加熱對軟土地基真空預(yù)壓排水固結(jié)的影響研究

王天園，鄧岳保，毛偉赟，劉 銓

(寧波大學(xué)巖土工程研究所，浙江 寧波 315211)

我國東南沿海地區(qū)廣泛分布有深厚的軟土地基，很多基礎(chǔ)設(shè)施不可避免地需建立在軟土地基上。在已有軟土地基加固處理方法中，真空預(yù)壓法運用廣泛。真空預(yù)壓最早由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院kjellmen[1]于1952年提出。20世紀(jì)80年代，我國交通部、天津大學(xué)和南京水利科學(xué)院等單位對真空預(yù)壓進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，獲得成功。此后，真空預(yù)壓施工工藝和設(shè)計方法逐步成熟。但其后一些工程實踐發(fā)現(xiàn)，采用單一真空預(yù)壓法加固軟土地基時，加固時間長，工后沉降大，無法滿足工程快速高效的要求。對此，有研究者對真空預(yù)壓進(jìn)行了改進(jìn)。武亞軍等[2-3]將傳統(tǒng)固化劑生石灰作為添加藥劑，并對不同添加量的泥漿進(jìn)行真空預(yù)壓試驗，研究表明加入生石灰能加快沉降速率。高志義等[4]、曹永華等[5-6]研究了真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法，室內(nèi)對比試驗表明真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法較單一的真空預(yù)壓法可使土體強度提高2～5倍。王柳江等[7]、徐偉等[8]提出采用真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法的地基加固方法并開展相關(guān)試驗，結(jié)果表明該法能有效加固深層土體。王軍等[9]提出了間歇式真空預(yù)壓聯(lián)合電滲加固方法，該法比單一真空預(yù)壓處理高效，而且處理后的土體黏粒含量明顯下降，有利于降低土體流變性，增強穩(wěn)定性。金小榮等[10-11]基于改進(jìn)Rowe型固結(jié)儀進(jìn)行了真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓對比試驗，結(jié)果表明真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓法能有效消除下承壓水層軟弱地基的沉降，工后沉降較小。朱平等[12]設(shè)計了可控通氣真空預(yù)壓室內(nèi)模型并開展試驗，結(jié)果表明可控通氣真空預(yù)壓比常規(guī)真空預(yù)壓加固效果好。

溫度對土性的影響研究表明，加熱可以提高土體的滲透系數(shù)，改善土體的固結(jié)性狀?；谶@一認(rèn)識，研究者提出了熱排水固結(jié)法，并開展了試驗研究。Abuel-Nag等[13]首先提出了豎井地基熱排水固結(jié)模型試驗，發(fā)現(xiàn)加熱能使豎井地基固結(jié)加快。陶海冰等[14-16]在豎井地基熱排水固結(jié)試驗中證實了豎井地基熱排水固結(jié)能夠帶來更大的地基沉降，使得土體更加密實。劉干斌等[17]、尹鐵鋒等[18]設(shè)計了豎井熱排水固結(jié)模型試驗系統(tǒng)，分別開展排水固結(jié)和熱固結(jié)模型試驗，研究表明熱固結(jié)排水法使地基固結(jié)速率加快，總沉降量增加，土的抗剪強度有所提高，軟基處理效果改善。吳家輝等[19]建立了考慮溫度效應(yīng)的單井固結(jié)解析解，算例分析表明溫度越高地基固結(jié)度越大。謝柯等[20]分析了無堆載加熱、分級堆載、恒載降溫階段對豎井地基熱排水固結(jié)影響。

上述研究主要圍繞堆載預(yù)壓來展開，而真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水地基處理方法目前鮮有報道。本文作者圍繞真空預(yù)壓聯(lián)合加熱處理技術(shù)申報了發(fā)明專利[21]，但相應(yīng)的試驗研究尚未開展。對此，首先設(shè)計真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水技術(shù)的室內(nèi)模型試驗裝置；基于該裝置開展不同溫度下的真空預(yù)壓聯(lián)合加熱試驗；對比不同溫度下的真空預(yù)壓加固軟土地基的沉降及孔壓變化。然后，對真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水固結(jié)的機理進(jìn)行分析，基于已有豎井地基固結(jié)解反演分析不同溫度下的土體固結(jié)性狀參數(shù)，進(jìn)一步分析加熱溫度對軟土地基真空預(yù)壓排水固結(jié)過程的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗土樣制備

