效果的影響，結果如圖4所示。細顆粒指的是基土顆粒較小，體現在參數指標上，其摩擦角為15°左右。

從圖4中2條曲線的走勢來看，隨著河道堤防工程坡度比不斷增大，加固后的安全系數均不斷提高。而從2條曲線的對比情況來看，基于有效固結力模型法的安全系數一直高于基于有效預應力模型法的安全系數。

第三組試驗考察粗顆粒度基土對加固效果的影響，結果如圖5所示。粗顆粒度指的是基土顆粒較大，體現在參數指標上，其摩擦角為25°左、右。

從圖5中2條曲線的走勢來看，隨著河道堤防工程坡度比不斷增大，加固后的安全系數均不斷提高。而從2條曲線的對比情況來看，坡度比低于1∶3.5時，基于有效固結力模型法的安全系數一直低于基于有效預應力模型法的安全系數。坡度比高于1∶3.5時，基于有效固結力模型法的安全系數開始高于基于有效預應力模型法的安全系數。

4 結論

河道堤防工程是防治水患、引流疏導和有效利用水能的重要基礎建設。為了提升河道堤防工程的安全性，本文針對堤防工程的加固技術進行了研究。首先，分析了有效預應力模型和有效固結力模型的原理，并確定有效固結力模型為加固處理的理論模型。其次，提出了強化樁配合分層分塊換填砂的地方加固措施。最后，從3個方面進行驗證性試驗研究，試驗結果顯示：在有效固結力模型下，基土固結度為45%左、右時，河道堤防工程可以達到安全狀態；在基土為細顆粒度的情況下，基于有效固結力模型法的安全系數一直高于基于有效預應力模型法的安全系數；在基土為粗顆粒度的情況下，2種方法的安全系數交替上升。

參考文獻

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