卜凡波,王海建,吳國強,沈 林,胡建斌,彭 劼

(1.中交上航局航道建設有限公司,浙江 寧波 315200; 2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098)

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真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法加固海相吹填土現(xiàn)場試驗

卜凡波1,王海建1,吳國強1,沈 林1,胡建斌2,彭 劼2

(1.中交上航局航道建設有限公司,浙江 寧波 315200; 2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇 南京 210098)

為推動真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法在大規(guī)模吹填土地基加固中的應用,依托溫州某海相淤泥吹填工程進行了真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法試驗,并與真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲法和常規(guī)真空預壓法進行了對比試驗,對膜下真空度、地表沉降、電流電壓變化進行了分析,著重分析了加固后地基承載力增長規(guī)律。試驗結(jié)果表明:導電排水板可以取得與金屬電極同等加固效果,導電排水板在電滲加固中具有一定的有效性和可行性,導電排水板的布置方式對加固效果也具有一定的影響;真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗的地表沉降量超過常規(guī)真空預壓法9%以上，地基承載力超過常規(guī)真空預壓法21.4%,土體深層承載力也得到一定程度提高,加固效果顯著。

真空預壓法;電滲法;導電排水板;海相吹填土;地基加固;地基承載力;現(xiàn)場試驗

軟土的加固處理是最重要的巖土工程課題之一。近年來世界各地均有較多的圍海吹填造陸工程,以增加土地供應量[1]。沿海海底往往都是沉積的淤泥,被吹填上來的泥水混合物為流動～流塑狀態(tài),所形成的吹填地基承載力極低,難以滿足工程和進一步開發(fā)的需要。各種軟土地基處理方法中,只有真空預壓法由于施工荷載小,可在這種承載力極低的地基中施工,目前已廣泛應用于淤泥場地的加固工程中。真空預壓法是在加固區(qū)插入塑料排水板,再用密封膜將加固區(qū)密封,通過抽真空使密封膜下以及塑料排水板中的孔壓降低,而土體由于滲透性差,孔壓下降緩慢,因此在土體和塑料排水板之間產(chǎn)生孔壓差,在此孔壓差作用下,土體中的孔隙水流向塑料排水板被排出從而固結(jié)[2]。真空預壓法最初由Kjellman[3]提出,一些學者用試驗論證了真空預壓是負壓作用下的固結(jié)過程[4-5],多位學者進一步研究了真空預壓下的固結(jié)機理[6-9],并研究、完善了基于固結(jié)理論的真空預壓計算方法[10-12]和施工工藝。真空預壓法已經(jīng)在軟土地基處理工程中得到了較廣泛的應用。由于受限于大氣壓力,真空荷載一般不超過90 kPa,因此真空預壓的加固效果會受到限制。

將真空預壓法與電滲法聯(lián)合應用是一個比較新穎的、有潛力的方法。電滲法是近年來逐漸得到學術(shù)界關注的軟土處理方法。在土體中插入電極,并通以直流電,在土粒表面及其附近的液體內(nèi)會有電性相反、電荷量相等的兩層離子,即雙電層,擴散層中的離子在電場作用下朝反向電極移動,并帶動水分子一起移動從而排出孔隙水,這種現(xiàn)象即為電滲[13]。在電滲作用下,可達到降低土體含水量、提高強度的目的。土中的電滲現(xiàn)象由俄國科學家Reuss發(fā)現(xiàn),Casagrande首次將電滲法應用到邊坡加固工程中[14],之后學者們對電滲法在巖土工程中的加固效果[15]、土的類型對電滲效果的影響[16-17]、提高電滲效率的措施[18-19]、新型電極材料[20-21]、土的電導率或電滲透系數(shù)及pH值的變化規(guī)律[22-23]以及固結(jié)理論和計算方法[24-26]等進行了進一步研究。由于電滲法也存在金屬電極易腐蝕、電量和電極消耗較大、電滲過程中逸出的氣泡影響加固效果等缺點,發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢,將真空預壓法與電滲法結(jié)合起來就形成真空預壓聯(lián)合電滲法,即在前期使用真空預壓法加固軟土地基,抽出土體孔隙中的部分自由水,到后期真空預壓法加固效果逐漸減弱的時候,開始進行電滲,同時抽真空不停止,電滲促使土體孔隙中的部分自由水和弱結(jié)合水排出,因此可以進一步改善加固效果。由于電滲法是在加固工程的后期才介入,所以總的電量成本增加不多。關于真空預壓聯(lián)合電滲法的相關研究成果并不多,彭劼等[27-28]采用真空預壓聯(lián)合電滲法進行了軟土處理的室內(nèi)試驗,劉漢龍等[29]進行了真空預壓聯(lián)合電滲法的現(xiàn)場試驗,結(jié)果表明聯(lián)合作用能有效提高排水速度和排水量,但是上述研究中電滲法所用電極均是金屬電極,金屬電極易腐蝕且隨地基變形而變形的能力差。為了克服金屬電極易腐蝕的缺點,導電塑料排水板[30]被應用到電滲加固中,即用導電塑料為材料做成排水板,排水板中再加入更易導電的金屬絲或金屬片,在電滲過程中金屬跟電極連接,排水板一方面將電流傳導至土壤中,另一方面保護了電極不會被氧化、腐蝕。目前尚無真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法加固軟土的現(xiàn)場試驗研究報道。

