真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法處理高含水率軟土模型試驗

王柳江,劉斯宏,汪俊波,徐 偉

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098;2.西安熱工研究院有限公司,陜西西安 710032;3.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院,浙江杭州 310014)

我國沿海地區(qū)人口稠密,人均耕地面積較少.隨著改革開放的不斷深化,沿海地區(qū)建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)大,建設(shè)用地資源日趨緊缺,因此,近年來人工吹填造陸工程逐漸增多.吹填土一般多為軟弱黏土、淤泥或流泥,具有高含水率、高孔隙比、低滲透性、高黏粒含量、高壓縮性等特點(diǎn),吹填初期的強(qiáng)度幾乎為零,而吹填土在自重下固結(jié)又需要很長時間[1-2],因此,對人工吹填的軟土地基采用既高效又經(jīng)濟(jì)的地基處理方法,是人工吹填造陸工程能否順利實施的關(guān)鍵,也是一項急需解決的技術(shù)難題.傳統(tǒng)的軟弱地基處理方法包括真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法、真空井點(diǎn)降水法以及動力擠密法等[3-5],這些方法在處理一般的低滲透性軟黏土?xí)r的效果尚可,但在處理滲透系數(shù)為10-8cm/s甚至接近10-9cm/s的土體時就表現(xiàn)出了局限性,處理時通常排水效果不明顯.

電滲法是一種新的地基加固方法,其主要優(yōu)點(diǎn)就是通過電滲帶動土體中的孔隙水由陽極向陰極流動,且孔隙水的流動不受土顆粒大小的影響,Casagrande[6]首次將其應(yīng)用于巖土工程,現(xiàn)已逐漸開始應(yīng)用于港口建設(shè)和圍墾工程中高黏粒含量、低滲透性吹填土的排水加固.近年來,電滲法能耗大、工程造價高的缺點(diǎn)在工期較長的工程中逐漸顯露出來,于是有人提出了真空預(yù)壓聯(lián)合電滲的地基處理方法[7-9],即通過將真空預(yù)壓與電滲相結(jié)合,改變傳統(tǒng)地基處理方式的局限性,從而達(dá)到有效加固的目的.單獨(dú)的真空預(yù)壓和電滲機(jī)制及理論研究已經(jīng)取得了初步成果[10-12],但真空預(yù)壓和電滲兩種方法聯(lián)合作用的研究還很少報道.本文通過室內(nèi)模型試驗,對該工法加固海相吹填土的效果及其作用機(jī)制進(jìn)行初步探討.

1 真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法室內(nèi)模型試驗

1.1 試驗土樣

試驗土樣取自大連港大窯灣港區(qū)三期工程19～22號泊位堆場泥塘區(qū),為開挖港池的吹填海相淤泥土,以流泥、淤泥為主,其物理性質(zhì)指標(biāo)如下:液限50.3%,塑限24.3%,壓縮系數(shù)為1.66MPa-1,滲透系數(shù)為5.2×10-8cm/s,含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.923,黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.4%.

1.2 試驗裝置

試驗在80 cm×40 cm×60 cm(長×寬×高)的模型箱內(nèi)進(jìn)行,模型箱由10mm厚鋼化玻璃板和鋼架制成,其內(nèi)壁涂有環(huán)氧樹脂.試驗所用真空泵額定功率為180W,抽氣速度為10 L/min;氣水分離裝置采用ZK-270型真空飽和缸,將其放置在電子秤上面,通過量重測定出水量;直流電源使用KDF可控型電析降水儀,其輸出電壓為0～50V、輸出電流為0～100A,大小可通過按鈕調(diào)節(jié).

試驗前先在模型箱中緊貼內(nèi)壁及底部鋪設(shè)兩層250 cm×250 cm的土工薄膜,將土樣填至40 cm高度,然后將排水板和電極插入土體,之后在土體表面鋪設(shè)兩層土工布作為水平向排水及其過濾系統(tǒng),最后用上述的土工薄膜包裹覆蓋土體,并將袋口扎實密封.

