三合土墊層在加培堤不均勻沉降控制中的效果分析

蘭 滔，郎東明，王遠(yuǎn)明

(1. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2. 黑龍江省三江工程建設(shè)管理局， 哈爾濱 150081)

0 引 言

2013年嫩江、松花江、黑龍江(簡(jiǎn)稱“三江”)發(fā)生特大洪水并引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。洪水過后，黑龍江省在國(guó)家支持下開始推進(jìn)“三江”治理工程建設(shè)。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)劃，三江工程治理中，松花江干流新建堤防48.8 km，改線堤防8.7 km，加高培厚堤防602.8 km，修建堤頂?shù)缆? 427.8 km，新建防汛路538.169 km；嫩江干流新建堤防11.8 km，加高培厚堤防157.8 km，改線堤防0.6 km，修建堤頂?shù)拦?77.6 km，新建上堤路90.3 km，上堤坡道7.3 km，新建防浪林52.6 km。在上述各項(xiàng)治理工作中，加高培厚堤防工程量大線長(zhǎng)，僅松花江就有602.8 km，圖 1給出了某加培堤斷面的施工圖。

由于堤基的不均勻性、新老堤基固結(jié)程度的不同、新老堤身之間的壓縮模量差異(主要由滲流、生物洞穴、凍融變形造成)等問題，可能導(dǎo)致加培堤產(chǎn)生不均勻沉降。過大的不均勻沉降可導(dǎo)致堤頂路面的早期開裂，這降低了行車的舒適性，縮短了路面的壽命，降低了加培堤的邊坡穩(wěn)定性，甚至也給汛期防洪帶來安全隱患。因此，開展針對(duì)加培堤不均勻沉降控制方法的研究具有實(shí)際意義。

不均勻沉降在其他工程中也是普遍存在的，例如：橋梁[1]、高速鐵路[2, 3]、高速公路[4]、大壩[5]等。近年來，不均勻沉降控制方法的研究已經(jīng)取得豐碩的成果，例如：港珠澳大橋的海底半剛性沉管[1]、樁筏式基礎(chǔ)[6]、水泥混凝土板樁[7]、水泥粉煤灰碎石樁[7]、樁網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)[2, 8]、高壓灌漿[9]、加筋錨固[4]等。但，這些方法大都具有一定的局限性，例如：加筋錨固[4]的作用主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性的提高，沉降控制是其次要作用。因此，如何控制新老堤身的壓縮性差異所造成的加培堤不均勻沉降是一個(gè)有待解決的問題。

三合土較普通土體具有更高的強(qiáng)度，也被廣泛用于道路基層、建筑工程等的地基加固[10]。但目前針對(duì)三合土的研究較少，可查的資料有強(qiáng)度研究[11]和配合比研究[10]。材料組成上講，三合土是一種由生石灰、黏土、砂和水按比例配合而成的、古老的復(fù)合材料。三合土強(qiáng)度的提高在于，生石灰、水和二氧化碳相遇會(huì)生成強(qiáng)度較高的碳酸鈣。因此，本文以黑龍江省的“三江”治理工程為研究原型，以加培堤為研究對(duì)象，針對(duì)新老堤身之間的壓縮性的差異所造成的不均勻沉降問題，緊緊圍繞加培堤的不均勻沉降控制方法，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和有限元仿真的方法，分析了三合土墊層在加培堤不均勻沉降控制中的效果分析，以期為加培堤的不均勻沉降控制提供參考。

圖1 加高培厚堤防3+600斷面的施工圖(單位：m)Fig.1 Construction drawing of a section of heightening and thickening levee

1 三合土墊層沉降控制效果室內(nèi)試驗(yàn)研究

1.1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)方法

本文所指的三合土墊層是鋪在新老堤頂，三合土墊層上是加高土，如圖2(d)所示。下就室內(nèi)模型的幾何尺寸、材料、布置方法、加載方式以及試驗(yàn)步驟敘述如下：