為了深入研究真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法加固軟土的效果,本文結(jié)合浙江溫州圍海吹填造陸工程,開展了真空預壓、真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲、真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲的現(xiàn)場試驗,對比研究了各種方法對海相吹填淤泥的加固效果和經(jīng)濟性,并從機理上對真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法進行了探討。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 現(xiàn)場地質(zhì)條件

現(xiàn)場試驗場地位于浙江溫州市的龍港吹填區(qū),為新近吹填土,回填淤泥厚度約為3.8 m,其下為原有淤泥,現(xiàn)場試驗檢測地基承載力幾乎為零。真空預壓法處理的目的就是使淤泥層快速變成有一定強度的軟土,可以在上面進行機械作業(yè),但是真空預壓加固效果有限,后期還需要進行二次處理,浪費大量資源,基于此提出了采用真空預壓聯(lián)合電滲法進行地基加固,并選擇合適區(qū)域開展現(xiàn)場試驗研究。

通過現(xiàn)場勘察,將試驗場地自上而下劃分為如下工程地質(zhì)層:①吹填后的淤泥,該層厚度約為3.8 m;②黏土,層厚0.40～2.20 m;③含細砂淤泥,層厚8.00～12.70 m;④細砂,層厚3.50～13.70 m;⑤黏土,層厚1.00～9.60 m;⑥粉質(zhì)黏土,層厚1.20～9.80 m;⑦黏土,層厚1.30～18.80 m;⑧粉質(zhì)黏土,層厚2.10～7.60 m。其中吹填淤泥層的物理參數(shù)如下:含水率為98.5%,液限為58.1%,塑限為26.4%,孔隙比為2.61,天然密度為1.462 g/cm3,滲透系數(shù)為8×10-6～10×10-6cm/s。

1.2 試驗方案設計

a. 試驗材料。試驗方案的關鍵點是電極材料的選擇,在真空預壓聯(lián)合電滲試驗中選擇兩種電極材料,一種為鍍鋅鋼管,一種為導電塑料排水板(electric plastic vertical drains,EVD)。在鋼管端部打孔,使用金屬螺栓將導線與鋼管連接。EVD由兩面均設有排水凹槽的基板、金屬絲和濾膜組成,其中基板由聚乙烯、炭黑、石墨等材料組成,2根金屬絲貫通整個基板以方便與外接導線連接。為做好接頭的防水處理,電極與導線的連接先用絕緣級自黏膠帶纏繞,再用防水膠帶包裹。

b. 試驗區(qū)域劃分。試驗區(qū)面積共有1 000 m2,分成A、B、C 3個區(qū)(圖1)。A區(qū)為真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗區(qū),面積為100 m2;B區(qū)為真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗區(qū),面積為100 m2;C區(qū)為常規(guī)真空預壓試驗區(qū),面積為800 m2。其中A區(qū)被分成A1和A2兩個試驗區(qū),各為50 m2;B區(qū)被分成B1和B2兩個試驗區(qū),各為50 m2。