土體中埋設(shè)了一個陽極和兩個陰極,其中排水板和陰極連接在一起.陽極采用直徑25mm、長50 cm的鋼筋,陰極由兩根直徑10mm、長20 cm的鋼筋并聯(lián)而成.考慮到陽極在土體中容易腐蝕,若將陽極全部插入土體,在陽極與電源導(dǎo)線連接處容易導(dǎo)致電路斷開,因此設(shè)計陽極頂部伸出土體10 cm,陽極的頂部和土工膜之間用膠帶密封;陰極埋在土體表面以下20 cm處,如圖1所示.這主要考慮到真空預(yù)壓處理土體滲透系數(shù)較小的軟土地基時,其在淺層地基中的排水效果較好,而在深層地基中由于井阻效應(yīng)及其淤泥土對排水板的涂抹作用導(dǎo)致真空預(yù)壓在深層地基中的排水效果下降,因此,在真空預(yù)壓和電滲聯(lián)合使用時,將陰極設(shè)置于下部土層,通過電滲彌補(bǔ)真空預(yù)壓在深層地基中排水加固的不足;同時真空預(yù)壓聯(lián)合電滲采用何種組合形式也是工程中要解決的問題,若陰極布置長度和排水板相同,則加固過程中排水板頂部的土工膜極有可能被陰極頂破,從而導(dǎo)致真空預(yù)壓失效.

圖1 真空預(yù)壓聯(lián)合電滲模型試驗示意圖(單位:cm)Fig.1 Schematic diagram of model test of vacuum preloading in combination with electroosmosis(unit:cm)

1.3 試驗過程

試驗采用的土樣為海相淤泥土,由于海相淤泥土的孔隙水中含鹽量極高,因此,在進(jìn)行電滲時通常會出現(xiàn)兩個問題:一是土體的電導(dǎo)率較大而使電滲能耗巨大,二是電化學(xué)作用對金屬電極腐蝕明顯.為盡量降低能耗,減慢陽極腐蝕速率,同時為驗證電滲對真空預(yù)壓的輔助作用,電滲采用了間歇通電的方式.隨著試驗的進(jìn)行,土體內(nèi)部含水率降低,真空預(yù)壓相對電滲的作用效果逐漸減小而電滲相對真空預(yù)壓的作用效果逐漸增大,為此將試驗分兩個階段,且為反映電滲在試驗過程中相對真空預(yù)壓的作用,電滲一直貫穿于兩個階段.

第一階段:真空預(yù)壓一直進(jìn)行,調(diào)節(jié)電流密度為20A/m2,每隔24h進(jìn)行1h電滲.在此階段,真空預(yù)壓起主要作用,前80h內(nèi)單位時間的排水量從995g/h遞減至90g/h,總排水量約為19.8kg.在電滲時刻,排水量有明顯的增加,但是電滲引起的排水量增量與真空預(yù)壓產(chǎn)生的出水量相比,其所占單位時間總排水量的比例很小,則可知這一階段的電滲排水作用不明顯.此階段共持續(xù)了6d.

第二階段:每隔24h進(jìn)行3h電滲,即每一次電滲的時間延長為原來的3倍,其他不變.調(diào)整電滲時間的原因是,當(dāng)該土體平均含水率在小于0.85之后,真空預(yù)壓的單位排水量小于50g/h,經(jīng)過電滲,單位時間排水量增加至100～150g/h之間,說明在該階段電滲引起的排水量增量較單獨(dú)真空預(yù)壓的排水量大,且土體電導(dǎo)率隨著孔隙水含量的減小而減小,導(dǎo)致土體中電流下降,因此適當(dāng)增加電滲期的通電時間對地基的排水加固較為有利.此階段持續(xù)的時間同樣為6d.

