電滲聯合真空預壓法加固吹填土現場試驗研究

2019-04-10 09:26:00

水資源開發與管理 2019年3期

(中交上航局航道建設有限公司，浙江寧波 315200)

吹填土多為海底以及湖底的淤泥質黏土，其特點為含水率較高、壓縮性較高、滲透性較差、黏粒含量比較高，在自重作用的影響下，吹填土所需要的固結耗時過長，排水固結法的排水效果也達不到預期，但電滲法的效果顯著。電滲現象是由Reuss在19世紀早期研究黏土機理過程中發現的。Casagrande[1]的研究發現，細顆粒土在經過電滲處理后，其抗剪強度和穩定程度均顯著提升，此后電滲法在軟弱黏土加固工程中的使用愈加廣泛。后續科研人員對電滲技術進行了大量探索研究，其在實際中的成功應用也不少見。利用電滲現象對軟土進行加固，可以提高加固速率，細顆粒土和滲透性較差的土經過電滲處理后，加固效果顯著，可以有效地排出土中的自由水和結合水。然而，陽極腐蝕以及界面電阻過大對電滲法的應用產生很大的干擾。若軟黏土地基單獨在電滲作用加固下，其功耗較大，并且會伴隨土體的加固程度呈不均勻現象，極大地限制了在工程實際中的應用。胡余晨[2]等通過將電動土工合成材料(EKG)以及土工織物制作成電極，在此基礎上開展了室內軟土電滲試驗，發現導電塑料絲作為電極材料進行加固軟土時作用顯著，EKG是電滲電極的優選材料。

真空預壓法經過多年的發展，不僅在理論試驗方面取得成果，并且在大面積工程應用中也取得良好的效果[3-6]。但因真空預壓法其自身存在的問題，容易造成后期處理效率低、加固效果不明顯，尤其是存在硬殼層、下部土體加固較差等問題，后期如果使用，必須進行二次處理，造成大量人力物力浪費。

房營光[7-8]等提出了一種真空預壓法，這種方法的排水系統包括豎向砂井和砂墊層。他們在室內分別對堿渣土和軟黏土開展了真空預壓-電滲加固試驗，通過試驗該方法的有效性得到證實，但在大面積工程應用中還不是很多見。本文針對在實際工程中的應用，進行真空預壓-電滲聯合加固法的現場試驗，以期對工程應用有所裨益。

1 加固機理分析

真空預壓屬傳統排水固結法，電滲法從本質上來說也是此類方法。真空預壓法由抽干空氣形成的真空環境在豎向排水體中產生負壓源，使土內孔隙水和孔隙氣流向豎向排水體，然后由水平排水層排至土體之外。在真空預壓加固過程中，始終遵循有效應力原理，由于總應力保持不變，負孔隙水應力的產生將會增加土體的有效應力。相對堆載預壓來說，真空預壓法所產生的真空壓力是球應力，不會出現剪切應力，軟基不會失穩。但真空預壓法因自身局限性，僅排除了大部分自由水，導致土的強度提高有限，并且存在加固土體強度不均等問題，這也從側面說明需要進一步探索真空預壓加固新方法新工藝。

電滲法是將電極插進土中，通直流電，由于電場作用，土體中的水化陽離子就會出現由陽極向陰極的流動趨勢，進而孔隙水從陰極排出。電滲進行的同時還發生一系列的電化學現象，對提高土體強度有一定作用。電滲加固法中孔隙水向陰極流動，對孔隙水形成一種吸力，等同于形成了負孔壓。相對于真空預壓法，電滲法的優勢是不但可以排除自由水，還可以排除土體中的弱結合水。

由真空預壓和電滲加固機理可以看出，兩者的加固機理是不同的，同時兩者聯合加固機理是不沖突的，是相互補充的關系。真空預壓形成負孔壓，而電滲實際上形成的也是負孔壓，兩者相加可以形成更大的負孔隙水應力，由有效應力原理可知，這樣會加速排水的進行。由真空預壓聯合電滲機理可知，在土體含水量高的情況下，先利用真空預壓排除土體中大部分的自由水，在含水率降到一定程度后介入電滲，利用電滲排除土體中的弱結合水，充分地發揮兩者的優勢，有利于排出軟弱黏土中的孔隙水，從而提高地基強度。

