電滲法與電滲法聯(lián)合真空預壓法加固超軟土地基的室內試驗分析對比

侯晉芳，劉文彬

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，圍海造陸已成為沿海城市向海洋尋求土地的主要手段。諸多研究成果表明，采用排水固結方法加固流泥、浮泥時，不僅加固時間長、沉降大，而且加固后土體的強度小，遠不能滿足使用要求，主要原因是排水固結法很難排出弱結合水。電滲法可排除部分弱結合水，但單獨使用電滲法卻存在土體加固不均勻、耗電大、陽極腐蝕等問題，曹永華[1-2]等均提出了上述問題。真空預壓法最早由Kjellman[3]提出的，經(jīng)過一系列試驗的驗證[4-5]和機理研究[6-9]，已形成較為完善的理論計算方法和施工工藝，但由于受大氣壓力的限制，真空荷載值一般不超過90 kPa，限制了真空預壓的加固效果，并導致后期加固效率較低[10]。

將真空預壓法與電滲法聯(lián)合起來是一個比較新穎的方法，兩種方法取長補短，彭劼等[11-12]進行了真空預壓聯(lián)合電滲法軟土處理的室內試驗，劉漢龍等[13]進行了真空預壓聯(lián)合電滲法的現(xiàn)場試驗，研究結果表明真空預壓聯(lián)合電滲的方法可以有效提高土體的排水效率和排水量，但相比于電滲法其顯著的適用性和經(jīng)濟性均沒有詳細的分析。

本文以濱海新區(qū)的超軟土地基為研究對象，通過開展電滲法和真空預壓聯(lián)合電滲法（以下簡稱"聯(lián)合法"）加固超軟土地基的室內試驗，對比兩種加固方法中土體孔隙水壓力、土體沉降及強度的變化，分析兩種加固方法的適用性與經(jīng)濟型，為現(xiàn)場的工程施工提供技術和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗概況

本試驗土料為濱海新區(qū)某兩個港口的流泥和浮泥，第一土料含水率為100豫耀150豫，第二土料含水率60豫耀70豫。試驗前進行室內試驗，測定兩種土料的物理指標，如表1所示。

表1 加固前兩種土料的土體特性Table 1 Parameter of two soil properties before consolidation

室內試驗在長寬高分別為4.0 m伊1.5 m伊2.0 m的模型槽中進行。模型槽內上部為第一土料，厚度0.45 m，下部為第二土料，厚度1.1 m。

電滲法中選用硅整流器作為直流電源，正負電極為準=20 mm的鋼管，電極入土深度1.2 m，電滲加固時，先通電17 d，間歇3 d，之后電極反轉再加固6 d，總加固時間23 d。聯(lián)合法采用的抽真空設備為SZ型水環(huán)式真空泵，電極入土深度為1.2 m，先進行真空預壓，后開始電滲，加固時間為20~30 d。

2 試驗結果分析

試驗過程中對土體的孔隙水壓力、地基沉降進行監(jiān)測；加固結束后，對土體進行十字板試驗，確定加固效果，電滲法中各測點布置見圖1，聯(lián)合法中各測點布置見圖2。

圖1 電滲法監(jiān)測點布置Fig.1 Location of monitoring points of electro-osmotic method

圖2 聯(lián)合法中監(jiān)測點布置Fig.2 Location of monitoring points of vacuum preloading-electro-osmotic method

圖中C1~C4為間距0.4 m均勻布置的電極，C1、C3為陰極，C2、C4為陽極。測點分別布置在電極旁、異性電極間、同性電極間和四電極中心點位置?？紫端畨毫y點用K表示，其中K1、K2、K5、K13測定1.1 m深度處的孔壓，K3、K4、K11、K12、K14測定0.6 m深度處的孔壓。沉降監(jiān)測點標記為S。十字板測孔標記為V，每個十字板測孔均在0.7 m和1.1 m處作十字板強度測試。

2.1 土體加固過程中孔隙水壓力的變化

選用GKB原4500滲壓儀監(jiān)測孔隙水壓力，監(jiān)測得到的地基土體孔隙水壓力變化如圖3所示。

圖3 電滲法中孔隙水壓力的變化Fig.3 Variation of pore water pressure in electro-osmotic method

由圖3可知，土體的初始孔壓與埋深成正比，埋深越大初始孔壓越大，0.6 m深度處的初始孔隙水壓力小于1.1 m深度處的孔隙水壓力，其數(shù)值近似呈2倍關系。電滲法加固軟土地基過程中，測得的孔隙水壓力波動較小，說明產生的超孔隙水壓力較小。

監(jiān)測得到聯(lián)合法加固超軟土地基的過程中的孔隙水壓力變化如圖4所示。

圖4 聯(lián)合法中孔隙水壓力的變化Fig.4 Variation of pore water pressure in vacuum preloading-electro-osmotic method