圖1 試驗方案布置示意圖(單位:m)

c. 電極和排水板布置。在真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗中,EVD既起到普通排水板的作用,也起到電極的作用,A1試驗區(qū)排水板全部由EVD組成,正方形布置,間距為0.8 m,共6列,每列13根EVD;A2試驗區(qū)由EVD和普通塑料排水板(plastic vertical drains,PVD)交錯正方形布置,間距1.6 m,共6列,每列13根EVD,其平面布置見圖1(a)；A1、A2試驗區(qū)之間間距0.8 m,A1試驗區(qū)和A2試驗區(qū)之間的相互影響很小。在真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗中,電極和PVD平面布置與真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗平面布置方式一樣,區(qū)別在于金屬電極布置在PVD旁邊,這樣可以更好地發(fā)揮真空預壓和電滲的作用,其布置見圖1(b)。常規(guī)真空預壓試驗的平面布置圖見1(c),PVD按正方形布置,間距為0.8 m。在試驗過程中的檢測儀器布設和試驗結(jié)束后效果檢測點位布置見圖1。吹填土厚度約為3.8 m,PVD與EVD打設深度都為3.8 m,按正常要求布置,而金屬電極打設在PVD旁邊,對金屬電極而言,為防止金屬把密封膜刺破,影響真空預壓效果,結(jié)合以往沉降規(guī)律,金屬電極長度定為3 m,打入泥面以下80 cm,頂端用較長導線與外界電源相連。軟土地基加固立面示意圖見圖2與圖3。

圖2 真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗立面示意圖(單位:m)

圖3 真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗立面示意圖(單位:m)

d. 電源設計。在真空預壓聯(lián)合電滲試驗中,每一列電極材料串聯(lián)成陽極或負極,并與直流電源的正、負極直接連接。直流電源量程為60 V/50 A,功率為3 kW,電壓、電流可控。在A、B區(qū)各布置1臺電源,A1和A2區(qū)的電壓在試驗過程中保持一致,B1和B2區(qū)的電壓在試驗過程中也保持一致。

e. 試驗過程控制。試驗區(qū)布置1臺真空泵,真空泵的閥門可以調(diào)控,方便真空度大小的調(diào)節(jié),使3個試驗區(qū)處在相同的真空預壓條件下。試驗為探索真空預壓和電滲的聯(lián)合加固效果,發(fā)揮兩者的各自優(yōu)勢,前期只進行真空預壓,試驗過程中多次檢測含水率,發(fā)現(xiàn)含水率降低到70%左右時真空泵抽出的水量較小,此時介入電滲。

1.3 施工工藝

真空預壓聯(lián)合電滲試驗是在常規(guī)無砂墊層真空預壓法的基礎上進行的,其主要的施工工藝流程如下:①鋪一層編織布;②人工加工EVD、PVD和金屬電極;③根據(jù)試驗設計方案人工打設EVD、PVD和金屬電極,并將EVD和金屬電極用導線連接,所有導線通過密封溝連接到直流電源;④接通電源,檢查線路連接情況;⑤鋪設2層土工布;⑥鋪設2層密封膜,并人工踩入密封溝一定深度;⑦安裝1臺真空泵,并做好出膜口的密封處理;⑧埋設監(jiān)測儀器;⑨啟動電源抽真空,在土體含水率降低到70%左右時介入電滲;⑩隨時做好現(xiàn)場檢查。A區(qū)和B區(qū)的施工布置見圖4。

圖4 施工布置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 真空度

圖5為真空度隨時間變化曲線。在剛開始抽真空時因停電、破膜和真空泵問題等原因,真空度不是很穩(wěn)定,同時考慮到真空度太大容易形成土柱問題,真空度維持在40～60 kPa,然后逐漸增大到80 kPa并維持穩(wěn)定。在加固后期,因現(xiàn)場條件原因,真空度出現(xiàn)了一定幅度的波動,對試驗結(jié)果有一定的影響。

