電滲聯(lián)合注漿加固吹填土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

吳松華，徐勇平

(中交水利水電建設(shè)有限公司， 浙江 寧波 315200)

沿海城市土地開發(fā)利用的有效途徑之一，就是資源化利用大量海相淤泥進(jìn)行吹填造陸，它不僅能很好地解決回淤及污染問(wèn)題，而且經(jīng)濟(jì)快速。

目前關(guān)于海相吹填土的處理，一般常用排水固結(jié)法、樁體復(fù)合地基法、動(dòng)力強(qiáng)夯法等[1]。在實(shí)際工程中，通常是先預(yù)設(shè)臨時(shí)圍堰區(qū)，然后吹填海相淤泥，通過(guò)真空預(yù)壓或堆載預(yù)壓等方法對(duì)吹填土進(jìn)行排水加固，滿足一定承載力要求后用作為建設(shè)用地，排水固結(jié)法具有施工工期短、強(qiáng)度提升速度快等優(yōu)點(diǎn)，在淤泥質(zhì)軟基處理工程當(dāng)中得到了大面積的推廣應(yīng)用。

在取得一定加固效果后也存在一些問(wèn)題[2]，如地基承載力不高，固結(jié)速率慢，堆載材料和方式難以為繼，工期長(zhǎng)，對(duì)施工環(huán)境要求高等，且加固效果較好的土層一般限于地表以下1 m～2 m左右的硬殼層，硬殼層以下土體強(qiáng)度增加不是太多，后期還需要投入大量的人力物力進(jìn)行二次處理，這也反映出真空預(yù)壓法的局限性。

軟基處理的方法一直在發(fā)展，既有對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)和創(chuàng)新，也有學(xué)者提出新的方法和新的工藝，而電滲法[3]被視為眾多方法當(dāng)中很有前途的一種?；瘜W(xué)電滲法[4]是在常規(guī)電滲法的基礎(chǔ)上，在電極處注入化學(xué)溶液，在直流電場(chǎng)的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[5]，生成沉淀物加固土體，快速固結(jié)土體，提高承載力。針對(duì)該技術(shù)的研究目前主要在室內(nèi)試驗(yàn)，王寧偉等開展室內(nèi)試驗(yàn)研究了在陽(yáng)極分別注入等量純水和CaCl2鹽溶液時(shí)軟土電化學(xué)加固的不同規(guī)律[6]，以及氯化鈣溶液濃度和注入量對(duì)電化學(xué)加固軟土排水速率的影響[7]。王軍等[8]采用自制室內(nèi)玻璃模型桶，研究間歇式真空預(yù)壓聯(lián)合電滲對(duì)吹填軟土的加固效果，表明間歇通電方式可保證電滲階段的排水效率。沈揚(yáng)等[9]通過(guò)自主研發(fā)的裝置，探究了不同注漿濃度對(duì)電化學(xué)注漿效果的影響，尋求適宜的注漿濃度和方式。任連偉等[10]利用室內(nèi)試驗(yàn)聯(lián)合注入CaCl2和Na2SiO3溶液研究對(duì)軟黏土加固效果。崔穎輝等[11]開展電動(dòng)化學(xué)注漿加固室內(nèi)試驗(yàn)，研究CaCl2溶液對(duì)土體的改性加固效果。張恒等[12]采用自制電滲試驗(yàn)裝置，研究陽(yáng)極處添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈣溶液對(duì)電滲加固效果的影響。劉艷曉等[13]通過(guò)自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)模型箱，研究注漿方式對(duì)軟土加固效果的影響，表明采用CaCl2和Na2SiO3溶液間歇注漿比一次性注漿聯(lián)合電滲對(duì)灘涂淤泥的加固效果要好?，F(xiàn)階段大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用研究尚不多見(jiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，主要研究了真空預(yù)壓聯(lián)合導(dǎo)電排水板和聯(lián)合金屬電極等電滲法對(duì)軟土的加固效果[14-17]。劉志濤等[18]采用新型電動(dòng)土工合成材料(EKG)電極進(jìn)行電滲排水法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究對(duì)軟土的處理效果。