由圖4可知，在聯(lián)合法加固過程中土體產生的孔隙水壓力值波動較大，先產生負的超孔隙水壓力，當負孔壓達到峰值后，再產生正的超孔隙水壓力。

2.2 土體加固過程中沉降的變化

電滲法監(jiān)測得到的地基土體沉降變化如圖5所示。

由圖5可知，各測點沉降的一致性較好，沉降速率前期較大，后期有所減緩。電極轉換前，地基的沉降速率顯著減小。電極轉換后，地基的沉降速率顯著小于前17 d的沉降速率，測得的地基平均沉降量為46.3 mm。

圖5 電滲法中沉降量的變化Fig.5 Variation of settlement using electro-osmotic method

監(jiān)測得到聯(lián)合法加固超軟土地基時，地基土體的沉降變化如圖6所示。

圖6 聯(lián)合法中沉降量的變化Fig.6 Variation of settlement using vacuum preloadingelectro-osmotic method

由圖6可知，沉降速率前期較大，后期有所減緩，聯(lián)合法加固完成時的最終沉降量為149.6 mm，經(jīng)推算電滲開始前土體的固結度為81.0豫。

2.3 現(xiàn)場原位十字板剪切試驗強度分析

電滲法加固地基后各測點土體的強度如圖7所示。

圖7 十字板強度（電滲法）Fig.7 The vane shear strength(electro-osmotic method)

由圖7可知，經(jīng)電滲法加固后，超軟土地基土體的十字板強度均有所提高，但相對電極的位置不同，土體的加固效果不同，加固后電極旁V1、V6測點的十字板強度平均值為9.21 kPa、異性電極間V7、V8測點的強度平均值為10.73 kPa、同性電極間V2、V5測點的強度平均值為7.52 kPa、四電極中心點V3、V4測點的強度平均值為8.42 kPa。由此可知，電滲法加固效果與土體相對電極的位置有關，并呈現(xiàn)不均勻性，異性電極間和電極旁土體的加固效果最顯著，四電極中心點處加固效果次之，同性電極間土體的加固效果最弱。

聯(lián)合法加固地基后各測點土體的強度如圖8所示。

圖8 十字板強度（聯(lián)合法）Fig.8 The vane shear strength(vacuum preloadingelectro-osmotic method)

從圖8可知，除同性電極間的十字板強度最低外（平均為19.84 kPa），其他位置的十字板強度均在26.78~33.4 kPa之間，表現(xiàn)較好的均勻性，說明聯(lián)合法加固后，兩同性電極的中點附近土體強度最低，其它位置較高。檢測得到深度0.7 m和1.1 m處的十字板強度均表現(xiàn)較好的均勻性。

將兩種方法測得不同深度處的土體強度及其平均值匯總于圖9。

由圖9可知，電滲法中土體的十字板強度平均值由4.46 kPa增長至7.77 kPa。聯(lián)合法中土體的十字板強度平均值由6.08 kPa增長至29.55 kPa，土體強度的提高值是純電滲法的7倍。由此可知，聯(lián)合法的加固效果更明顯，且加固效果更均勻。

圖9 加固前后平均十字板強度Fig.9 The average vane shear strength before and after treating

2.4 用電量分析對比

根據(jù)試驗過程中消耗的電流和電壓，可以推算出地基加固所消耗的電能。

根據(jù)式（1），推算出采用電滲法和聯(lián)合法加固超軟土地基時，消耗的總電量、土體總體積和平均能耗量見表2。

表2 電滲法與聯(lián)合法成本分析Table 2 Cost for both electro-osmotic method and vacuum preloading-electro-osmotic method

由表2可知，采用純電滲法加固超軟土地基的總耗電量為78.55 kW·h，平均能耗量為21.12 kW·h/m3；采用聯(lián)合法加固超軟土地基的總耗電量為157 kW·h，其中電滲耗電量為105 kW·h，抽真空耗電量為52 kW·h，平均能耗量為42.20 kW·h/m3，聯(lián)合法耗電量是純電滲法的2倍。

3 結語

本文通過開展純電滲法和聯(lián)合法加固超軟土地基的室內試驗，對比兩種方法中土體孔隙水壓力、沉降以及強度的變化，可得如下結論：

1）電滲法加固的地基土體，其孔隙水壓力受土體深度的影響較大，聯(lián)合法中其孔隙水壓力受深度的影響較小；電滲法中產生的超孔隙水壓力較小，聯(lián)合法中產生的超孔隙水壓力較大。

2）電滲法和聯(lián)合法加固的地基土體，其沉降速率均表現(xiàn)為前期較大，后期減緩的變化趨勢；電滲法中土體的最終沉降量為46.3 mm，聯(lián)合法中為149.6 mm，經(jīng)推算真空預壓固結度達到81%時開始的電滲加固，聯(lián)合法中土體固結更完全。

3）電滲法對表層土加固效果不明顯，而聯(lián)合法對表層土具有顯著的加固效果；聯(lián)合法加固效果更均勻，聯(lián)合法的耗電量是電滲法的2倍，而土體強度的提高值卻是電滲法的7倍。

4）電滲前對土體進行真空預壓不但有利于電滲的順利進行而且還會極大的提高土體的加固效果，起到事半功倍的效果。

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