沈 揚，陶明安，劉志浩，劉漢龍

(河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

我國沿海地區(qū)人多地少，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，土地的供需矛盾日漸突出，圍海造陸成為解決這一問題的新舉措[1]。沿海地區(qū)許多大規(guī)模的圍海造陸工程正在規(guī)劃與實施，根據(jù)《溫州市灘浮圍墾總體規(guī)劃(2006～2020年)》，僅溫州市規(guī)劃圍墾造陸面積就達(dá)333.6平方公里。因此，高效經(jīng)濟(jì)的處理吹填土地基變得尤為重要。

由于吹填土滲透系數(shù)很小，結(jié)合水含量高[2]，常規(guī)排水固結(jié)法如真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓等只能排除地基土中的自由水，真空傳遞效率低，加固效果有限。而電滲法通過給地基施加直流電場可以有效的排除結(jié)合水，且排水效果不受地基土滲透系數(shù)小的影響，已被證實在處理吹填土方面有獨特的優(yōu)點[3～7]。故本文提出電滲復(fù)合真空覆水預(yù)壓加固吹填土的方法，并結(jié)合溫州某大面積吹填土地基處理工程，對電滲復(fù)合真空覆水預(yù)壓加固吹填土中的工藝參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究。通過對加固區(qū)的表面沉降、分層沉降、真空度、孔隙水壓力、水位和水平位移等變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，探討電滲復(fù)合真空覆水預(yù)壓應(yīng)用于吹填土的加固機(jī)理，為今后該技術(shù)的工程設(shè)計和理論研究提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

試驗區(qū)位于浙江省溫州市的甌江口西岸，為新近人工圍墾區(qū)，屬濱海區(qū)沉積地貌類型，地面高程為2.1～2.2 m。在勘察深度范圍內(nèi)，試驗區(qū)均為第四紀(jì)全新統(tǒng)的沖海相、海相軟土，為具高含水率、高孔隙比、高靈敏度、抗剪強(qiáng)度小、易觸變等特性，屬典型的軟弱地基土。

①吹填后的淤泥，經(jīng)處理。該層厚度1.5～2.5 m。

②含細(xì)砂淤泥：灰色，飽和，流塑狀，中-高壓縮性，粉細(xì)砂含量為10%～30%，呈薄層狀分布，含少量貝殼碎屑和半炭化物(有機(jī)質(zhì))，土質(zhì)不均勻。全場均有分布，溝汊、養(yǎng)殖塘內(nèi)直接出露地表，厚度11.40～12.10 m。

③淤泥：青灰色、灰色，飽和，流塑狀，高壓縮性，夾少量粉細(xì)砂、貝殼碎屑和半炭化物(有機(jī)質(zhì))，局部砂含量稍高。全場均有分布，層頂埋深11.40～12.10 m，揭露層厚13.20～14.50 m，未揭穿。

設(shè)計要求地基處理后，地基承載力特征值不小于100 kPa。

2 試驗方案

規(guī)劃試驗區(qū)1000 m2，平分為兩個試驗區(qū)，其中：

A區(qū)為電滲復(fù)合真空覆水預(yù)壓區(qū)，電滲系統(tǒng)采用一種新型可壓縮電極和全密封導(dǎo)電線路。其中新型可壓縮電極由鋼管、彈簧軟管及銅線組成，可保證地基沉降過程中壓縮電極管不上頂刺破真空膜；全密封導(dǎo)電線路由穿刺型絕緣線夾連接，結(jié)構(gòu)密封，防漏電、防水、防腐蝕，可在真空膜下長期工作。

B區(qū)為真空覆水預(yù)壓區(qū)。整個試驗區(qū)配合比較完善的監(jiān)測措施,做到信息化施工。

2.1 設(shè)計與施工

B區(qū)的設(shè)計與施工為：場地整理并鋪設(shè)40 cm厚砂墊層。使用攪拌樁機(jī)打泥漿攪拌樁，雙排攪拌樁搭接形成黏土密封墻。單根樁直徑60 cm，搭接10 cm，樁長8 m。按照1 m×1 m間距打設(shè)10 m深排水板，塑料排水板與水平排水管繚繞式連接，水平排水管采用φ50波紋濾管，次管間距1 m，主管間距10 m。在導(dǎo)線和排水管上鋪設(shè)一層土工布、兩層真空膜。真空膜為聚乙烯薄膜，厚0.14 mm。在密封墻內(nèi)側(cè)開挖1.5 m深的密封溝，用水槍將密封溝底部沖成淤泥狀，將真空膜踩入密封溝并用軟黏土回填壓實。抽真空一周后修建圍堰覆水，覆水深度1.5 m。