圖2給出了三合土沉降控制的幾何模型、相關(guān)材料與布置方法。其中，圖2(a)給出了本次試驗(yàn)中土工槽和試驗(yàn)堤防的幾何尺寸。圖2(b)給出了本次試驗(yàn)的加載方式和測(cè)量方法，具體而言，本次試驗(yàn)采用兩根直徑110 mm的PVC管，以模擬堤頂路面的車輛荷載。并利用千斤頂和反力架，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)PVC管的加載從而實(shí)現(xiàn)堤頂車輛荷載的模擬。本次試驗(yàn)中，三合土的質(zhì)量配比為：石灰∶砂∶粗骨料=3∶3∶4，加入18%的水?dāng)嚢杈鶆虿磮D 2(c)所示鋪設(shè)，三合土在達(dá)到7 d齡期之后再進(jìn)行加載。需要說明的是，試驗(yàn)中的加載采用的是施加位移荷載的方法，這是因?yàn)樵囼?yàn)條件所限。

圖2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.2 Experimental design

在測(cè)量方面，本次試驗(yàn)采用了兩種測(cè)量方法：第一種是在堤頂?shù)乃慕遣贾昧税俜直磉M(jìn)行沉降觀測(cè)用以觀測(cè)堤頂路面兩側(cè)的沉降；第二種是在試驗(yàn)結(jié)束后用卷尺直接測(cè)量凹槽的深度。事實(shí)上，后者的對(duì)比可以直接反應(yīng)兩種沉降控制方法的控制效果。圖 2(c)給出了三合土置換法的試驗(yàn)布置示意圖。為了模擬新老堤之間的壓縮性差異，老堤防(老堤)采用砂土來模擬，加培土體采用黏土。值得注意的是，每次試驗(yàn)之后應(yīng)該對(duì)土體進(jìn)行振搗、疏松，再重塑試驗(yàn)堤防。其目的是保證兩組對(duì)比試驗(yàn)的試驗(yàn)條件(材料、荷載、邊界、初始狀態(tài))盡量的相同，從而為驗(yàn)證三合土沉降控制的適用性和有效性提供前提條件。

試驗(yàn)過程如下：①構(gòu)建各個(gè)試驗(yàn)方案的幾何模型；②利用螺絲和玻璃桿把百分表固定于木板上，再用鐵夾子把木板的兩頭固定在土工槽的邊緣，從而實(shí)現(xiàn)觀測(cè)儀器的安裝；③在堤頂路面對(duì)稱布置兩個(gè)直徑110 mm的PVC管，其上居中放置一塊木板。木板上居中放置一個(gè)混凝土塊和千斤頂，千斤頂?shù)纳戏桨惭b有反力架；④利用卷尺測(cè)量千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)長(zhǎng)度從而實(shí)現(xiàn)位移荷載的施加，本次試驗(yàn)中的位移荷載的大小為8 cm；⑤試驗(yàn)結(jié)束利用卷尺測(cè)量堤頂?shù)淖畲笙鲁亮坎⑵渥鳛榉桨傅脑u(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1.2 材料參數(shù)

目前我國(guó)城鄉(xiāng)飲用水安全問題非常突出，由于水源減少，原水污染日益加劇，污染事故頻繁發(fā)生，極大地危害城鄉(xiāng)群眾的身體健康，同時(shí)，我國(guó)尚有大量農(nóng)村人口沒有喝上健康衛(wèi)生的自來水。城鄉(xiāng)集約化供水可以很大程度解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)日益突出的飲用水安全隱患問題，因此城鄉(xiāng)集約化供水是解決供水安全問題的主要發(fā)展思路和方向。

為了獲得有限元的土工參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)土樣(包括：黏土、砂和三合土)進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗(yàn)(環(huán)刀試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)和壓縮實(shí)驗(yàn)等)，表 1給出土樣的土工試驗(yàn)參數(shù)。