為提高吹填軟土的地基承載力，結(jié)合某海涂圍墾吹填造地工程，開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，以研究電滲聯(lián)合注漿法加固吹填土地基的可行性和加固效果。

1 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)區(qū)布置有1臺(tái)真空泵，抽真空時(shí)間140 d，真空泵閥門可以調(diào)控真空度的大小，真空逐級(jí)加載至80 kPa。在無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法聯(lián)合電滲的基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)注漿試驗(yàn)，以尋求更大程度上提高地基承載力?；舅悸肥墙饘匐姌O一方面發(fā)揮導(dǎo)電的作用，另一方面作為注漿的管道，在電滲作用的基礎(chǔ)上，利用化學(xué)漿液進(jìn)一步加固土體。其平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)布置圖

1.1 場(chǎng)地準(zhǔn)備

在現(xiàn)場(chǎng)選擇約100 m2進(jìn)行真空預(yù)壓聯(lián)合電滲試驗(yàn)，吹填土厚度約為3 m～4 m。試驗(yàn)區(qū)已經(jīng)鋪設(shè)好編織布，進(jìn)行了排水板打設(shè)，為下一步打設(shè)電極提供較好的工作平臺(tái)。

1.2 金屬電極制作

金屬電極使用長(zhǎng)度為3.5 m的鍍鋅鋼管，在距鋼管頂部10 cm處進(jìn)行鉆孔，用螺絲進(jìn)行鋼管與電線的連接，并用粘膠帶和電膠布進(jìn)行兩次密封。作為注漿使用的金屬電極長(zhǎng)度為4.5 m，在鋼管體的四周每隔10 cm打設(shè)2 mm的孔洞，同時(shí)用濾布包裹，保證孔洞不會(huì)被堵死，漿液可以順利流出。

人工直接把金屬電極打入泥面以下80 cm，在打設(shè)過(guò)程中注意電線的保護(hù)。把邊長(zhǎng)(10 m)長(zhǎng)度范圍內(nèi)的金屬電極進(jìn)行連接形成串聯(lián)，然后把陽(yáng)、陰極分別并聯(lián)，形成統(tǒng)一的陽(yáng)極和陰極，接到電源的正、負(fù)極通電試驗(yàn)檢查連接情況。

1.3 注漿管打設(shè)

在密封膜鋪設(shè)完畢后，進(jìn)行注漿金屬電極的打設(shè)。電極頂端出膜距離20 cm，既有利于密封膜與金屬電極的密封綁扎，也有利于灌漿。在注漿管打設(shè)完畢后，為防止漏氣，在灌漿管的頂管進(jìn)行密封，并在試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)觀測(cè)注漿管與吹填土之間的沉降差值，防止密封膜與注漿管出現(xiàn)脫離導(dǎo)致漏氣。

1.4 注 漿

在真空預(yù)壓后期介入電滲后，需要進(jìn)行注漿，漿液使用的是1 mol/L的氯化鈣和1 mol/L的硅酸鈉溶液。注漿使用人工方式，每天注漿一次，氯化鈣和硅酸鈉交替注漿，連續(xù)10 d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 孔隙水壓力

布置有1組孔壓計(jì)，分別在1 m、2 m、3 m深度位置處埋設(shè)1個(gè)孔壓計(jì)，避免串氣。

圖2為孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線，圖3為孔隙水壓力消散隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，孔壓變化符合一般規(guī)律，并且土體上部孔壓變化高于下部土體孔壓，這主要是因?yàn)檎婵斩葌鬟f受阻。根據(jù)有效應(yīng)力原理，孔壓變化越大，有效應(yīng)力增加越大，即土體加固效果越好。根據(jù)孔隙水壓力曲線變化，也能得出土體隨深度變化具有不一樣的強(qiáng)度，也就是土體加固不均勻。根據(jù)電滲原理，可以實(shí)現(xiàn)加固均勻的效果，但在真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法中，本身需要借助排水板，因排水板自身的不足，不可避免出現(xiàn)了土體加固效果不均勻這一現(xiàn)象。由于真空預(yù)壓過(guò)程中地下水位變化、曼德?tīng)栃?yīng)以及測(cè)量孔容易串氣等因素的影響，孔壓數(shù)據(jù)的規(guī)律往往并不理想。

