三合土垫层在加培堤不均匀沉降控制中的效果分析

兰 滔，郎东明，王远明

(1. 河海大学水利水电学院，南京 210098；2. 黑龙江省三江工程建设管理局， 哈尔滨 150081)

0 引 言

2013年嫩江、松花江、黑龙江(简称“三江”)发生特大洪水并引发严重的洪涝灾害。洪水过后，黑龙江省在国家支持下开始推进“三江”治理工程建设。根据设计规划，三江工程治理中，松花江干流新建堤防48.8 km，改线堤防8.7 km，加高培厚堤防602.8 km，修建堤顶道路1 427.8 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，改线堤防0.6 km，修建堤顶道公路477.6 km，新建上堤路90.3 km，上堤坡道7.3 km，新建防浪林52.6 km。在上述各项治理工作中，加高培厚堤防工程量大线长，仅松花江就有602.8 km，图 1给出了某加培堤断面的施工图。

由于堤基的不均匀性、新老堤基固结程度的不同、新老堤身之间的压缩模量差异(主要由渗流、生物洞穴、冻融变形造成)等问题，可能导致加培堤产生不均匀沉降。过大的不均匀沉降可导致堤顶路面的早期开裂，这降低了行车的舒适性，缩短了路面的寿命，降低了加培堤的边坡稳定性，甚至也给汛期防洪带来安全隐患。因此，开展针对加培堤不均匀沉降控制方法的研究具有实际意义。

不均匀沉降在其他工程中也是普遍存在的，例如：桥梁[1]、高速铁路[2, 3]、高速公路[4]、大坝[5]等。近年来，不均匀沉降控制方法的研究已经取得丰硕的成果，例如：港珠澳大桥的海底半刚性沉管[1]、桩筏式基础[6]、水泥混凝土板桩[7]、水泥粉煤灰碎石桩[7]、桩网复合结构[2, 8]、高压灌浆[9]、加筋锚固[4]等。但，这些方法大都具有一定的局限性，例如：加筋锚固[4]的作用主要体现在稳定性的提高，沉降控制是其次要作用。因此，如何控制新老堤身的压缩性差异所造成的加培堤不均匀沉降是一个有待解决的问题。

三合土较普通土体具有更高的强度，也被广泛用于道路基层、建筑工程等的地基加固[10]。但目前针对三合土的研究较少，可查的资料有强度研究[11]和配合比研究[10]。材料组成上讲，三合土是一种由生石灰、黏土、砂和水按比例配合而成的、古老的复合材料。三合土强度的提高在于，生石灰、水和二氧化碳相遇会生成强度较高的碳酸钙。因此，本文以黑龙江省的“三江”治理工程为研究原型，以加培堤为研究对象，针对新老堤身之间的压缩性的差异所造成的不均匀沉降问题，紧紧围绕加培堤的不均匀沉降控制方法，采用室内模型试验和有限元仿真的方法，分析了三合土垫层在加培堤不均匀沉降控制中的效果分析，以期为加培堤的不均匀沉降控制提供参考。

图1 加高培厚堤防3+600断面的施工图(单位：m)Fig.1 Construction drawing of a section of heightening and thickening levee

1 三合土垫层沉降控制效果室内试验研究

1.1 室内模型试验

1.1.1 试验方法

本文所指的三合土垫层是铺在新老堤顶，三合土垫层上是加高土，如图2(d)所示。下就室内模型的几何尺寸、材料、布置方法、加载方式以及试验步骤叙述如下：

图2给出了三合土沉降控制的几何模型、相关材料与布置方法。其中，图2(a)给出了本次试验中土工槽和试验堤防的几何尺寸。图2(b)给出了本次试验的加载方式和测量方法，具体而言，本次试验采用两根直径110 mm的PVC管，以模拟堤顶路面的车辆荷载。并利用千斤顶和反力架，实现对两个PVC管的加载从而实现堤顶车辆荷载的模拟。本次试验中，三合土的质量配比为：石灰∶砂∶粗骨料=3∶3∶4，加入18%的水搅拌均匀并按图 2(c)所示铺设，三合土在达到7 d龄期之后再进行加载。需要说明的是，试验中的加载采用的是施加位移荷载的方法，这是因为试验条件所限。

