摘 要：在眾多基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，河道堤防工程對確保水利工程項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要左右。本文提出了基于有效固結(jié)力模型的河道堤防加固技術(shù)，旨在提高河道堤防工程的穩(wěn)定性和安全性。針對有效預(yù)應(yīng)力模型的不足，構(gòu)建有效固結(jié)力模型的理論方程并進(jìn)行原理性分析。針對河道堤防基土加固問題，提出強(qiáng)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(yàn)中，證實(shí)了有效固結(jié)力模型優(yōu)于有效預(yù)應(yīng)力模型，其基土固結(jié)度為45%時(shí)，可以確保河道堤防的安全。

關(guān)鍵詞：河道堤防工程；加固技術(shù)；有效固結(jié)力；預(yù)應(yīng)力

中圖分類號：TV 87" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

大江大河沿岸修筑堤防工程是防治水患、引流疏導(dǎo)、有效利用水能的重要基礎(chǔ)建設(shè)。因此，河道堤防工程也成為目前領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1]。充分考慮河道區(qū)域上、下層土質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)是確保河道堤防工程安全性的關(guān)鍵所在。河道區(qū)域的土質(zhì)以長期沉淀的細(xì)粒度土質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，因此整體堅(jiān)實(shí)度差、承載力低，在高強(qiáng)度的載荷作用下容易產(chǎn)生沉降[2]。再加上土質(zhì)顆粒較細(xì)，容易在水浸情況下粘結(jié)，形成黏性的土質(zhì)結(jié)構(gòu)，滲透性差且容易產(chǎn)生滑移。綜上所述，河道沿岸區(qū)域上、下層土質(zhì)結(jié)構(gòu)均有強(qiáng)度不足、承載力不夠的缺點(diǎn)，易使其上興建的堤防工程出現(xiàn)失穩(wěn)、沉降和滑移等現(xiàn)象[3]。因此，對河道堤防工程尤其是其地基土、周邊土進(jìn)行加固就成為確保堤防安全的重點(diǎn)工作。加固河道堤防的方法包括對基土進(jìn)行換填砂配合夯實(shí)、堆載配合頂部預(yù)壓和強(qiáng)化樁嵌入等[4]。本文在有效固結(jié)力模型的基礎(chǔ)上，提出了河道堤防工程的加固技術(shù)。

1 基于有效固結(jié)力模型的土質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)

如上所述，河道堤防工程的周邊土尤其是基土存在強(qiáng)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(yù)添加應(yīng)力來提高土質(zhì)強(qiáng)度。假設(shè)不進(jìn)行任何前期處理，原有土質(zhì)在自身重力的作用下也會(huì)因沉降、風(fēng)化等自然因素出現(xiàn)固結(jié)，這種固結(jié)會(huì)增加土質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。此時(shí)，在其上施加預(yù)應(yīng)力，可以進(jìn)一步增加土質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，初期的預(yù)應(yīng)力可以將河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)的前度提高50%以上，而長期施加預(yù)應(yīng)力可以將河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)的前度提高80%以上。施加預(yù)應(yīng)力帶來的土質(zhì)強(qiáng)度增加稱為應(yīng)力固結(jié)模型，具體原理如下。

考察土質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，一般用其抵抗剪切作用的強(qiáng)度參數(shù)來表示，在施加應(yīng)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(yù)應(yīng)力時(shí)河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的初始抗剪切能力；τ1表示施加預(yù)應(yīng)力后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的初始抗剪切能力；?τ表示施加預(yù)應(yīng)力前、后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的初始抗剪切能力的增量；η表示理論結(jié)果到實(shí)際結(jié)果的折算因子。

從公式（1）可以看出，施加預(yù)應(yīng)力后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的初始抗剪切能力與2個(gè)因素有關(guān)。第一個(gè)因素是河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)的初始抗剪切能力，第二個(gè)因素是河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)的初始抗剪切能力在施加預(yù)應(yīng)力后的增量。當(dāng)然，這種關(guān)系體現(xiàn)為一定的倍數(shù)關(guān)系，這個(gè)倍數(shù)的大小即折算因子。