圖2 試驗(yàn)區(qū)孔壓變化曲線圖

2.2 表層沉降

圖4為表層日均沉降曲線圖，圖5為表層總沉降曲線圖。由圖可知土體在加固前期的沉降速率較大，到后期沉降速率減小到一定程度并趨于穩(wěn)定。當(dāng)抽真空進(jìn)行到60 d左右，出水量明顯減少，此時(shí)介入電滲，在表層日均沉降曲線上可以看到，60 d左右沉降速率明顯減少，60 d后沉降速率又出現(xiàn)了一個(gè)小高峰，隨后沉降速率減小并趨于穩(wěn)定，可以得出電滲對(duì)土體加固有一定的作用。

圖3 試驗(yàn)區(qū)孔壓消散變化曲線圖

圖4 表層日均沉降曲線

圖5 表層總沉降曲線

2.3 電流、電壓

考慮到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的有限性，我們希望通過(guò)采取較小電壓，通過(guò)延長(zhǎng)電滲時(shí)間取得較好的加固效果。

試驗(yàn)中，采取了間歇通電和電極反轉(zhuǎn)等方式[18]，電壓也是逐步增加。在電流(壓)變化曲線過(guò)程中，在一定電壓條件下，電流是比較穩(wěn)定的，一方面說(shuō)明電滲條件較好，另一方面說(shuō)明土體含水率還是比較高的。后期電壓維持在5 V左右，電流維持在35 A上下。在本次試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行了氯化鈣和硅酸鈉溶液的灌注，因試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)面積較大，在電流變化曲線有所體現(xiàn)，但不是很明顯。

2.4 地基承載力

由室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算地基承載力，其特征值按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19](GB 50007—2011) 計(jì)算，分別進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)和對(duì)比區(qū)的土工試驗(yàn)，得到主要的試驗(yàn)成果，并進(jìn)行地基承載力計(jì)算，其結(jié)果列于表1?？梢?jiàn)地基承載力試驗(yàn)點(diǎn)高于對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)，電滲法聯(lián)合化學(xué)注漿具有較好的加固效果。

表1 土工試驗(yàn)主要成果及承載力計(jì)算表

2.5 靜力觸探

加固之前對(duì)吹填土進(jìn)行靜力觸探取樣試驗(yàn)，幾乎沒(méi)有強(qiáng)度。圖6為加固后土體試驗(yàn)點(diǎn)的比貫入阻力Ps隨深度s的變化曲線。由圖可知，對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)的比貫入阻力要小于試驗(yàn)點(diǎn)，并且試驗(yàn)點(diǎn)的比貫入阻力在2 m范圍內(nèi)比較均勻，2 m～3 m范圍不斷減小，這也說(shuō)明灌漿的有效性。在3 m范圍內(nèi)，試驗(yàn)點(diǎn)的比貫入阻力平均值為0.25 MPa，對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)為0.17 MPa，試驗(yàn)點(diǎn)是對(duì)比點(diǎn)的1.47倍；特別地，試驗(yàn)點(diǎn)與對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)在1.5 m范圍的比貫入阻力平均值分別為0.30 MPa、0.22 MPa，試驗(yàn)點(diǎn)是對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)的1.36倍。可以看出真空預(yù)壓聯(lián)合電滲注漿的有效性，當(dāng)然也存在加固不均勻這一現(xiàn)象。當(dāng)然靜探試驗(yàn)也有其局限性，還要結(jié)合其它現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)綜合分析原因。但從現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法具有一定的效果。