本次試驗土樣取自寧波某基坑，通過室內(nèi)土工試驗得到土的各項物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。

表1 室內(nèi)試驗土性參數(shù)

1.2 試驗裝置及安裝

本次實驗由真空預(yù)壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)兩部分組成(圖1)。試驗裝置為自主定制的不銹鋼模型桶，外圍增設(shè)一圈不銹鋼空腔，其間充滿水以進(jìn)行水浴加熱。不銹鋼模型桶內(nèi)圈尺寸為40 cm×30 cm×0.1 cm(高度×內(nèi)徑×壁厚)，外圈尺寸為40 cm×40 cm×0.1 cm(高度×內(nèi)徑×壁厚)。真空系統(tǒng)中豎向排水通道采用寬100 mm、厚4 mm的塑料排水板。抽氣設(shè)備采用定額功率為1.5 kW的真空泵。采用三相電源供應(yīng)的電路，輸出電壓為380 V。

圖1 試驗?zāi)Ｐ脱b置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental model device

模型桶中事先鋪設(shè)2層真空膜，然后將土樣分層裝填到模型桶中，土樣裝填高度為0.35 m。裝填完畢后，將塑料排水板沿著預(yù)先設(shè)定的位置插入土體，再將2個孔壓計依次插設(shè)到土體中，深度分別為0.3 m和0.2 m。將濾管以及傳感電線用真空膜有序地進(jìn)行包裹綁扎，并在封口處打設(shè)玻璃膠密封。將真空濾管連接到真空泵上，完成真空系統(tǒng)的安裝布置。加熱系統(tǒng)為外圍水浴加熱，將水灌滿空腔，放入加熱棒和溫度傳感器，并通過溫控裝置連接電源。模型試驗裝置安裝完畢后，預(yù)壓1 kPa荷載，隨后靜置24 h。預(yù)壓完成后，加熱24 h，使土體充分受熱并趨于穩(wěn)定；再開啟真空泵，檢查裝置是否有漏氣現(xiàn)象(若有漏氣用密封膠密封漏氣位置)。

1.3 試驗方法

為了探究在加熱條件下真空預(yù)壓加固軟土的效果，設(shè)置試驗方案如表2所示。

表2 加載方案

圖2 加載與加熱路徑Fig.2 Loading and heating paths

試驗中真空度維持在96 kPa左右，T0為對比試驗，采用普通真空預(yù)壓方式，T1～T5為真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水試驗組，其溫度分別為40，50，60，70和80 ℃(圖2)。由于T5組80 ℃工況下監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常(可能與塑料排水板或密封膜受高溫影響而失效有關(guān))，因此在加熱8 d后停止加熱。記錄真空度、孔隙水壓力、溫度和土體沉降等數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后，取樣測定密度、含水量、壓縮系數(shù)及孔隙比。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 地基中溫度變化

模型地基內(nèi)溫度變化如圖3所示。由圖3可知：加熱半天后地基中的溫度基本穩(wěn)定；地基土加熱穩(wěn)定的溫度相比于外圍水浴溫度低5～10 ℃。由于模型地基的上下邊界非絕熱界面，因此存在熱量耗散，地基土中的溫度低于外圍加熱溫度。

圖3 模型桶內(nèi)溫度變化圖Fig.3 Diagram of temperature variation in the model barrel

2.2 沉降變化

通過在加壓板上架設(shè)百分表來監(jiān)測沉降量。由于沉降在前期變化較大，因此每10 min記錄1次，在1 d后每2 h記錄1次，6組試驗的累計沉降量如圖4所示。