A區(qū)的真空覆水預(yù)壓設(shè)計與B區(qū)相同，其電滲系統(tǒng)的設(shè)計為：按照2 m×2 m間距在排水板旁插入鋼管作為電極。鋼管長6 m，距離地面1.5 m。通過1.5 m長的銅芯電纜線與水平鋁芯橡皮導(dǎo)線相連，并連接直流電源。抽真空同時開始電滲。每天進(jìn)行兩次間歇通電，并每隔兩天進(jìn)行一次極性轉(zhuǎn)換。A區(qū)的施工剖面布置如圖1所示。

圖1 A區(qū)施工剖面布置

2.2 監(jiān)測布置

為對軟基加固的機(jī)理進(jìn)行研究，本項目在施工過程中埋設(shè)了一定數(shù)量的監(jiān)測儀器，以對加固區(qū)的表面沉降、分層沉降、真空度、孔隙水壓力、水位和水平位移等變化規(guī)律進(jìn)行研究。每個試驗區(qū)監(jiān)測內(nèi)容如下：

布置2個沉降標(biāo)；水位和分層沉降合用一個孔，管深14 m；設(shè)置1個膜下真空表，1組深層真空表，設(shè)置深度分別為3、6、9 m；設(shè)置1組孔壓計，設(shè)置深度分別為3、6、9 m；試驗區(qū)外圍1 m處設(shè)置一個水平位移觀測孔，管深12 m，每0.5 m深度測量一次水平位移。

3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 真空度監(jiān)測

現(xiàn)場真空度的測量是真空預(yù)壓加固軟基監(jiān)測的重要內(nèi)容，對工程設(shè)計、加固效果分析以及真空預(yù)壓機(jī)理研究有著重要的作用。此外，真空度也反映了真空水泵是否正常工作，并能夠直觀反映出水泵的抽真空效果。

圖2 真空度時程

試抽真空，真空度增長到80 kPa，并且基本趨于穩(wěn)定。兩個試驗區(qū)的真空度基本一致，說明電滲對真空度的傳遞基本沒有影響。

3.2 孔隙水壓力監(jiān)測

孔隙水壓力的變化反應(yīng)了土體壓縮固結(jié)的過程中強(qiáng)度和變形的特性。為了研究土的力學(xué)性狀，首先必須了解在外荷載作用下孔隙水壓力的變化規(guī)則。沿土體不同深度埋設(shè)孔隙水壓力計，目的是了解土體內(nèi)孔隙水壓力與真空壓力的分布狀況、變化及其相互影響，進(jìn)而判斷地基加固效果。

圖3 孔隙水壓力變化曲線

A區(qū)3 m、6 m、9 m深度處孔隙水壓力分別下降了36.96 kPa、64.99 kPa、55.15 kPa。B區(qū)相應(yīng)深度分別下降了64.18 kPa、63.38 kPa、25.59 kPa。各深度真空度與孔隙水壓力基本保持一致。

由于地下水位的下降，導(dǎo)致A區(qū)3 m處真空度轉(zhuǎn)化的孔隙水壓力變小，同時由于電滲、電泳作用，導(dǎo)致9 m處的負(fù)孔隙水壓力變大。

3.3 地下水位監(jiān)測

真空作用下地下水位的變化歷來存在爭議，再加上堆載與電滲的影響，使這一問題變的更加復(fù)雜。因此，為了探究電滲復(fù)合真空覆水預(yù)壓法的加固機(jī)理，對地下水位的監(jiān)測尤為重要。在真空預(yù)壓場地內(nèi)布置水位觀測孔，與分層沉降合用一孔。

圖4 地下水位變化時程

A區(qū)地下水位平均下降幅值達(dá)到2 m，B區(qū)地下水位則基本保持不變，說明電滲對地基土的疏干作用非常明顯，可以有效降低地下水位。

3.4 表層沉降監(jiān)測

沉降板觀測的目的是了解土體沉降和總體平均固結(jié)度隨加載時間的變化規(guī)律。圖5為場地表層沉降時程圖。

圖5 場地表層沉降時程

前期A、B兩試驗區(qū)沉降基本一致，預(yù)壓25天后A區(qū)的沉降速率明顯大于B區(qū)，經(jīng)過69天后，A區(qū)場地表面沉降達(dá)39.7 cm，B區(qū)為37.2 cm。由于電滲法的電滲降水、電解降水等因素，使后期基地的沉降速率明顯增大，總沉降量增大約7%，說明電滲法對土體后期強(qiáng)度的增長很明顯。

