太陽能加熱排水固結法技術經濟分析*

鄭良科，鄭榮躍，鄧岳保，鄭詩怡

(寧波大學濱海城市軌道交通協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315211)

0 引言

沿海地區(qū)和內陸湖區(qū)土質松軟，土體含水率高，透水性差，地基承載力低，給工程建設帶來一定挑戰(zhàn)。因此，需改善軟土工程特性，提高地基承載力。軟土地基常見處理方法包括樁基法、水泥土攪拌法、排水固結法。排水固結法具有施工便捷、造價低等優(yōu)點，因此被廣泛應用，但仍存在工期長、地基工后沉降大等不足。

為改善傳統(tǒng)排水固結地基處理技術，部分學者進行了深入研究，如黃朝煊[1]研究了真空預壓排水固結法加固吹填土，利用抽真空為土體提供持續(xù)負壓，以達到加快土中孔隙水排出的目的；陽小良等[2]研究了超載預壓排水固結法，通過給地基施加超載預壓，并結合塑料排水板，以達到復合排水固結效果；程慶臣等[3]研究了電滲排水固結法，在地基土體中埋入正、負電極，利用通電后形成的電場加速土體排水固結；陳浩等[4]研究了水氣分離抽真空技術處理軟土地基，研究發(fā)現水氣分離抽真空技術較傳統(tǒng)真空預壓法加固效果更優(yōu)、成本更低，更適用于大面積圍海造地軟土地基的處理。

2006年，國外學者提出了排水固結與加熱聯合的復合排水固結處治技術，并開展了初步試驗研究[5]。隨后，國內部分學者圍繞該技術開展了一系列研究，如謝柯等[6]基于模型試驗研究了加熱對豎井地基排水固結的影響，并探討了熱排水固結處治技術加固機理；鄧岳保等[7]、王天園等[8]研究了加熱對真空預壓排水固結影響的作用機理，并開展了一系列對比試驗研究。上述研究均發(fā)現加熱能夠加快軟土地基固結，提高土體滲透性，由此提高軟土地基承載力。但已有基于電能的加熱處理技術能源消耗大，工程實用性較差。為此，本課題組[9]發(fā)明了真空預壓聯合太陽能加熱地基處治技術，即太陽能加熱排水固結法，并開展了初步試驗研究[10-11]。

為進一步推進太陽能加熱排水固結法的實際應用，對加固機理和施工工藝進行研究，結合算例分析本方法在排水固結、工期造價、碳排放量等方面的改進效果，并進行經濟、社會效益評估。

1 加固機理

1.1 工作原理

1)在常規(guī)排水固結法的基礎上，利用太陽能面板將太陽能轉化為熱能，并通過水媒介儲存在熱水中。由循環(huán)水泵和地基中預設的U形金屬導熱管形成熱水循環(huán)系統(tǒng)，將熱能向地基土體傳遞，使地基土升溫。

2)根據已有研究，加熱可使軟土中結合水轉化為自由水，減小水黏滯系數，進而提高軟土滲透性。另外，加熱還可使軟土(正常固結或欠固結狀態(tài))屈服極限或表觀先期固結壓力減小，由此產生熱沉降。經過升溫、降溫循環(huán)后，軟土表現出超固結土性狀，其變形特性減小，強度提高。

3)豎井地基結合真空預壓或堆載預壓，在地基土中形成孔壓梯度，使土中水排出。在此基礎上，太陽能的導入提升了軟土滲透性，增大了土中孔壓梯度，由此加速土中水的排出，并增強地基處治效果。