圖4 不同溫度下的累計沉降過程Fig.4 Settlement at different temperatures

試驗初期，各組沉降增長較快，隨著固結(jié)進(jìn)行，沉降增長速率逐漸減??；除80 ℃工況以外，真空預(yù)壓聯(lián)合加熱產(chǎn)生的沉降比常規(guī)真空預(yù)壓要大，表明真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水比常規(guī)真空預(yù)壓的固結(jié)效果好。圖中T2組50 ℃的沉降最大，在試驗后期超過了其他組別；沉降不是隨溫度的增加而呈線性增大，溫度在22～50 ℃之間時，沉降隨著溫度的增大而增大；但溫度在60～70 ℃時，沉降隨溫度的增大反而減小，說明真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水固結(jié)存在最適宜溫度。原因分析如下：溫度不是很高時，加熱使得土顆粒之間的排水通道變大，會加速固結(jié)；而溫度過高時，將對排水系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

總體上，不同加熱溫度情況下真空預(yù)壓加固效果不同(包括沉降速率和沉降量)；從能源消耗和處置效果出發(fā)，40～50 ℃是本次試驗得到的最適宜溫度。

2.3 孔隙水壓力變化

分別讀取埋深在0.2 m和0.3 m的偏移量，觀測真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水固結(jié)下孔壓的變化量，結(jié)果如圖5所示。其中，T3組在19 d時由于停電，造成孔壓變化異常。其他時刻的數(shù)據(jù)，在初始時刻上升，在短時間內(nèi)迅速下降，之后逐漸降低，后期趨于穩(wěn)定。且同一溫度下埋深0.3 m比0.2 m的負(fù)孔壓大，說明在模型試驗中，排水板下真空度的傳遞效果好。在T0到T3組，隨著溫度的上升，負(fù)孔壓越大，說明在一定溫度范圍內(nèi)，加熱能加速真空預(yù)壓排水固結(jié)。真空泵停止后，孔壓回到初始讀數(shù)。

圖5 孔壓變化Fig.5 Change in pore pressure

2.4 試驗后土樣變化

圖6 T0和T1組模型桶試驗后土樣外觀Fig.6 Soil samples after test for cases T0 and T1

試驗結(jié)束后將模型地基取出(圖6)。從圖6中可觀測到，試驗后加熱組土體比常溫組要干燥且更硬實。將試驗后的土體取樣，測定其含水量，結(jié)果如表3所示。固結(jié)排水前后，含水量從40.8%降到10%～30%；加溫組相比于常溫組降低更明顯；40～60 ℃含水量降低到20%以內(nèi)，可以看出真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水固結(jié)土體相比于常規(guī)真空預(yù)壓土體含水量要小，說明升高溫度對提升軟土強度有效。然而，70 ℃和80 ℃的含水量大于其它加熱組，這可能是由于高溫下排水板溶解失效不起作用，導(dǎo)致排水固結(jié)減慢。

表3 試驗后土性參數(shù)

3 理論分析

3.1 最終沉降

文獻(xiàn)[22]中介紹了多種最終沉降曲線的經(jīng)驗公式。由于本次沉降曲線接近于雙曲線，因此采用雙曲線擬合經(jīng)驗公式來預(yù)測沉降變化：

(1)

式中：s∞——推算的最終沉降量，理論上所需時間t=∞；

s1——經(jīng)歷時間t1出現(xiàn)的沉降量；

a——曲線常數(shù)；

st——t時刻沉降量。

設(shè)定比值：

(2)

式中：s1，s2，s3——沉降曲線上實測值。

則可求得常數(shù)a為：

(3)

將式(2)、式(3)代入式(1)得到最終沉降表達(dá)式為：

(4)

根據(jù)式(4)，取沉降曲線上3個實測值即可求得最終沉降。在圖4中分別取T0、T1、T2的沉降曲線上的3個點，見表4。根據(jù)式(4)，分別求得T0、T1、T2、T3和T4的最終沉降為20.54 mm、30.74 mm、34.55 mm、30.31 mm和26.97 mm。