圖2 出水量時程變化Fig.2 Time history variation of discharge

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 出水量及出水速率

圖3 出水速率的時程變化Fig.3 Time history variation of discharge rate

圖2和圖3為整個試驗過程中出水量及出水速率的時程變化曲線.整個過程出水量為25.4 kg,其中第一階段出水量達(dá)到19.8kg,當(dāng)土體中平均含水率降到0.85之后,土體出水緩慢.圖3為兩個階段出水速率隨時間變化曲線,其中第一階段出水速率隨著含水率的下降急劇減小,電滲時出水速率略有回升,說明電滲確實能夠增加排水的效果.第二階段出水速率很小,其中在一些時間段由于排水板堵塞甚至不出水,而在通電時出水速率能夠提高2～3倍.為反映試驗中電滲時段的排水效率,根據(jù)試驗結(jié)果得到了電滲出水增量百分比與平均含水率的關(guān)系,見圖4,其中電滲出水增量百分比為通電時電滲引起的出水增量與該時段的總出水量之比.由圖4可見,當(dāng)土體平均含水率大于0.85時,電滲引起的出水量相對真空預(yù)壓的要小;而當(dāng)土體平均含水率小于0.85時,電滲引起的出水量相對真空預(yù)壓的大,說明針對該土體,真空預(yù)壓和電滲聯(lián)合的方法適用于含水率小于0.85的情況.

前后兩個階段對比分析說明,在土體含水率高的情況下,真空預(yù)壓起主要排水作用,在土體含水率降到0.85之后,電滲相對抽真空的排水效果要好,此時能夠體現(xiàn)這兩種方法結(jié)合使用的優(yōu)勢.

圖4 土體電滲出水增量百分比與平均含水率的關(guān)系Fig.4 Relationship between percentage of increased discharge by electroosmosis and average water content

2.2 土體變形特征

試驗結(jié)束后土體高度35 cm,陽極與陰極之間距離23 cm,土體發(fā)生5 cm的豎向位移及7 cm的水平向收縮.排水板和陽極周圍土體的強(qiáng)度較高,陽極附近的土體呈現(xiàn)黃褐色,其顏色沿徑向朝外由深至淺,扒開表層土體之后,發(fā)現(xiàn)土體相對干燥,且分布有往陰極方向擴(kuò)張的環(huán)狀微裂縫,裂縫兩界面呈褐色,說明聚集有大量鐵離子.另外,陽極腐蝕程度沿深度方向變化,其半徑由上到下依次減小,如圖5所示.

分析認(rèn)為,出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因如下:(a)由于膜下真空度的存在,大氣壓近似于外加荷載作用在土體表面,且真空荷載相當(dāng)于球應(yīng)力作用在土體上,使土體出現(xiàn)豎向與水平向變形;(b)電滲陽極發(fā)生氧化反應(yīng),產(chǎn)生的含鐵離子化合物和熱量對周圍土體有加固和烘干的作用,從而產(chǎn)生了干縮裂縫;(c)陰極埋設(shè)在土體表面以下20 cm的深度處,因此電滲主要發(fā)生在土體底部,同時真空預(yù)壓聯(lián)合電滲的排水方向為由土體頂層沿深度方向朝土體底層,因此試驗一段時間后,由于表層土體含水率降低導(dǎo)致了土體電阻以及土體和陽極之間的接觸電阻增大,進(jìn)而減弱了表層土體的電滲作用,最終減小了陽極上部的腐蝕量.

圖5 陽極腐蝕Fig.5 Anode corrosion

2.3 土體含水率變化

試驗后將土層自上而下分5層開挖,然后在每層中取4個不同土樣測其含水率,據(jù)此繪制的含水率等值線分布如圖6所示.將各測點(diǎn)含水率加權(quán)取平均值后知土體平均含水率降低到0.667,與初始含水率相比減少了37.9%.從圖6可以看出:最小含水率為0.505,分布在陽極頂部,最大含水率為0.82,分布在深度為0.25m以下的兩極中間;含水率的分布主要分為兩種形式,一是在土體表層15 cm范圍內(nèi),二是在土體底部20 cm范圍,其中表層土體中含水率等值線主要呈水平分布,底層為豎直分布,表層含水率由上到下含水率增大,底層含水率由陽極往中間方向增大,然后由中間往陰極減小,呈兩頭小中間大的分布趨勢;在同一高度上,陽極附近土體含水率最低,陰極次之,中間最高;兩極中間的土體含水率沿深度方向依次遞增.由此可見,試驗中真空預(yù)壓的作用范圍主要集中在土體表層15 cm范圍內(nèi)和排水板附近,而15 cm以下的土體排水主要受電滲的作用,即在實際工程中相對于實際地基加固厚度而言,地基表層厚度為42.8%加固深度的土體受真空預(yù)壓的影響較明顯,而底層土體則通過電滲彌補(bǔ)了真空預(yù)壓加固的不足;當(dāng)聯(lián)合電滲時陽極往陰極方向排水,而陰極附近的水又可以利用排水板上的真空度排出,因此電極埋設(shè)在地基深處可以有效加強(qiáng)真空預(yù)壓對深層地基的加固效果.由于陽極表面既有真空排水又有陽極電滲排水,因此,陽極頂部含水率最小.