2 試驗介紹

2.1 試驗區概況

試驗區位于浙江省蒼南縣龍港鎮規劃的江南涂區域內，原地面以下的地質情況是：?黏土層厚0.40～2.20m；?含細砂淤泥，灰色—淺灰色，流塑狀，局部軟塑狀，中—高壓縮性，層厚8.00～12.70m；?細砂，褐灰色，飽和，松散狀為主，層厚3.50～13.70m；?淤泥，青灰色—灰色，流塑狀，高壓縮性，厚度6.80～17.50m；?黏土，灰—褐灰色，軟塑—可塑狀，高壓縮性，揭露厚度1.00～9.60m；?粉質黏土，褐黃—褐灰色，軟塑—可塑狀，局部硬塑狀，中—高壓縮性，揭露厚度1.20～9.80m；?粉質黏土，灰色—藍灰色，可塑狀，中壓縮性。

加固前吹填土室內試驗物理力學性能指標見表1。

表1 加固前吹填土的主要物理力學指標

設計要求：處理后表層0～1.5m深度范圍內地基承載力特征值不小于50kPa。

2.2 試驗方案實施

原設計方案中采用真空預壓，本次試驗選擇了100m2吹填土現場進行真空預壓-電滲聯合加固法，使地基承載力得到大幅增加。

真空預壓-電滲聯合加固吹填土工藝總流程見圖1。

圖1 真空預壓-電滲聯合加固吹填土工藝總流程

施工關鍵點： ?對未經處理的吹填土進行現場取樣、試驗(靜力觸探和十字板剪切試驗)；?按照軟基處理正常流程進行人工搭設塑料排水板、鋪設水平管網和無紡土工布；?搭設金屬電極，并進行導線連接；?鋪設密封膜、踩密封溝，完成真空預壓工藝性施工；?埋設監測儀器：真空度表、沉降板、孔壓計；?開始抽真空施工，并在適當時機對電極通電介入電滲工藝。

真空預壓-電滲聯合加固吹填土試驗方案見圖2，試驗區面積為10m×10m，分成兩部分，金屬電極兩種分布，一種為平行布置試驗S1-1(左側)，另一種為錯位布置試驗S1-2(右側)。

圖2 試驗方案

3 監測及結果分析

3.1 真空度

圖3 真空度隨時間變化曲線

真空度是影響真空預壓效果的一個重要因素。真空度是密封膜內外壓力的一個差值，一方面真空度在排水板中往下傳遞，使排水板中的壓力小于周圍土體的壓力，孔隙水就會向排水板側流動，另一方面因真空度的作用，膜下壓力小于大氣壓力，因此后期真空度的維護將決定最終的質量。真空度變化曲線見圖3。在試驗中，由于設備、密封溝等原因，真空度處在波動狀態，真正的穩定期始于2015年12月1日，也是真空預壓真正發揮作用的時間。為防止出現土柱現象，真空度比較低，1個月內均保持在40～50kPa，隨后真空度增至超過80kPa，一直保持到2016年3月31日，中間真空度有微小波動。土體表層硬殼層的形成是由膜下真空度決定的，表層土體會伴隨土體表層硬殼層的逐漸形成而變得致密，這種現象會導致膜下真空度在表層土體孔隙的傳遞通道遭受阻擋，從而沿著塑料排水板向深層土體傳遞，塑料排水板中的真空度開始隨之逐步增大，這將會對深層土體排出水分造成決定性的影響。后期真空度必須保證維持在80kPa以上，因為后期排水板會出現淤堵問題，影響真空度傳遞。