3.5 分層沉降監(jiān)測

A區(qū)分層沉降沿深度的分布曲線見圖6。

圖6 A區(qū)分層沉降沿深度分布曲線

如圖所示，在8 m深度范圍內(nèi)的分層沉降明顯。由于下部土體沉降不明顯，以及難以克服的測量誤差的原因，造成下部曲線波動現(xiàn)象明顯，分層沉降沿深度呈遞減趨勢。

3.6 水平位移監(jiān)測

測斜孔所測得的土體水平位移分布見圖7。

圖7 水平位移沿深度變化曲線

在真空覆水預(yù)壓的作用下，土體向內(nèi)側(cè)收縮，向場地中間方向產(chǎn)生明顯的水平位移，隨深度的增加，水平位移逐漸減小，試驗場地周圍產(chǎn)生明顯裂縫。A區(qū)的水平位移平均比B區(qū)大34%，表明電滲作用同真空負(fù)壓作用一樣可使地基土向內(nèi)收縮，且效果明顯。

4 原位試驗結(jié)果及分析

本次原位試驗采用淺層平板靜載荷試驗，試驗區(qū)域為A區(qū)。平板載荷試驗承壓板尺寸為1.00 m×1.00 m的方形鋼板，壓板下設(shè)砂找平層，用5000 kN油壓千斤頂分十級加載。荷載與沉降關(guān)系p-s曲線和沉降與時間關(guān)系s-lgt曲線分別見圖8和圖9。

圖8 靜載荷試驗s-t關(guān)系曲線

圖9 靜載荷試驗p-s關(guān)系曲線

p-s曲線從總體上分析，加載至192 kPa時，曲線基本平滑；加載至216 kPa時，曲線斜率明顯增加，此時試驗點總沉降量61.62 mm，按規(guī)范GB 50007-2002 C.0.5 第4款試驗終止。同時，從該試驗點的s-lgt曲線上分析，加載量為24～192 kPa時，各級曲線基本平直，曲線間距基本呈增加態(tài)勢，加載量為216 kPa時，曲線間距增加明顯，曲線尾部下折。參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，極限承載力取為192 kPa，安全系數(shù)取2，地基承載力特征值為96 kPa，地基處理基本達(dá)到了預(yù)期的目的。

5 結(jié) 論

(1)地下水位和表層沉降的監(jiān)測表明：電滲法可以有效降低吹填土的飽和度和含水量，從而降低地下水位，并對土體后期強(qiáng)度增長的貢獻(xiàn)明顯。

(2)采用電極轉(zhuǎn)化與間歇通電的方法可以有效降低耗電量，但陽極的腐蝕仍較為嚴(yán)重，應(yīng)積極尋求新型電極材料，來推動電滲技術(shù)的發(fā)展。

(3)工后土體密實度增加，不均勻沉降減少，承載力提高，達(dá)到加固要求，工程性質(zhì)有了明顯改善。試驗結(jié)果表明，電滲復(fù)合真空覆水預(yù)壓法加固吹填土地基切實可行。

[1] 地基處理手冊編寫委員會. 地基處理手冊(第二版)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2000.

[2] 黃紹明, 高大釗, 孫更生. 軟土地基與地下工程[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2005.

[3] 黃可明. 電滲法加固軟土技術(shù)研究[J]. 水利科技，1996, (1): 5-8．

[4] 李 苗, 張林洪, 王蘇達(dá), 等. 電滲法處理填土地基的排水效果因素分析[J]. 巖土工程技術(shù), 2007, 21(1)：4-6.

[5] 彭祖強(qiáng), 張林洪, 吳華金. 不同電滲法降低填料含水量的方法研究[J]. 昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報, 2008, 24(1):44-50.

[6] 程慶臣, 孫永軍, 劉 偉, 等. 電滲技術(shù)在吹填泥袋固結(jié)中的應(yīng)用研究[J]. 東北水利水電, 2001, 19(9):14-16.

[7] 曹永華, 高志義, 劉愛民, 等. 地基處理的電滲法及其進(jìn)展[J]. 水運工程, 2008, 4(4):92-95.