基于太陽能的人工海島軟基處理方法及試驗研究

何旭聰,鄧岳保,鄒 維,唐祎歡

(寧波大學建筑工程與環境學院,浙江 寧波 315211)

1 概 述

隨著世界經濟的發展和陸地資源的日益枯竭,海島開發成為許多國家的重要戰略。海島是連結陸域和海洋國土的基地,兼備豐富的資源,于是越來越多的國家開展人工海島建設。例如：日本著名人工島——關西國際機場于1994年建成；國內海南省海花島正在如火如荼建設中。人工海島建設的第一個任務是吹沙填海,形成海島版圖。在吹沙填海(吹填)過程中,泥沙結構遭到破壞,以細小顆粒的形式緩慢沉積。由吹填土構成的吹填地基,強度很差,一般不能直接用于工程建設,需要進行地基處理。如果地基處理不當,就會引發后續工程建設的問題。

當前,地基處理方法一般有置換法、化學法、打樁法和排水固結法等。對于海島吹填軟土地基來說,排水固結法是一種既經濟又環保的方法。該法通過打設豎向排水井,改變孔隙水的排水路徑,結合堆載或者真空預壓,加速土體固結,達到縮短預壓期的目的[1]。排水固結法施工技術成熟,成本低,應用廣泛,但處理效果有時不理想。將排水固結法和加熱結合起來的熱排水固結法是近年來國際上出現的新型軟基處理方法。該法由Abuel-Naga等根據土性研究成果提出[2]。與傳統排水固結法相比,熱排水固結法在豎井中插入導熱管,實現管-土之間的熱傳遞,提高豎井周邊土體的滲透系數,進而加速地基排水固結。該法是解決低滲透性軟土地基排水固結周期長這一難題的潛在途徑之一[3-4]。

熱排水固結法由于涉及到熱流固耦合,其作用機理復雜。劉干斌等[5]選取寧波地區典型軟黏土,在室溫和70 ℃下分別開展排水固結和熱排水固結模型試驗,分析了加熱對孔隙水壓力及地表沉降的影響。陳迪[6]利用尺寸為2 m× 2 m×1.2 m(長×寬×高)的模型箱針對淤泥質粉質黏土開展了大尺寸豎井地基熱排水固結模型試驗。鄧岳保等[7]采用自主研發的外圍加熱式模型試驗裝置,選取寧波典型軟黏土,開展不同工況下的熱排水固結試驗。上述研究表明：加熱可以加速軟基排水過程。但是,以往的熱排水固結法都是借助電能加熱促使軟土排水,會消耗大量電能,且造價昂貴。而對于海島來說,其交通閉塞,電能匱乏,連基本用電都不能保證,更不用說提供軟土地基排水固結。對此,本文想到利用太陽能這一天然而且豐富的自然資源來取代電進行加熱,進而提出了太陽能加熱結合排水固結的新技術。

2 技術介紹

2.1 技術原理

加熱土體將引起土性變化,隨著溫度升高,孔隙水黏度降低,土體滲透性提高，并逐漸硬化繼而提高了軟土地基的承載力。為了生動形象地介紹這一原理,以黏土磚為例進行介紹。黏土磚由黏土燒制而成,這利用了對土進行加熱的處理方式。土在加熱過程中,土中的水逐漸排出,孔隙維持原狀,由此滲透性增強。原本松散的土經過加熱燒制后,變為整體性好、強度大的磚。

對海島軟土地基進行加熱,可選擇電能或者太陽能。在人工海島開發中,由于海島遠離陸地,建發電站既繁瑣又耗資,而海島上太陽能豐富,是一種取之不盡、用之不竭的干凈能源,且綠色環保。利用海島上豐富清潔的太陽能轉化為熱能,再利用熱水導管傳遞至地基對軟土進行加熱,實現水土之間的熱傳遞。通過熱能傳輸,土體溫度逐漸升高,從而增大土的滲透性,加速土體的排水、固結,縮短工期,并減少工后沉降和不均勻沉降。

2.2 技術內容

結合太陽能的熱排水固結見圖1。該系統可以分為兩個部分,即太陽能產熱系統和排水系統。

圖1 太陽能加熱排水示意圖

2.2.1 太陽能產熱系統

依據平板式太陽能熱水器的原理,利用太陽能板吸收太陽光中的能量,將太陽能轉化為熱能,從而對土體進行加熱。其轉化原理是：太陽能穿過太陽能板上的蓋板,透過可見光而不透過遠紅外線,使得進去的能量大于散失的能量,從而提高吸熱板的溫升,同時利用集熱器將能量轉化為熱能。集熱器將分散的太陽光輻射聚集到一點或者一條線,將聚集點的熱傳遞至管內水。管內水吸熱后溫度升高,比重減小而上升,形成一個向上的動力,構成熱虹吸系統。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部,同時溫度較低的水沿管的另一側不斷補充,如此循環往復,將太陽輻射匯聚在集熱板的熱量及時傳送到水箱內,水箱內通過熱交換(夾套或盤管)將熱量傳送給冷水。

2.2.2 排水系統

利用泵循環實現將熱水的熱量傳遞給土體,即將U型導管插入地基土體內,待集熱管中的熱水被加熱至設定溫度時,熱水通入U型導管將熱量傳遞給土體,從而進行加熱。待熱量傳遞完畢后,利用水泵將已冷卻的水重新回至水箱,進而循環對土體加熱。在此基礎上,在軟土地基內布設豎井群,利用抽真空原理,降低井內氣壓,營造類似真空的環境,使土體中的水進入豎井,從而排出地基。