3.2 表面沉降

在試驗場區布置3個沉降板，試驗1區、試驗2區和對比試驗區各布置1個沉降板。由圖4的沉降曲線可以看出，在抽真空的前10天沉降不是最大，而出水量是比較大的。在抽真空10～90天這段時間沉降斜率比較大，然后沉降速率減慢，在最后7天沉降速率明顯減小，并趨于穩定。從圖4中可以看出試驗1區累計沉降大于試驗2區，并且這兩個試驗區的累計沉降都大于對比試驗區。

圖4 表層總沉降曲線

3.3 靜力觸探試驗

加固之前，采用靜力觸探試驗對吹填土進行了強度測試，吹填土強度接近于0。

由圖5可知，加固后土體強度都有較大幅度的增長，S1-1靜探試驗的比貫入阻力大于S1-2和對比試驗點，而S1-2的比貫入阻力反而小于對比試驗點。在整個3m范圍內S1-1的比貫入阻力在1.5m范圍內比較均勻且較大，1.5～3m范圍內強度雖有減小但總體好于對比試驗點。根據檢測數據，計算3m范圍內的比貫入阻力的均值可以得到，S1-1的均值為0.27MPa，S1-2的平均值為0.16MPa，對比試驗點的平均值為0.17MPa，根據《軟土地區巖土工程勘察規程》(JGJ 83—2011)相關公式fak=34+0.068ps可計算地基土的承載力特征值，S1-1、S1-2和對比試驗點的地基承載力分別為52.4kPa、44.9kPa、45.6kPa，S1-1的3m范圍內承載力是對比試驗點的1.15倍，S1-1是S1-2的1.17倍，S1-2是對比試驗點的0.99倍。

圖5 S1試驗區加固后土體靜力觸探曲線

在1.5m范圍內S1-1、S1-2對比試驗點的比貫入阻力平均值分別為0.32MPa、0.22MPa、0.22MPa，對應的地基承載力分別為55.8kPa、49.0kPa、49.0kPa。S1-1的1.5m范圍內承載力是對比試驗點的1.14倍，S1-1是S1-2的1.1倍，S1-2是對比試驗點的1倍。由此可知，S1-1的加固效果最好，S1-2的加固效果不理想。S1-1加固效果不僅滿足1.5m深度范圍要求，而且也滿足3m范圍內要求，加固效果較對比區均勻。試驗結果也符合試驗設想。

3.4 十字板剪切試驗

加固之前，采用靜力觸探試驗對吹填土進行了強度測試，吹填土強度接近于0。加固后在每個試驗區和對比試驗區分別選擇兩個試驗點進行十字板剪切試驗，現選擇其中的一組試驗點得到抗剪強度Cu隨深度s的變化曲線。

由圖6可以發現S1-1和S1-2的抗剪強度在3m范圍內都大于對比試驗點的強度。就3m范圍的平均抗剪強度而言，S1-1為27.0kPa，S1-2為25.7kPa，對比試驗點為14.0kPa，相應的地基承載力分別為77.5kPa、74.3kPa、45.0kPa，S1-1是S1-2的1.04倍，S1-1是對比試驗點的1.72倍，S1-2是對比試驗點的1.65倍。在1.5m范圍的地基承載力分別為83.2kPa、82.4kPa、56.4kPa，S1-1是S1-2的1.01倍，S1-1是對比試驗點的1.47倍，S1-2是對比試驗點的1.46倍。由以上對比分析，真空預壓聯合電滲對加固深層土體有較好的效果，能看出S1-1的效果要好于S1-2，符合試驗設計。

圖6 S1試驗區抗剪強度隨深度變化曲線

3.5 載荷板試驗結果

試驗結束后，在現場進行了載荷板試驗，載荷板為正方形平板，面積為0.56m2，按照《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)和浙江省標準《建筑地基基礎設計規范》(DB33/T 1136—2017)中有關規定取值，對比試驗點的地基土承載力特征值為42kPa，S1-1試驗區的地基土承載力特征值為57kPa，S1-2為59kPa，可見真空預壓電滲法加固效果明顯。