表1 室內(nèi)土工試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters for soil

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

需要首先說明的是：盡管模型試驗(yàn)是參考了實(shí)際工程，但確未能完全與實(shí)際工程相似，否則試驗(yàn)的過程將格外復(fù)雜而艱難。此外，文中模型試驗(yàn)結(jié)果雖不足以反映實(shí)際工程的沉降控制情況，但是對(duì)了解三合土沉降控制的效果是大有裨益的。

圖3給出了三合土在加培堤沉降控制中適用性與有效性的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。從圖3可知，相同的試驗(yàn)條件下，三合土置換后沉降比未加控制措施的堤防減少了30%，這說明了三合土置換對(duì)加培堤沉降控制的有效性。

特別地，對(duì)于加培量較大，加培土與老堤身的壓縮性存在較大差異的時(shí)候可以采用本法進(jìn)行不均勻沉降控制。

圖3 三合土置換的控制效果Fig.3 Control effect of composite soil replacement

2 三合土墊層沉降控制的有限元分析

2.1 沉降控制的有限元分析

雖然本文進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，但其不足以反映加培堤內(nèi)部的應(yīng)力變化規(guī)律。因此，針對(duì)室內(nèi)模型試驗(yàn)開展了有限元分析，進(jìn)一步分析加培堤的沉降變形規(guī)律，為第3節(jié)的配合比優(yōu)選做計(jì)算準(zhǔn)備。有限元模型的建模過程以及有效性驗(yàn)證如下。

2.1.1 有限元模型的建立

圖4 加培堤的有限元模型Fig.4 Finite element model

2.1.2 有限元模型的驗(yàn)證

圖5給出了有限元計(jì)算與室內(nèi)模型試驗(yàn)的沉降對(duì)比。試驗(yàn)中，當(dāng)位移荷載等于4 cm時(shí)，行車凹槽的深度為4.3 cm而相對(duì)應(yīng)的有限元凹槽深度為4.4 cm，其相對(duì)誤差約為2.32%。誤差在可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)也表明本文所建立的有限元模型是有效的。

圖5 有限元模型的驗(yàn)證Fig.5 Verification of finite element model

2.2 加培堤的沉降有限元分析

2.2.1 加培堤沉降控制分析

需要首先說明的是，加培堤不均勻沉降控制效果受控于很多因素，例如，三合土的強(qiáng)度、三合土土層的厚度等。但本文的研究成果僅適用于加高高度在0～0.5 m之間的加培堤。事實(shí)上，實(shí)際加培堤工程的加高高度在0～0.5 m居多。

圖6給出了控制與未控制下的堤頂路面沉降梯度對(duì)比。從圖6(a)～圖6(b)可知，三合土控制后的最大沉降量由7.3 cm減少到了5.1 cm，這比未加控制措施的減少了31.5%左右，這也跟本文的試驗(yàn)結(jié)果相互印證。此外，三合土置換之后，堤頂?shù)某两堤荻扔稍瓉淼?.73%減少到了0.51%，比未加控制措施的減少了30%左右。文獻(xiàn)[12]指出當(dāng)沉降梯度大于0.6%時(shí)，堤頂產(chǎn)生裂縫的概率較大。事實(shí)上，老堤經(jīng)過多年來的固結(jié)和壓實(shí)作用已經(jīng)具有較高的密實(shí)度，同時(shí)，三合土因配有石灰而具有較高的強(qiáng)度。因此，三合土層具有應(yīng)力擴(kuò)散的作用，通過三合土層將上部附加荷載傳遞到老堤。因此，三合土墊層可以降低了堤頂路面開裂的概率從而達(dá)到了工程控制的目的。

圖6 不同材料組合下的有限元分析Fig.6 Finite element analysis for different combination

2.2.2 加培堤路面應(yīng)力分析

從圖6(c)可知，加培堤的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)合面附近，這就容易導(dǎo)致結(jié)合面附近的路面開裂。因此，建議堤頂路面的鋪設(shè)應(yīng)該在加培土固結(jié)完成之后。在實(shí)際工程中，當(dāng)新老堤之間的壓縮性差異較大時(shí)應(yīng)保證結(jié)合面附近的三合土強(qiáng)度，以免其開裂。