图2 试验设计Fig.2 Experimental design

在测量方面，本次试验采用了两种测量方法：第一种是在堤顶的四角布置了百分表进行沉降观测用以观测堤顶路面两侧的沉降；第二种是在试验结束后用卷尺直接测量凹槽的深度。事实上，后者的对比可以直接反应两种沉降控制方法的控制效果。图 2(c)给出了三合土置换法的试验布置示意图。为了模拟新老堤之间的压缩性差异，老堤防(老堤)采用砂土来模拟，加培土体采用黏土。值得注意的是，每次试验之后应该对土体进行振捣、疏松，再重塑试验堤防。其目的是保证两组对比试验的试验条件(材料、荷载、边界、初始状态)尽量的相同，从而为验证三合土沉降控制的适用性和有效性提供前提条件。

试验过程如下：①构建各个试验方案的几何模型；②利用螺丝和玻璃杆把百分表固定于木板上，再用铁夹子把木板的两头固定在土工槽的边缘，从而实现观测仪器的安装；③在堤顶路面对称布置两个直径110 mm的PVC管，其上居中放置一块木板。木板上居中放置一个混凝土块和千斤顶，千斤顶的上方安装有反力架；④利用卷尺测量千斤顶的伸长长度从而实现位移荷载的施加，本次试验中的位移荷载的大小为8 cm；⑤试验结束利用卷尺测量堤顶的最大下沉量并将其作为方案的评价指标。

1.1.2 材料参数

目前我国城乡饮用水安全问题非常突出，由于水源减少，原水污染日益加剧，污染事故频繁发生，极大地危害城乡群众的身体健康，同时，我国尚有大量农村人口没有喝上健康卫生的自来水。城乡集约化供水可以很大程度解决乡镇日益突出的饮用水安全隐患问题，因此城乡集约化供水是解决供水安全问题的主要发展思路和方向。

为了获得有限元的土工参数，对试验土样(包括：黏土、砂和三合土)进行了室内土工试验(环刀试验、三轴试验和压缩实验等)，表 1给出土样的土工试验参数。

表1 室内土工试验参数Tab.1 Parameters for soil

1.2 试验结果分析

需要首先说明的是：尽管模型试验是参考了实际工程，但确未能完全与实际工程相似，否则试验的过程将格外复杂而艰难。此外，文中模型试验结果虽不足以反映实际工程的沉降控制情况，但是对了解三合土沉降控制的效果是大有裨益的。

图3给出了三合土在加培堤沉降控制中适用性与有效性的试验对比结果。从图3可知，相同的试验条件下，三合土置换后沉降比未加控制措施的堤防减少了30%，这说明了三合土置换对加培堤沉降控制的有效性。

特别地，对于加培量较大，加培土与老堤身的压缩性存在较大差异的时候可以采用本法进行不均匀沉降控制。

图3 三合土置换的控制效果Fig.3 Control effect of composite soil replacement

2 三合土垫层沉降控制的有限元分析

2.1 沉降控制的有限元分析

虽然本文进行了室内模型试验，但其不足以反映加培堤内部的应力变化规律。因此，针对室内模型试验开展了有限元分析，进一步分析加培堤的沉降变形规律，为第3节的配合比优选做计算准备。有限元模型的建模过程以及有效性验证如下。

2.1.1 有限元模型的建立

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

2.1.2 有限元模型的验证

图5给出了有限元计算与室内模型试验的沉降对比。试验中，当位移荷载等于4 cm时，行车凹槽的深度为4.3 cm而相对应的有限元凹槽深度为4.4 cm，其相对误差约为2.32%。误差在可接受的范围内，同时也表明本文所建立的有限元模型是有效的。

图5 有限元模型的验证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

需要首先说明的是，加培堤不均匀沉降控制效果受控于很多因素，例如，三合土的强度、三合土土层的厚度等。但本文的研究成果仅适用于加高高度在0～0.5 m之间的加培堤。事实上，实际加培堤工程的加高高度在0～0.5 m居多。