圖5 真空度隨時間變化曲線

2.2 沉降

圖6 沉降時程曲線

圖6為試驗區(qū)地表的沉降時程曲線。試驗初期沉降速率較大,從圖6可以看出累計沉降曲線斜率接近直線,因地質(zhì)情況不同,在介入電滲之前,累計沉降是有差別的。在試驗進行到60 d時真空泵出水量明顯減小,經(jīng)檢測含水率降為68%,此時介入電滲,可以看出A區(qū)和B區(qū)的累計沉降逐步超過C區(qū),也可以看出常規(guī)真空預壓C區(qū)的沉降曲線逐漸變緩,而真空預壓聯(lián)合電滲的2個試驗區(qū)卻有增大的趨勢,到試驗后期累計沉降曲線才逐漸變緩和。試驗結(jié)束后真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲A1和A2區(qū)的累計沉降分別為1.01 m和1.13 m,真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲B1和B2區(qū)的累計沉降分別為1.22 m和1.13 m,而常規(guī)真空預壓C區(qū)的累計沉降為0.93 m,可以看出A1、A2、B1、B2區(qū)累計沉降大于C區(qū),A1、A2、B1、B2區(qū)累計沉降分別超過C區(qū)9%、22%、31%和22%。從沉降來看,也可以看出真空預壓聯(lián)合電滲的有效性。當然由于地質(zhì)條件的不同和測量沉降中的誤差原因,沉降可以作為觀測試驗效果的一個輔助手段。

2.3 電流與電壓

圖7為真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗區(qū)(A區(qū))的電流與電壓變化曲線;圖8為真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗區(qū)(B區(qū))的電流與電壓變化曲線。為了更好地對比,在A區(qū)和B區(qū)分別各布置1臺電源,使A1、A2區(qū)試驗置于同一電壓條件下,B1、B2區(qū)試驗置于另一相同電壓條件下。

圖7 A區(qū)電流與電壓隨時間變化曲線

圖8 B區(qū)電流與電壓隨時間變化曲線

在真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗中,電壓是根據(jù)電流變化逐步增大的,并在試驗過程中斷電2次,在電壓變化曲線上有所反映。在設定的一定電壓條件下,電流逐漸降低到一定程度,然后再增加電壓值,使電流重新增大到一定值,這有助于維持電滲的進行。不過在試驗后期,即使電壓增大到一定程度,電流值也很小,結(jié)合沉降和出水量,此時可以結(jié)束試驗。

在真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗中,對比真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗可以看出，電壓增大到一個不大數(shù)值,電流就可以出現(xiàn)較大值,可能是因為金屬電極的導電性要好于EVD。與真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗類似,根據(jù)電流變化調(diào)節(jié)電壓。出于對比考慮, A區(qū)和B區(qū)的電滲時間一樣,同時開始,同時結(jié)束。

2.4 加固后土體參數(shù)

為進一步檢驗試驗區(qū)加固效果和對比分析,在每個試驗區(qū)取土進行室內(nèi)土工試驗,取土深度2 m。表2為各個試驗區(qū)土體物理力學指標的平均值。每個試驗區(qū)的物理力學指標都有不同程度的改善,其中含水率由加固之前的98.5%降低到約50%,降低約49.2%,效果顯著。真空預壓聯(lián)合電滲的各個試驗區(qū)的含水率降低到50%以下，孔隙比有較大幅度的降低。其余物理力學指標也較好。

表2 加固后試驗區(qū)土體物理力學性質(zhì)指標

2.5 加固后土體強度

2.5.1 十字板剪切試驗

圖9 加固后土體抗剪強度隨深度變化曲線

圖9為加固后土體抗剪強度隨深度變化曲線。總體上來看,上部土體的抗剪強度要好于下部,真空預壓聯(lián)合電滲試驗(A區(qū)與B區(qū))的抗剪強度要高于常規(guī)真空預壓試驗(C區(qū)),真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗(B區(qū))的抗剪強度要高于真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗(A區(qū))。A1、A2、B1、B2、C區(qū)的抗剪強度平均值在整個1.5 m范圍內(nèi)分別為18.9 kPa、32.1 kPa、30.1 kPa、29.6 kPa和17.1 kPa,在3 m范圍內(nèi)分別為16.6 kPa、25.2 kPa、26.7 kPa、27.6 kPa和13.4 kPa?？梢钥闯稣婵疹A壓聯(lián)合電滲法的有效性,同時也可以看出真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗加固效果較好。

2.5.2 靜力觸探試驗

圖10為加固后土體靜力觸探試驗曲線。與十字板試驗類似,上部加固效果好于下部, A1、A2、B1、B2、C區(qū)的比貫入阻力平均值在整個1.5 m范圍內(nèi)分別為0.257 MPa、0.252 MPa、0.321 MPa、0.221 MPa和0.201 MPa;在整個3 m范圍內(nèi)分別為0.205 MPa、0.232 MPa、0.273 MPa、0.163 MPa和0.155 MPa。A區(qū)和B區(qū)的比貫入阻力都大于常規(guī)真空預壓試驗區(qū)(C區(qū)),其中真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗區(qū)(B1區(qū))的加固效果最好,其次是真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗區(qū)(A1、A2區(qū)),而且A2區(qū)的加固效果好于A1區(qū)。