3 三合土的配合比優(yōu)選

土體本身和環(huán)境的復(fù)雜性決定了影響土體壓縮性的因素很多，例如：變形模量、有機(jī)質(zhì)含量、土的成分、孔隙比、孔隙水、溫度、土體的各向異性與結(jié)構(gòu)性等；但本文只針對(duì)于新老堤身的壓縮性差異所造成的不均勻沉降進(jìn)行分析，鑒于此，本文只討論了工程設(shè)計(jì)中的常用指標(biāo)(壓縮模量)對(duì)沉降的影響，以期為工程設(shè)計(jì)與施工提供一個(gè)參考。

3.1 三合土的配合比強(qiáng)度分析

為此，本文對(duì)不同質(zhì)量配比的三合土進(jìn)行了室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，圖7(a)給出了三合土在不同質(zhì)量配比下的強(qiáng)度結(jié)果，為求解滿足沉降控制要求下的經(jīng)濟(jì)石灰用量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，由于施工存在就地取材、滲流、生物洞穴以及凍融變形等問題，這會(huì)造成老堤與回填土之間的壓縮性具有空間變異性。為了討論的方便，本節(jié)采用了平均變形模量，不考慮變形模量的空間變異性。這里假設(shè)老堤的平均變形模量為E1=20 MPa，回填土的平均變形模量為E2：

定義常數(shù)η：

η=E1/E2

(1)

η的意義反映了新老堤之間的壓縮性差異，其值越大則兩者壓縮性差異越大。

圖7(b)給出了不同材料組合下的三合土變形模量與路面沉降梯度的關(guān)系。

3.2 三合土的最優(yōu)配合比分析

事實(shí)上，石灰的用量既是一個(gè)強(qiáng)度控制指標(biāo)也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為了得到最經(jīng)濟(jì)的配合比設(shè)計(jì)，首先通過文獻(xiàn)[12]給出的警戒沉降梯度可以在確定出三合土的臨界變形模量，再通過圖7(a)插值反求經(jīng)濟(jì)的質(zhì)量配合比。表 2給出了不同材料組合下的最經(jīng)濟(jì)的質(zhì)量配合比設(shè)計(jì)。從表2可知，隨著η增加，三合土的石灰含量逐漸增加。這是由于新老堤之間的壓縮性差異越大，結(jié)合面處產(chǎn)生不均勻沉降的概率越大，這對(duì)三合土層的強(qiáng)度就有較高的要求。這就解釋了表2所給出的η與石灰含量的關(guān)系，同時(shí)，表2給出的不同材料組合下的配合比設(shè)計(jì)可以為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工提供參考。

圖7 三合土質(zhì)量配合比分析Fig.7 Mixing proportion analysis for composite soil

4 結(jié) 語

本文針對(duì)新老堤身的壓縮模量的差異所造成的加培堤在新老結(jié)合面附近產(chǎn)生的縱向開裂問題，分析了三合土墊層在加培堤不均勻沉降控制的效果。主要結(jié)論如下。

表2 不同材料組合下的最優(yōu)質(zhì)量配合比Tab.2 Optimal mixing proportion

(1) 三合土換填較未控之前，沉降減小了30%，這驗(yàn)證了三合土換填法在加培堤不均勻沉降控制中的有效性、適用性；

(2) 利用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)得到三合土七天齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度與其配合比的定量關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，利用有限元仿真的方法給出了新老堤身不同壓縮模量組合下的三合土最優(yōu)質(zhì)量配比，以期為實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

但必須說明的是，三合土的配制確實(shí)給施工帶來了困難，大范圍推廣其在加培堤中的應(yīng)用是不行的，但是對(duì)于一些局部條件適合的堤段(例如：當(dāng)?shù)赜腥贤潦┕そ?jīng)驗(yàn)、新老堤身壓縮模量差異較大等情況)，此法確也是適用的。對(duì)于無三合土使用條件的堤段，可考慮采用水泥穩(wěn)定土代替。

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