公式（1）中，?τ的計(jì)算方法如公式（2）所示。

（2）

式中：σ0表示沒有施加預(yù)應(yīng)力時(shí)河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)承受的自然應(yīng)力；σ1表示施加預(yù)應(yīng)力后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)承受的總應(yīng)力；φ表示土質(zhì)結(jié)構(gòu)顆粒度對應(yīng)的摩擦角。

從公式（2）可以看出，施加預(yù)應(yīng)力前、后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的初始抗剪切能力的增量與3個(gè)因素有關(guān)。第一個(gè)因素是河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)承受的自然應(yīng)力，第二個(gè)因素是施加預(yù)應(yīng)力后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)承受的總應(yīng)力，第三個(gè)因素是土質(zhì)結(jié)構(gòu)顆粒度對應(yīng)的摩擦角的余弦值。

從上述過程可以看出，在預(yù)應(yīng)力理論的基本模型下，河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化可以建立有效的數(shù)學(xué)模型，但其難點(diǎn)是其中部分參數(shù)難以在實(shí)際中完成測量。例如，土質(zhì)結(jié)構(gòu)的抗剪切強(qiáng)度測算需要將土質(zhì)孔隙壓力作為測算基，但這并不容易得到。

針對預(yù)應(yīng)力模型的不足，本文采用有效固結(jié)力模型來進(jìn)行土質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度核算，河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)在有效固結(jié)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(yù)應(yīng)力前、后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的初始抗剪切能力的增量；U表示經(jīng)過加固處理后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際固結(jié)程度；?σ表示加固處理前、后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力變化；φ表示土質(zhì)結(jié)構(gòu)顆粒度對應(yīng)的摩擦角。

從公式（3）可以看出，施加預(yù)應(yīng)力前、后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的初始抗剪切能力的增量與3個(gè)因素有關(guān)。第一個(gè)因素是加固處理后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際固結(jié)程度，第二個(gè)因素是加固處理前、后河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力變化，第三個(gè)因素是土質(zhì)結(jié)構(gòu)顆粒度對應(yīng)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(jì)算?σ。本文采用一種等效的計(jì)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(zhì)結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力變化；σ0表示沒有加固處理前河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)承受的自然應(yīng)力；K表示固結(jié)增益系數(shù)。

至公式（4），本文得到了一個(gè)便于計(jì)算又可實(shí)際測得的模型，即有效固結(jié)力模型。接下來只要采取有效的加固方案，就可以應(yīng)用公式（3）和公式（4）測算河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)加固前、后抗剪切強(qiáng)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(shí)際情況，并結(jié)合河道土質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(zhì)結(jié)構(gòu)，獲得更好的加固效果，本文采取了強(qiáng)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(qiáng)化樁以預(yù)先設(shè)定好的規(guī)律密集地嵌入原有基土中，構(gòu)成壩底的支撐骨架。各排強(qiáng)化樁間自然隔離出均勻的空間，再在每一個(gè)空間內(nèi)進(jìn)行換填砂處理，具體如圖2所示。

在相鄰強(qiáng)化樁分隔出的每一個(gè)空間內(nèi)，按照分塊、分層的操作策略進(jìn)行換填砂的土質(zhì)強(qiáng)化，即以箱模成型，一塊一塊地植入強(qiáng)化樁隔離出的基土區(qū)域內(nèi)。為了確保強(qiáng)度和固結(jié)效果，將每一塊替換土分層填裝、逐層壓實(shí)，直至填充整個(gè)箱模。這樣的操作流程和處理工藝可使換填砂最大強(qiáng)度地替代原有的軟土土質(zhì)，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(yàn)結(jié)果與分析