图6给出了控制与未控制下的堤顶路面沉降梯度对比。从图6(a)～图6(b)可知，三合土控制后的最大沉降量由7.3 cm减少到了5.1 cm，这比未加控制措施的减少了31.5%左右，这也跟本文的试验结果相互印证。此外，三合土置换之后，堤顶的沉降梯度由原来的0.73%减少到了0.51%，比未加控制措施的减少了30%左右。文献[12]指出当沉降梯度大于0.6%时，堤顶产生裂缝的概率较大。事实上，老堤经过多年来的固结和压实作用已经具有较高的密实度，同时，三合土因配有石灰而具有较高的强度。因此，三合土层具有应力扩散的作用，通过三合土层将上部附加荷载传递到老堤。因此，三合土垫层可以降低了堤顶路面开裂的概率从而达到了工程控制的目的。

图6 不同材料组合下的有限元分析Fig.6 Finite element analysis for different combination

2.2.2 加培堤路面应力分析

从图6(c)可知，加培堤的最大拉应力出现在结合面附近，这就容易导致结合面附近的路面开裂。因此，建议堤顶路面的铺设应该在加培土固结完成之后。在实际工程中，当新老堤之间的压缩性差异较大时应保证结合面附近的三合土强度，以免其开裂。

3 三合土的配合比优选

土体本身和环境的复杂性决定了影响土体压缩性的因素很多，例如：变形模量、有机质含量、土的成分、孔隙比、孔隙水、温度、土体的各向异性与结构性等；但本文只针对于新老堤身的压缩性差异所造成的不均匀沉降进行分析，鉴于此，本文只讨论了工程设计中的常用指标(压缩模量)对沉降的影响，以期为工程设计与施工提供一个参考。

3.1 三合土的配合比强度分析

为此，本文对不同质量配比的三合土进行了室内压缩试验，图7(a)给出了三合土在不同质量配比下的强度结果，为求解满足沉降控制要求下的经济石灰用量提供基础数据。此外，由于施工存在就地取材、渗流、生物洞穴以及冻融变形等问题，这会造成老堤与回填土之间的压缩性具有空间变异性。为了讨论的方便，本节采用了平均变形模量，不考虑变形模量的空间变异性。这里假设老堤的平均变形模量为E1=20 MPa，回填土的平均变形模量为E2：

定义常数η：

η=E1/E2

(1)

η的意义反映了新老堤之间的压缩性差异，其值越大则两者压缩性差异越大。

图7(b)给出了不同材料组合下的三合土变形模量与路面沉降梯度的关系。

3.2 三合土的最优配合比分析

事实上，石灰的用量既是一个强度控制指标也是一个经济指标。为了得到最经济的配合比设计，首先通过文献[12]给出的警戒沉降梯度可以在确定出三合土的临界变形模量，再通过图7(a)插值反求经济的质量配合比。表 2给出了不同材料组合下的最经济的质量配合比设计。从表2可知，随着η增加，三合土的石灰含量逐渐增加。这是由于新老堤之间的压缩性差异越大，结合面处产生不均匀沉降的概率越大，这对三合土层的强度就有较高的要求。这就解释了表2所给出的η与石灰含量的关系，同时，表2给出的不同材料组合下的配合比设计可以为现场实际施工提供参考。

图7 三合土质量配合比分析Fig.7 Mixing proportion analysis for composite soil

4 结 语

本文针对新老堤身的压缩模量的差异所造成的加培堤在新老结合面附近产生的纵向开裂问题，分析了三合土垫层在加培堤不均匀沉降控制的效果。主要结论如下。

表2 不同材料组合下的最优质量配合比Tab.2 Optimal mixing proportion

(1) 三合土换填较未控之前，沉降减小了30%，这验证了三合土换填法在加培堤不均匀沉降控制中的有效性、适用性；

(2) 利用室内压缩试验得到三合土七天龄期时的抗压强度与其配合比的定量关系，在此基础上，利用有限元仿真的方法给出了新老堤身不同压缩模量组合下的三合土最优质量配比，以期为实际工程设计和施工提供参考。

但必须说明的是，三合土的配制确实给施工带来了困难，大范围推广其在加培堤中的应用是不行的，但是对于一些局部条件适合的堤段(例如：当地有三合土施工经验、新老堤身压缩模量差异较大等情况)，此法确也是适用的。对于无三合土使用条件的堤段，可考虑采用水泥稳定土代替。

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