表4 試驗曲線的取值點

3.2 沉降過程

根據(jù)豎井地基固結(jié)理論，徑向平均固結(jié)度為：

(5)

r——圓柱體單井地基水平截面內(nèi)影響域半徑；

rw——豎井半徑。

本次試驗為重塑土地基，因此不考慮涂抹影響。由于豎井尺寸很短，故忽略井阻影響，即不考慮Fr、Fs。

由于不同時刻的沉降可以由最終沉降乘平均固結(jié)度表示，因此不同時刻的沉降曲線公式可表示為：

st=s∞×Ur

(6)

將各式中的參數(shù)代入式(6)可得：

(7)

基于式(7)，將實驗數(shù)據(jù)代入，可求得沉降過程。其中：土層厚度為0.35 m，真空度為98 kPa，預(yù)壓荷載1 kPa。式(7)中Ch隨著溫度變化而變化，通過反算獲得。沉降過程反演分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 沉降過程試驗與理論擬合圖Fig.7 Experimental and theoretical fitting settlement

由圖7可以看出，T2與T3組前期試驗結(jié)果與擬合值有一定偏差，這可能與前面提到的土在適宜溫度作用下土體從正常固結(jié)土變?yōu)槌探Y(jié)土有關(guān)。另外，加熱后土中孔隙水的真空汽化作用對擬合結(jié)果也有一定影響。

在常溫到50 ℃范圍內(nèi)，反演分析得到的不同溫度下固結(jié)系數(shù)如表5。由表5可知，溫度升高使固結(jié)系數(shù)增大。在50 ℃時，固結(jié)系數(shù)最大。根據(jù)試驗擬合可知，真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水技術(shù)宜在50 ℃左右。

表5 不同溫度下的土體固結(jié)系數(shù)

4 探討

(1)加熱對真空預(yù)壓排水固結(jié)的影響表現(xiàn)出較為復(fù)雜的規(guī)律。豎井地基熱排水固結(jié)從常溫到50 ℃時，沉降速率隨著溫度的上升而增大。原因如下：在加熱溫度不是很高的時候，加熱可以使土體滲透系數(shù)提高，增大了土的固結(jié)系數(shù)。但是在60～80 ℃時，沉降速率隨著溫度的上升而減小，可能的原因如下：當(dāng)溫度過高時，塑料排水板因為溶解導(dǎo)致其透水性減弱，造成淤堵，排水板失效。

(2)為了驗證過高溫度下排水板真空傳遞是否退化，試驗結(jié)束一天后(70 ℃和80 ℃工況)重新開啟真空泵，但不再加溫，觀測孔壓變化。在8 h觀測中，地基土中孔壓穩(wěn)定在0.2 kPa。由此推測，排水板受高溫作用后透水性減弱，真空傳遞受損。

(3)試驗后把塑料排水板取出，可粗略評估不同溫度下排水板濾膜淤積情況。70 ℃和80 ℃相比與其它組別淤積現(xiàn)象相對明顯。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)加熱溫度不是很高時，加熱可以提高土體滲透系數(shù)，增強真空預(yù)壓排水固結(jié)效果；根據(jù)反演分析，加熱40 ℃、50 ℃、60 ℃后軟土的固結(jié)系數(shù)相比于常溫下土體固結(jié)系數(shù)分別提高了30%、35%和5%。

(2)當(dāng)溫度較高時，加熱可導(dǎo)致塑料排水板材料發(fā)生變化，塑料排水板透水性能因加熱而減小，阻礙了真空度向地基深處傳遞；過高的加熱溫度對真空預(yù)壓排水固結(jié)起反作用。

(3)本次有限的研究成果表明：真空預(yù)壓聯(lián)合加熱的方法存在適宜溫度；從經(jīng)濟性(能耗)和處置效果出發(fā)，真空預(yù)壓聯(lián)合熱排水技術(shù)的最優(yōu)加熱溫度在40～50 ℃范圍。

(4)從可操作性和節(jié)能環(huán)保出發(fā)，建議實際工程當(dāng)中采用太陽能進(jìn)行加熱。具體的施工工藝及優(yōu)化有待開展進(jìn)一步細(xì)致研究。