浮动式水泥加固法对河堤液化诱发沉降的离心模型试验研究及其工程应用价值

针对深厚液化土层全深度加固成本高昂的问题，日本公共工程研究所团队通过50g离心机振动台试验，系统研究了浮动式水泥加固法（仅加固浅层液化土）对河堤抗震性能的影响。结果表明：增加加固深度比（RD）可线性减少沉降（Sres），水泥处理土块（qu≈500kPa）能有效隔离振动（AF<54.1%），在50%加固深度时即可显著抑制液化侧向流动（LDres降低60%），为经济性抗震设计提供了重要依据。

　　

在强震作用下，松散砂土层极易发生液化现象，导致建于其上的土木工程结构遭受严重破坏。日本现行河堤抗震设计规范要求对堤坝下方全部可液化土层进行加固，但面对深厚液化土层时，这种全深度加固方法经济性较差。特别是在可能发生的南海海槽大地震等巨型地震威胁下，部分地区因成本问题迟迟未能实施抗震措施。如何平衡安全性与经济性，成为工程界亟待解决的难题。

日本公共工程研究所的研究团队创新性地提出"浮动式水泥加固法"，仅对浅层可液化土进行加固。为验证该方法的有效性，研究人员开展了一系列50g离心机振动台模型试验，系统改变加固深度（D=0-10m，对应深度比R_D=0-100%），并考察了倾斜地基的影响。相关研究成果发表在岩土工程领域权威期刊《Soils and Foundations》上。

研究采用的关键技术包括：1）50g离心机环境下的振动台试验，模拟原型尺度效应；2）使用Ube硅砂（D₅₀=296μm）构建水平/倾斜液化地基；3）预铸水泥加固土块（W/C=1.6，q_u≈500kPa）模拟不同深度加固；4）丙烯酸树脂块结合应变片测量应力分布；5）三点弯曲试验测定水泥土抗拉强度（t_f=164kPa）。

【水平液化地基结果】
当R_D从0%增至100%时，堤顶残余沉降（S_res）从1.05m线性降至0.08m。值得注意的是，20%深度加固（D=2m）时水泥块出现三条纵向裂缝（对应t_f=164kPa），但堤体仍保持完整，证实裂缝不影响沉降控制效果。加速度响应显示，液化土层产生显著振动隔离效应（AF从54.1%降至39.7%），而全深度加固（R_D=100%）反而导致加速度放大186.9%。

【渗透性影响】
对比试验发现，丙烯酸树脂块（不透水）比透水水泥块早40秒引发沉降，最终沉降量增加46%。渗透试验揭示水泥含量2%时渗透系数（k）仅降低20%，说明常规水泥处理对排水路径影响有限。

【倾斜地基影响】
未加固斜坡地基（S-00）产生0.827m侧移和1.33m沉降，堤体出现贯穿裂缝。50%深度加固（S-50）使沉降降至0.53m（降幅60%），且水泥块仅产生微小裂纹。应力测量显示，斜坡工况下不对称应力分布是引发裂纹的主因。

【应力分布机制】
通过丙烯酸树脂块应变测量，发现堤体自重产生的最大拉应力（σ_t,max=356kPa）远超水泥土抗拉强度，解释R_D=20%时裂纹成因。计算表明当D≥5m时，σ_t,max降至67.7kPa，与无裂纹观测结果吻合。

该研究确立了浮动式水泥加固法的三大核心机制：1）水泥块刚度抑制堤体拉伸变形；2）下部液化层形成振动隔离层（AF<1）；3）合理渗透性维持排水路径。相比传统全深度加固，该方法在R_D=50%时即可满足防洪高程要求，且能有效应对液化侧向流动。研究团队特别指出，虽然水泥块裂纹不影响抗震性能，但其对渗流特性的潜在影响仍需进一步验证。

这项成果为河堤抗震设计提供了革命性的经济方案，尤其适用于存在深厚液化层的河流治理工程。通过精确量化加固深度与沉降控制的关系，使工程人员能够根据具体风险阈值进行针对性设计，对日本南海海槽地震防灾准备具有重大实践价值。未来研究可拓展至不同土质条件，以进一步完善该技术的普适性理论体系。