寒冷地區(qū)引水渠道地基加固處理研究

王 旗

（湖北省引江濟(jì)漢工程管理局，湖北 荊州 434000）

灌區(qū)引水渠道輸送的主要物質(zhì)為水，水對(duì)巖土體強(qiáng)度的劣化具備不可忽視的作用，水是巖土體變形破壞的主要誘發(fā)因素之一。許多學(xué)者對(duì)巖土體干濕循環(huán)作用下的強(qiáng)度劣化特征進(jìn)行了研究[1-3]，在多次干濕循環(huán)作用下，巖土體強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生明顯的下降；同時(shí)在干濕循環(huán)作用下，巖土體結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的損傷。在寒區(qū)，巖土體經(jīng)常產(chǎn)生凍脹破壞，且凍融循環(huán)作用下，巖土體也會(huì)同干濕循環(huán)一樣產(chǎn)生強(qiáng)度劣化和結(jié)構(gòu)損傷[4-6]。

1 工程概況

工程位于我國(guó)北方寒區(qū)某灌區(qū)，地基巖土體類型為耕植土，為灌區(qū)引水渠道進(jìn)入農(nóng)田段，天然狀態(tài)下，巖土體密度ρ=1.58g/cm3，孔隙比e=0.95，含水率ω=12.6%，由于距離農(nóng)田較近，灌溉時(shí)，巖土體可達(dá)到飽和狀態(tài)，地下水位埋深較淺。

2 地基凍脹率

巖土體的凍脹主要是由于水在凍結(jié)作用下體積變化造成的，巖土體顆粒自身的凍脹產(chǎn)生的體積變化與水體積變化相比可以忽略不計(jì)。

因此，假設(shè)原狀土總重量為M總，黃土顆粒的干密度為ρ土，含水率為ω。則滿足下式：

式中 V土為土體顆粒的體積；V總1為原狀土體積；V總2為凍脹后的體積。

體積變化率η為：

已知ρ水=1.0g/cm3，ρ冰=0.9g/cm3，因此，體積變化率為：

從式（5）中可以看出，巖土體凍脹體積變化率與含水率呈正相關(guān)關(guān)系，降低巖土體中的含水率可以有效降低巖土體的凍脹變化。

3 干濕—凍融循環(huán)作用下巖土體強(qiáng)度劣化

在項(xiàng)目區(qū)獲取原狀樣，進(jìn)行室內(nèi)干濕—凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究干濕—凍融循環(huán)作用下巖土體強(qiáng)度劣化特征。選用目前常用的恒溫恒濕試驗(yàn)箱完成干濕—凍融循環(huán)。進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)研究巖土體強(qiáng)度變化。干濕—凍融循環(huán)試驗(yàn)步驟[7]：

（1）將實(shí)驗(yàn)樣品放入實(shí)驗(yàn)箱，模擬當(dāng)?shù)叵募練夂?。設(shè)置溫度為25℃，濕度為75%的實(shí)驗(yàn)箱環(huán)境對(duì)樣品進(jìn)行干燥。當(dāng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)樣品的縮限時(shí)，即可停止干燥。對(duì)樣品進(jìn)行抽氣飽水，再次進(jìn)行干燥，直至含水率變?yōu)?0%。即完成1次干濕循環(huán)。

（2）模擬當(dāng)?shù)囟練夂颉Ｔ跇悠吠獍粚颖Ｗo(hù)膜，設(shè)置溫度為-15 ℃的實(shí)驗(yàn)箱環(huán)境對(duì)樣品進(jìn)行凍結(jié)。凍結(jié)時(shí)間24h。在溫度為15 ℃的實(shí)驗(yàn)箱環(huán)境進(jìn)行融化24h，即完成1次凍融循環(huán)。

（3）完成步驟（1）之后，緊接著進(jìn)行步驟（2）。即完成1次干濕—凍融循環(huán)。

通過多次循環(huán)試驗(yàn)，獲取巖土體強(qiáng)度參數(shù)黏聚力C值和內(nèi)摩擦角φ值隨循環(huán)次數(shù)的變化特征?？梢园l(fā)現(xiàn)干濕—凍融循環(huán)較其他兩種試驗(yàn)條件相比C值減小，最大φ值增加最大。不同循環(huán)實(shí)驗(yàn)條件下巖土體C，φ值變化如圖1。