圖10 比貫入阻力隨深度變化曲線

2.5.3 平板載荷試驗

試驗結(jié)束后進行平板載荷試驗檢測得到A1、A2、B1、B2、C區(qū)的地基承載力特征值分別為51 kPa、63 kPa、59 kPa、57 kPa和42 kPa,A1、A2、B1、B2區(qū)相對C區(qū)地基承載力分別提高了21.4%、50.0%、40.5%和35.7%。由此再一次證明了真空預壓聯(lián)合電滲法的有效性。

3 經(jīng)濟效益分析

在本次試驗過程中,真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗和真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗與常規(guī)真空預壓試驗相比關鍵是多了電極材料,也就是說從單位面積處理成本上看,電極材料是影響真空預壓聯(lián)合電滲法能否大面積推廣應用的關鍵。導電排水板是正在研制的新型電極材料,價格相對普通排水板較昂貴。經(jīng)測算,A1、A2、B1、B2、C區(qū)的每平方米處理費用分別是192元、103元、49元、33元和18元,可以看出真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法成本還是比較高的,隨著材料技術(shù)的進步,成本會有較大幅度的降低。不過從地基承載力提高方面來看,真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法還是顯示出一定的優(yōu)越性。

4 結(jié) 論

a. 真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗的累計沉降超過常規(guī)真空預壓法9%(A1區(qū))和22%(A2區(qū)),地基承載力相對常規(guī)預壓法提高了21.4%(A1區(qū))和50.0%(A2區(qū)),加固效果明顯,且導電排水板和普通排水板間隔布置反而有利于提高地基承載力。

b. 真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲試驗的累計沉降超過常規(guī)真空預壓法31%(B1區(qū))和22%(B2區(qū)),地基承載力相對常規(guī)真空預壓法提高了40.5%(B1區(qū))和35.7%(B2區(qū)),符合真空預壓聯(lián)合電滲法的一般規(guī)律。真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲法加固效果要稍好于真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法。

c. 單純從提高地基承載力方面考慮,真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲法和真空預壓聯(lián)合金屬電極電滲法效果基本相同,但是從材料本身出發(fā),導電排水板處于試驗研究階段,預計效果要好于普通金屬電極。

d. 在真空預壓聯(lián)合導電排水板電滲試驗中,導電排水板和普通排水板間隔布置試驗區(qū)地基承載力可以達到63 kPa,這表明導電排水板布置對加固效果有影響。

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Field tests on marine dredger fill reinforced by vacuum preloading combined with electro-osmosis using electric vertical drains

BU Fanbo1, WANG Haijian1, WU Guoqiang1, SHEN Lin1, HU Jianbin2, PENG Jie2

(1.SDC Waterway Construction Co., Ltd., Ningbo 315200, China; 2.Research Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

In order to promote the method of vacuum preloading combined with electro-osmosis using electric vertical drain (EVDs) in large dredger fill foundation reinforcement, field tests on marine dredger fill in Wenzhou City reinforced by this method were conducted. Comparisons of this method with the method of vacuum preloading combined with electro-osmosis using metal electrodes and the conventional vacuum preloading method were performed. Changes in the vacuum pressure, surface settlement, current, and voltage were analyzed, and as was the growth rule of bearing capacity of the foundation after reinforcement. The test results show that EVDs can obtain the same reinforcement effect as metal electrodes, that their use is effective and feasible for electro-osmosis, and that their arrangement has an influence on the reinforcement effect. The surface settlement of the method of vacuum preloading combined with electro-osmosis using EVDs is over 9% larger than that of the conventional vacuum preloading method, and the bearing capacity of the foundation of the former is over 21.4% larger than that of the latter. The bearing capacity of the deep soil increases, and the reinforcement effect is significant.

vacuum preloading; electro-osmosis; electric vertical drain; marine dredger fill; foundation reinforcement; bearing capacity of foundation; field test

國家自然科學基金(51578214)

卜凡波(1968—),男,高級工程師,主要從事圍堤吹填及處理技術(shù)研究。E-mail:fanbobu@yeah.net

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.04.012

TU472

A

1006-7647(2017)04-0063-07

2016-09-08 編輯：熊水斌)