3 技術驗證

3.1 土性試驗

3.1.1 試驗裝置

實驗設計了一套可聯合加熱的固結壓縮試驗裝置,該裝置可實現在對土體的水浴加熱,且加熱溫度可控。

3.1.2 試驗土樣

試驗用土為淤泥質軟土,取自寧波某基坑工程,其基本物理力學性質見表1。

表1 試驗用海相軟土的基本物理性質指標

3.1.3 試驗方案

開展兩組做對照試驗,一組在常溫條件下(溫度為20 ℃)進行固結試驗,一組在溫度為60 ℃的條件下進行固結試驗,對兩組分別加上相同的荷載,荷載加載順序為12.5、25、50、100、200、400 kPa。

3.1.4 試驗結果及分析

在試驗完成后,將數據進行整理,并導入origin中,得到圖2。由圖2可以發現：在溫度恒定為60℃時,淤泥質軟土的沉降量為0.604 mm；在常溫情況下,淤泥質軟土的沉降量為0.411 mm,相比于加溫條件沉降量減小46.96%。在60 ℃條件下,曲線的斜率與常溫下曲線的斜率相比更大。說明加溫可以有效加快土樣的固結速度。原因如下：在溫度較高的情況下,土中水的黏度較低,土的滲透系數大,土中水更容易被排出,水的排出也就伴隨著土的固結的完成。

圖2 土體壓縮量對比

3.2 模型實驗

通過對比地基在不同溫度的固結試驗,得到溫度對固結壓縮量、固結快慢的影響。

實驗裝置組成：太陽能裝置,模型桶(帶蓋板),百分表,加熱棒,熱能傳輸導線,溫度傳感器,溫控裝置,砝碼。其中,太陽能裝置包括太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池和逆變器等。太陽能控制器將太陽能轉化成蓄電池中的電能,通過逆變器的轉化,將直流電轉化為交流電,能量傳輸導線將轉化后的電能傳遞給加熱棒,從而實現太陽能對土體的加熱。

實驗裝置具體連接方式為：太陽能裝置→熱能傳輸導線→溫控裝置→加熱棒。土體內埋置溫控裝置的溫控探頭,實現對土體的溫度監測,溫度過高溫控裝置關閉,加熱棒停止加熱；溫度過低溫控裝置開啟,加熱棒開始加熱。

3.2.1 實驗裝置及土體

該實驗采用的容器橫截面長、寬為1 000 mm×500 mm,高度為1.2 m。試驗土樣同前文。土樣經過填充,自然靜置,人工預壓3 d之后進行實驗。

3.2.2 實驗方案及步驟

取兩組做對照試驗,一組在常溫的條件下加荷載進行固結試驗,一組在加溫并且加荷載的條件下進行固結試驗。具體方案見表2。

表2 模型試驗方案

試驗步驟如下：1)試驗裝置安置完畢,將土樣安置于試驗容器中,施加1 kPa的荷載進行預壓。2)預壓1 d后,自重沉降基本穩定；取土樣測定密度、含水量、孔隙比等指標。3)撤去預壓荷載,將太陽能加熱棒與排水帶插入到土樣當中,其位置見圖3(圖中黑色實心圓代表加熱棒的埋設位置,黑色圓圈代表孔壓計埋設位置,孔壓計編號分別為A1、A2、A3、A4)。4)鋪設砂墊層(50 mm)和蓋板,安放百分表；5)按試驗要求施加荷載和溫度,記錄溫度、孔壓和沉降數據,見圖4。

圖3 孔壓計及加熱棒的位置

圖4 設置試驗溫度

圖5 沉降量對比圖

3.2.3 試驗結果與分析

兩組試驗的沉降對比曲線見圖5。由圖5可知,在常溫加載情況下,沉降迅速增大。在第5 d時沉降發展緩慢,最終沉降量約7 mm。在加熱加載情況下,沉降發展速率更快。第5 d時,沉降穩定,最終沉降達10 mm。在加熱條件下,曲線斜率較常溫下曲線斜率更大。說明加溫可有效加快土樣固結速度。同時,加熱還導致了額外的附加沉降,這對于減小工后沉降有積極意義。

兩組試驗的超靜孔壓對比見圖6。由圖6可知,在加載和加溫后,超靜孔壓迅速增大；6～10 h后,超靜孔壓消散；前期消散較快,第3 d時,超靜孔壓消散速率變慢。在加熱條件下,超靜孔壓最高值比常溫下要高,加熱產生了額外超靜孔壓。另外,加熱情況下孔壓消散曲線的斜率較常溫下曲線的斜率更陡,表明加熱后土體超靜孔壓消散更快。

圖6 孔隙水壓力對比

4 施工流程

施工流程見圖7,供實際中參考。

圖7 施工流程圖

5 結 語

由于海島自身條件的限制,資源匱乏,但太陽能資源豐富。 “太陽能排水固結法”是對傳統排水固結法進行改進的嘗試。該法對土體加熱,使土的滲透性提高,固結性狀增強,從而可以增大軟土地基的承載力,減小工后沉降和不均勻沉降。本文開展了簡單的模型試驗,初步驗證了該法可以加快軟土地基固結速度。但是, 由于“太陽能排水固結法”作用機理非常復雜,是滲流力學、土力學、傳熱學相互滲透、相互交叉、相互作用的新研究方向,有必要開展進一步深入研究。