圖6 加固后土體靜力觸探曲線

2.6 十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為試驗(yàn)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度Cu隨深度s的變化曲線。在圖7中，同樣可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)點(diǎn)的強(qiáng)度也是明顯高于對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)點(diǎn)的3 m范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度的平均值為22.9 kPa， 對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)的3 m范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度的平均值為14 kPa，相應(yīng)的地基承載力分別為67.25 kPa、45 kPa，試驗(yàn)點(diǎn)是對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)的1.49倍；特別地，在1.5 m深度范圍內(nèi)相應(yīng)的地基承載力分別為80.8 kPa、56.4 kPa，試驗(yàn)點(diǎn)是對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)的1.43倍，可見(jiàn)真空預(yù)壓聯(lián)合電滲注漿的有效性。從曲線中也可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)點(diǎn)上部土體加固效果要好于下部土體，雖然電滲注漿總體對(duì)土體加固能起到明顯的效果，但對(duì)下部土體的加固效果還是有局限性。

圖7 抗剪強(qiáng)度Cu隨深度s變化曲線

2.7 土工試驗(yàn)

表2為根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)取土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，可以看出2 m深度范圍內(nèi)含水率有較大程度的降低，對(duì)比試驗(yàn)區(qū)、試驗(yàn)區(qū)相對(duì)加固前吹填土降低幅度分別為48.17%、50.96%；1.5m深度范圍降低幅度分別為45.76%、54.11%。試驗(yàn)區(qū)的含水率降低值都高于對(duì)比試驗(yàn)區(qū)，其他各項(xiàng)指標(biāo)都有不同程度的改善，這也進(jìn)一步說(shuō)明真空預(yù)壓聯(lián)合電滲效果明顯。

表2 加固后各區(qū)域土體含水率對(duì)比

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法處理單價(jià)是高于無(wú)砂墊層法的，目標(biāo)地基承載力是無(wú)砂墊層法的1.6倍，而施工工期要短于無(wú)砂墊層法30 d以上。就處理單價(jià)而言，試驗(yàn)區(qū)是對(duì)比區(qū)的1.62倍。

在以上的地基承載力對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法加固效果要好于無(wú)砂墊層法，單就載荷板試驗(yàn)得出的地基承載力而言，真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法明顯高于無(wú)砂墊層法，當(dāng)然真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法的處理單價(jià)要高于無(wú)砂墊層法。但在一定的目標(biāo)承載力下，真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法需要的時(shí)間要短于無(wú)砂墊層法，這個(gè)時(shí)間成本還是需要考慮的。

4 結(jié) 論

對(duì)真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究進(jìn)行了介紹，通過(guò)與無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法的對(duì)比，分析對(duì)比了在相同真空壓力作用下，兩者在表層沉降、孔壓和土體加固前后的物理力學(xué)性質(zhì)等方面的不同，具體結(jié)論如下：

(1) 電滲聯(lián)合注漿試驗(yàn)中，土體含水率降低到48.3%，低于同一真空壓力件下對(duì)比試驗(yàn)區(qū)的51.1%，其他物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)也得到明顯改善。

(2) 在這一試驗(yàn)中，試驗(yàn)點(diǎn)的比貫入阻力平均值為0.25 MPa，對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)的為0.17 MPa，試驗(yàn)點(diǎn)是對(duì)比點(diǎn)的1.47倍。

(3) 試驗(yàn)點(diǎn)3 m范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度的平均值為22.9 kPa，對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)的3 m范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度的平均值為14 kPa，試驗(yàn)點(diǎn)是對(duì)比試驗(yàn)點(diǎn)的1.64倍，說(shuō)明真空預(yù)壓聯(lián)合電滲注漿的有效性。

(4) 綜合來(lái)看，真空預(yù)壓聯(lián)合電滲注漿試驗(yàn)的加固效果良好，平板載荷試驗(yàn)地基土承載力60 d的特征值可以達(dá)到61 kPa。