1.2 系統(tǒng)組成

太陽能加熱排水固結法采用的系統(tǒng)主要分為太陽能集熱器、熱水循環(huán)系統(tǒng)和排水系統(tǒng)(見圖1)。太陽能集熱器包括太陽能面板和集熱單元，太陽能面板將太陽能轉換為熱能，太陽能集熱單元出水端與儲水箱入水端相連，儲水箱上裝有溫度計、防溢開關和控溫開關；熱水循環(huán)系統(tǒng)由U形金屬導熱管和水泵組成，金屬導熱管加熱單元入水端和出水端分別與儲水箱和太陽能集熱單元入水端相連，循環(huán)水泵為水循環(huán)閉合回路提供動力，以保持熱水循環(huán)；排水系統(tǒng)主要由塑料排水板(豎井)、砂墊層、水平向排水管、排水溝和真空泵連接組成。

圖1 太陽能加熱排水固結法系統(tǒng)組成

2 施工工藝

本技術適用于淤泥質土、吹填土等軟弱土形成的地基處治中，施工時使用的設備包括插板機、真空泵、太陽能熱水裝置、循環(huán)水泵，其數量根據工程量而定，施工工藝如下。

1)通水，通電，通路，平整場地。為滿足工程要求，確保設備可在地基上施工，需在施工場地鋪設30～50cm厚砂墊層。根據規(guī)范要求，砂墊層厚度誤差為±4cm，所用砂中泥質含量應<5%，嚴禁砂中混有尖石、鐵器等。

2)按照設計要求單根打設塑料排水板，施工質量應滿足規(guī)范要求。打設時需打穿加固軟土層，外露長度≥30cm。塑料排水板可按正方形布置，間距1m×1m，也可按照梅花形布置。塑料排水板平面位置偏差控制在±10cm以內。

3)為實現對地基土的加熱，需將導熱管預埋在地基中。利用插板機將地暖送入地基中，導熱管為U形，按正方形布置，間距1.5m×1.5m，深度與排水板深度一致，外露長度控制在5～15cm。導熱管打設時不得有破損漏水，不得進砂土，以防堵塞。

4)在砂墊層內布置濾管，濾管水平間距1m。排水板環(huán)繞濾管利用自拉鎖固定，固定完成后將濾管送入土中0.5m深度處。

5)將地暖管(U形金屬導熱管)以熱熔方式進行串聯，100m×10m(長×寬)為1個串聯單位。采用集成式太陽能熱水器，加熱效率高，受天氣影響較小。將太陽能集水箱導出的水管連接循環(huán)水泵，以提供水循環(huán)動力。在循環(huán)水泵和U形金屬導熱管中間安裝1個水壓傳感器，以檢測是否出現漏水現象。最終將太陽能熱水器、集水箱、循環(huán)水泵和U形金屬導熱管串聯，形成閉合回路。

6)根據監(jiān)測要求，埋設監(jiān)測儀器。可將場地分為不同區(qū)域，每個區(qū)域設置多個孔壓測試點和沉降測試點。

7)鋪設3層密封膜，確保密封性。鋪設完成后進行密封溝開挖，開挖深度應達地下水并切斷透水層。溝底寬度應>0.4m，以保證密封膜與溝底黏土充分接觸，滿足密封要求。

8)持續(xù)抽真空和保持水循環(huán)直至結束。真空預壓荷載要求達80kPa。在抽真空的同時，打開循環(huán)水泵，利用太陽能熱水實現循環(huán)加熱。注意在抽真空前需試運行，如有異響應立即停泵，查找原因，直至真空泵無異響后方可再次啟動。抽真空時長一般為3～4個月。在抽真空過程中，監(jiān)測沉降與孔壓數據變化，一般以沉降<3mm/d為停泵依據。

3 技術經濟分析

3.1 工程地質條件

寧波市某停車場工程擬建面積為10 000m2。場地地貌特點為淤積平原，海拔低，地勢平坦，沿海地下水位高。土體含水量高，第1層為素填土層，雜色，高壓縮性，主要成分為黏性土、淤泥質土等，土質不均，強度較低，平均層厚1m左右；第2層為淤泥質黏土，灰色，流塑，土質不均勻，含有少量貝殼碎屑，干強度和韌性中等，平均層厚5m左右；第3層為粉質黏土，灰色，軟塑，高壓縮性，土質均勻，干強度和韌性中等，平均層厚4m左右。第1～3層作為主要加固層，淤泥質黏土、粉質黏土壓縮指數分別為0.3，0.2，回彈指數分別為0.03，0.02，土體重度分別為18，19kN/m3，壓縮模量均為5MPa，初始孔隙比均為1.2。