圖6 試驗后土體含水率分布等值線Fig.6 Contour of distribution of water content of soil after test

2.4 土體強(qiáng)度變化

試驗結(jié)束后對陰極和陽極的土體進(jìn)行了直剪試驗.通過沿深度方向每隔15 cm分層取樣,每層緊靠兩極周圍各取4個環(huán)刀樣,共取了3層,其中每4個土樣作為一組,分別在50kPa,100kPa,150kPa和200kPa的豎向應(yīng)力下進(jìn)行直剪試驗,試驗共分6組,將其編號為YN1,YN2,YN3,YG1,YG2,YG3,取樣位置如圖7所示,試驗結(jié)果見表1.試驗前土樣呈流塑狀,無法測定其剪切強(qiáng)度.由表1可以看出,試驗后土體抗剪強(qiáng)度有明顯提高,且陰極土體強(qiáng)度高于陽極,底層和表層土體的強(qiáng)度較大,而中間層最小.通常電滲加固應(yīng)從陽極往陰極發(fā)展,而試驗測得的陰極附近土體強(qiáng)度大于陽極附近土體強(qiáng)度,筆者分析認(rèn)為:一是由于陰極設(shè)有排水板,能夠?qū)⒈砻嬲婵斩葌鬟f至土體深處,從而在陰極周圍土體中形成了負(fù)孔隙水壓力(即吸力),增大了該位置土體的有效應(yīng)力,同時,陰極土體又承受了電滲下的排水以及電化學(xué)作用,因此,陰極附近土體相當(dāng)于承受了真空預(yù)壓與電滲的聯(lián)合作用,土體相對比較密實;二是因為在電滲作用下,孔隙水從陽極往陰極流動,導(dǎo)致陽極周圍土體較干燥而產(chǎn)生了較多的裂縫,且進(jìn)行直剪試驗時采用原狀土,因此,土樣中眾多的裂縫導(dǎo)致陽極土體的強(qiáng)度被嚴(yán)重低估,從而造成了與通常所認(rèn)為的電滲加固由陽極往陰極發(fā)展的觀點(diǎn)不一致的現(xiàn)象.試驗結(jié)束后,土體的干密度明顯提高,從陰陽極周圍土體的干密度比較可知陽極附近土體的干密度較小,由此說明陽極土體強(qiáng)度被低估,若在試驗結(jié)束后對陽極周圍土體進(jìn)行強(qiáng)夯壓實處理,陽極的強(qiáng)度將明顯增加.

圖7 直剪試驗取樣位置Fig.7 Sam p ling location in direct shear test

表1 試驗后土樣物理力學(xué)指標(biāo)Tab le 1 Physica l mechanics parameters of soil samp le after test

3 結(jié) 論

a.真空預(yù)壓主要是物理作用而電滲主要是電化學(xué)作用,兩者聯(lián)合使用的效果十分明顯.

b.由于海相淤泥土具有含水率以及含鹽量高的特點(diǎn),導(dǎo)致電滲能耗過大且陽極腐蝕速度加快,通過試驗得到在加固前期,真空預(yù)壓的排水作用強(qiáng)于電滲,而當(dāng)土體平均含水率小于0.85之后,電滲相對真空預(yù)壓的排水效果較明顯,因此,建議真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法加固該類型土體時采用間歇通電方式,且在土體含水率到達(dá)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時延長電滲時間.

c.通過測定試驗后土體的強(qiáng)度可知真空預(yù)壓與電滲聯(lián)合使用時可以明顯提高陰極土體的強(qiáng)度,且采用真空預(yù)壓處理上部土層,電滲處理下部土層可以達(dá)到工程經(jīng)濟(jì)以及處理效果兼顧的目的.

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