圖1 C，φ值與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

巖土體強(qiáng)度參數(shù)（C，φ值）在完成首次實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生最大幅度的降低。在應(yīng)力相同的情況下：

（1）8 次干濕循環(huán)后C 值降低42.5%，φ 值增大6.7%（與天然狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比）。

（2）8 次凍融循環(huán)后C 值降低31.8%，φ 值增大4.8%（與天然狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比）。

（3）8次干濕—凍融循環(huán)后C值降低50.4%，φ值增大10.5%（與天然狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比）。

（4）巖土樣凍融循環(huán)次數(shù)的增加，C值逐漸減小，φ值逐漸增大，但兩者的減小和增大速率逐漸降低。

4 地基加固處理

目前常用的地基處理方法有5種類型： 置換法、壓密法、排水固結(jié)法、加筋處理法及膠結(jié)法[8-10]。

置換法主要采用高強(qiáng)度的巖土體將天然地基中力學(xué)性質(zhì)較差的巖土體進(jìn)行置換，置換后的材料與周圍巖土體形成較好的復(fù)合地基可以有效增強(qiáng)地基的承載力，目前主要應(yīng)用于砂土、粉土、淤泥質(zhì)土中。

壓密法主要是將結(jié)構(gòu)松散的巖土體進(jìn)行擠密壓實(shí)，首先在地基中鉆孔填入碎石等材料，使地基受到側(cè)向壓力進(jìn)行擠密壓實(shí)，從而降低巖土體的孔隙率，增加密實(shí)度提高地基承載力。

排水固結(jié)法是使用外加荷載對(duì)結(jié)構(gòu)松散、含水率較高的軟土地基進(jìn)行擠密壓實(shí)同時(shí)將巖土體中的水快速排出，該方法能較好的提高地基承載力同時(shí)可以控制地基的沉降。

加筋處理法是在巖土體中加入強(qiáng)度較高的材料，由于土顆粒自身的抗拉強(qiáng)度較小可以忽略，這些材料的加入形成土—筋符合地基，可以有效增加土體的抗拉強(qiáng)度。

膠結(jié)法的基本原理為化學(xué)加固，使用漿液注入巖土體中，在擠密壓實(shí)巖土體的同時(shí)又可以與周為巖土體形成較好的黏結(jié)，形成強(qiáng)度高、抗水性能好的膠結(jié)復(fù)合地基。這些方法是無數(shù)個(gè)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，在實(shí)際工程中取得了較好的效果。

研究可發(fā)現(xiàn)，該工程地基的破壞主要遭受含水率和凍脹作用控制。因此，針對(duì)工程特點(diǎn)采用壓密、保溫、渠道防滲的方法進(jìn)行處理。地基處理如圖2。

圖2 地基處理示意

5 結(jié)語

（1）在寒冷地區(qū)引水渠道建設(shè)中，渠道防滲是一項(xiàng)重要的工程，遇到一旦發(fā)生滲漏不但會(huì)造成輸送水源的效率對(duì)渠道下的地基也會(huì)產(chǎn)生不良的影響。工程的安全需要工程設(shè)計(jì)、施工等各個(gè)階段的完美配合，一個(gè)環(huán)節(jié)的疏漏將會(huì)造成整個(gè)工程的破壞。

（2）通過公式計(jì)算，巖土體顆粒凍脹作用下體積變化率與巖土體含水率呈正相關(guān)關(guān)系，對(duì)于引水渠道建設(shè)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制渠道滲漏，防止地基巖土體含水率過高，在凍融作用下產(chǎn)生較大的體積變化，造成渠道結(jié)構(gòu)破壞。

（3）通過室內(nèi)的巖土體力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)分析，在干濕—凍融作用下，巖土體強(qiáng)度將會(huì)產(chǎn)生較為明顯的劣化，強(qiáng)度變化大于干濕循環(huán)和凍融循環(huán)分別造成的劣化特征。在寒冷地區(qū)水利工程建設(shè)應(yīng)防止水工建筑周邊巖土體遭受干濕和凍融的綜合影響。

（4）通過研究確定灌區(qū)引水渠道建設(shè)中可能遇到的地基強(qiáng)度問題，具有針對(duì)性的提出適合當(dāng)?shù)貤l件的地基處理工程措施，取得了較好的效果。