3.2 理論分析

3.2.1沉降計算

1)真空預壓引起的地基沉降

軟土地基沉降采用考慮土體應力歷史的e-p曲線法計算，計算公式為：

(1)

式中：s1為真空預壓引起的沉降；H為土層厚度；e為初始孔隙比；Cc為壓縮指數；p0為初始有效應力；△p為有效應力增量；pc為先期固結壓力。

對于正常固結土，初始有效應力與先期固結壓力相等，計算得到s1=106.24mm。

2)太陽能加熱引起的地基沉降

根據模型試驗數據可知，太陽能加熱地基可使地基溫度升高20℃，以常溫22℃為例，太陽能加熱后的地基平均溫度為42℃。加熱可促進地基土沉降，沉降計算公式為[12-13]：

(2)

(3)

式中：s2為太陽能加熱引起的沉降；Ce為回彈指數；p為土體總應力；ΔpcT1為加溫引起的先期固結壓力減小量；γ為先期固結壓力溫度影響參數，通常取0.3～0.4；T為地基土初始溫度；ΔT為溫度變化量；pcT為溫度T時土體先期固結壓力。

計算得到s2=12.175mm，因此太陽能加熱排水固結最終沉降為118.42mm。2種處置方法引起的地基沉降變化曲線如圖2所示。根據包偉力等[14]的研究，地基強度與固結度呈線性關系。當采用太陽能加熱排水固結法處理地基時，達90%固結度的地基沉降為106.58mm，接近常規(guī)真空預壓下的最終沉降(106.24mm)。太陽能加熱排水固結法處治后的地基較常規(guī)真空預壓法增加約11%的固結度，根據地基強度與固結度的關系，可知地基強度約提高11%。

圖2 地基沉降變化曲線

3.2.2固結度計算

在工程實踐中，軟土地基固結度可由太沙基一維固結公式計算得到：

(4)

Tv=Cvt/H2

(5)

Cv=k(1+e0)/(aγw)

(6)

式中：Ut為軟土地基固結度；m為正奇數；M=mπ/2；Tv為豎向固結時間因數；Cv為土體豎向固結系數；t為固結歷時；e0為初始孔隙比；k為滲透系數；a為壓縮系數；γw為水的重度。

根據上述公式，計算得到固結度為90%的豎向固結時間因數為0.848。

根據經驗公式得到滲透系數與溫度關系式為：

(7)

式中：kT為溫度T時的滲透系數；T0為地基土初始溫度；k0為常溫22℃下的滲透系數，取2×10-8m/s。

加熱后土體平均溫度可達42℃，計算得到42℃時的kT=2.94×10-8m/s。a=7.17×10-4MPa-1，γw=10kN/m3，e0=1.2，計算得到22℃下Cv=5.858×10-6，42℃下Cv=8.611×10-6。

2種處置方法引起的地基固結度變化曲線如圖3所示。計算得到常規(guī)真空預壓法達90%固結度的時間為160d，太陽能加熱排水固結法為109d，工期縮短約32%。

圖3 地基固結度變化曲線

3.3 經濟性分析

3.3.1計價標準與依據

工程計價標準與依據主要包括工程量清單計價和工程量計算規(guī)范、《浙江省房屋建筑與裝飾工程預算定額》(2018版)和寧波市市場造價信息。

3.3.2綜合單價計算分析

工程處理的軟土地基尺寸范圍為100m×100m(長×寬)，排水板打設深度10m，間距1m，按照梅花形布置。排水板類型為B型，市場單價為0.8元/m。砂墊層采用水過濾石英砂，厚度40cm，根據《浙江省房屋建筑與裝飾工程預算定額》(2018版)，砂石墊層造價為45.3元/m2。太陽能熱水器采用集成式，市場價格為24 000元/臺。循環(huán)水泵市場價格1 000元/個，共5個。選取7.5kW真空射流泵，抽真空能力>90kPa。計算得到常規(guī)真空預壓法造價為105.03元/m2，太陽能加熱排水固結法綜合單價為118.00元/m2。