上文分析了基于預(yù)應(yīng)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(jié)力模型的加固方法，給出了詳細(xì)的理論分析和模型推導(dǎo)過程，并基于有效固結(jié)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(xì)的加固方案，即密排強(qiáng)化樁結(jié)合分塊分層換填砂的強(qiáng)化方案。下文將通過試驗(yàn)來驗(yàn)證加固處理后的效果。

第一組試驗(yàn)是分析在本文提出的加固方案下，河道堤防工程安全系數(shù)和基土固結(jié)度間的關(guān)系。試驗(yàn)過程中，同時(shí)選擇有效預(yù)應(yīng)力模型法和有效固結(jié)力模型法并進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

在圖3中，河道堤防工程的安全系數(shù)以1為分界線，1屬于基本的安全狀態(tài)，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(shù)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(jié)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(jié)度不斷提高，河道堤防工程的安全系數(shù)也不斷增加，但基于有效固結(jié)力模型法明顯高于基于有效預(yù)應(yīng)力模型法。在有效固結(jié)力模型下，基土固結(jié)度為45%左、右時(shí)，河道堤防工程即達(dá)到安全狀態(tài)。而在有效預(yù)應(yīng)力模型下，基土固結(jié)度需要達(dá)到75%左、右時(shí)，河道堤防工程才能達(dá)到安全狀態(tài)。

第二組試驗(yàn)考察細(xì)顆粒度基土對加固效果的影響，結(jié)果如圖4所示。細(xì)顆粒指的是基土顆粒較小，體現(xiàn)在參數(shù)指標(biāo)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(shù)均不斷提高。而從2條曲線的對比情況來看，基于有效固結(jié)力模型法的安全系數(shù)一直高于基于有效預(yù)應(yīng)力模型法的安全系數(shù)。

第三組試驗(yàn)考察粗顆粒度基土對加固效果的影響，結(jié)果如圖5所示。粗顆粒度指的是基土顆粒較大，體現(xiàn)在參數(shù)指標(biāo)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(shù)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(shí)，基于有效固結(jié)力模型法的安全系數(shù)一直低于基于有效預(yù)應(yīng)力模型法的安全系數(shù)。坡度比高于1∶3.5時(shí)，基于有效固結(jié)力模型法的安全系數(shù)開始高于基于有效預(yù)應(yīng)力模型法的安全系數(shù)。

4 結(jié)論

河道堤防工程是防治水患、引流疏導(dǎo)和有效利用水能的重要基礎(chǔ)建設(shè)。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(shù)進(jìn)行了研究。首先，分析了有效預(yù)應(yīng)力模型和有效固結(jié)力模型的原理，并確定有效固結(jié)力模型為加固處理的理論模型。其次，提出了強(qiáng)化樁配合分層分塊換填砂的地方加固措施。最后，從3個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示：在有效固結(jié)力模型下，基土固結(jié)度為45%左、右時(shí)，河道堤防工程可以達(dá)到安全狀態(tài)；在基土為細(xì)顆粒度的情況下，基于有效固結(jié)力模型法的安全系數(shù)一直高于基于有效預(yù)應(yīng)力模型法的安全系數(shù)；在基土為粗顆粒度的情況下，2種方法的安全系數(shù)交替上升。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑樹峰，莫海鴻，董志良，等.考慮地下水位影響的砂井地基強(qiáng)度增長計(jì)算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（6）：1269-1277.

[2]陳永平，戴振偉，鄒廣電.運(yùn)用優(yōu)化方法研究土坡穩(wěn)定分析圓弧法的數(shù)值解[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2024，25（3）：51-54.

[3]何春保，王林彬，李高揚(yáng).基于Mindlin解的矩形均布荷載作用下的附加應(yīng)力[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（3）：533-539.

[4]賈煜，楊龍才，王炳龍.條形拋物線荷載下樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的附加應(yīng)力計(jì)算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2023，32（2）：4098-4104.