3.3.3敏感性分析

目前，施工時間成本的增加是不可避免的，因此需針對施工時間成本影響進行敏感性分析。施工時間成本對比差值計算如下：

CLC=CT1-CT2

(8)

式中：CLC為施工時間成本對比差值；CT1為太陽能加熱排水固結法施工時間成本；CT2為常規(guī)真空預壓法施工時間成本。

工期縮短將使太陽能加熱排水固結法具有更好的發(fā)展優(yōu)勢。施工時間成本敏感性分析結果如表1所示，由表1可知，當施工時間成本>2 165元/d時，太陽能加熱排水固結法的處理成本低于常規(guī)真空預壓法。

表1 施工時間成本敏感性分析結果

4 碳排放量計算分析

施工過程中排放二氧化碳主要源自于施工機械，影響碳排放量的因素主要包括施工機械單位臺班耗油量和耗電量、油電碳排放因子[15]。二氧化碳排放量根據陳彬彬等[16]的研究確定。

常用機械臺班碳排放因子如表2所示，常規(guī)真空預壓法與太陽能加熱排水固結法碳排放量計算結果分別如表3，4所示。由表3，4可知，常規(guī)真空預壓法碳排放量為77 635.2kg，太陽能加熱排水固結法碳排放量為63 383.9kg，可知太陽能加熱排水固結法較常規(guī)真空預壓法產生的碳排放量減少了14 251.3kg，減少近18.4%。

表2 常用機械臺班碳排放因子

表3 常規(guī)真空預壓法碳排放量

表4 太陽能加熱排水固結法碳排放量

5 評分優(yōu)選法綜合評價

利用評分優(yōu)選法進行綜合評價，選擇施工成本、工期、地基強度、碳排放量作為評價指標，總評價分計算如下：

(9)

式中：R為太陽能加熱排水固結法總評價分；Ri為太陽能加熱排水固結法某個指標得分；Wi為太陽能加熱排水固結法某個指標權重因子。

計算得到施工成本、工期、地基強度、碳排放量權重因子分別為5，4，3，3。評價標準為：當明顯優(yōu)于常規(guī)項(10%以上)時，指標評價值為2；當微弱優(yōu)于常規(guī)項(0～10%)時，指標評價值為1；當與常規(guī)項相同時，指標評價值為0；當微弱差于常規(guī)項(-10%～0)時，指標評價值為-1；當明顯差于常規(guī)項(-10%以下)時，指標評價值為-2。計算知施工成本、工期、地基強度、碳排放量指標得分分別為-1，2，2，2，總評價分為15，這表明太陽能加熱排水固結法優(yōu)于常規(guī)真空預壓法。

6 結語

對太陽能加熱排水固結法地基處治技術進行詳細敘述，以寧波市某軟土地基工程勘察結果為依據，進行算例分析，得出以下結論。

1)太陽能加熱排水固結法處理地基固結速度較常規(guī)真空預壓法快，可縮短工期約32%。

2)太陽能加熱排水固結法處治后的地基較常規(guī)真空預壓法增加約11%的固結度，根據地基強度與固結度的關系，可知地基強度約提高11%，可提高軟土地基加固效果。

3)以市場價為參照，常規(guī)真空預壓法造價為105.03元/m2，太陽能加熱排水固結法綜合單價為118.00元/m2。當施工時間成本>2 165元/d時，太陽能加熱排水固結法的處理成本低于常規(guī)真空預壓法。

4)太陽能加熱排水固結法較常規(guī)真空預壓法產生的碳排放量減少近18.4%，具有較好的應用前景和社會效益。