太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析*

鄭良科，鄭榮躍，鄧岳保，鄭詩(shī)怡

(寧波大學(xué)濱海城市軌道交通協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315211)

0 引言

沿海地區(qū)和內(nèi)陸湖區(qū)土質(zhì)松軟，土體含水率高，透水性差，地基承載力低，給工程建設(shè)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。因此，需改善軟土工程特性，提高地基承載力。軟土地基常見(jiàn)處理方法包括樁基法、水泥土攪拌法、排水固結(jié)法。排水固結(jié)法具有施工便捷、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用，但仍存在工期長(zhǎng)、地基工后沉降大等不足。

為改善傳統(tǒng)排水固結(jié)地基處理技術(shù)，部分學(xué)者進(jìn)行了深入研究，如黃朝煊[1]研究了真空預(yù)壓排水固結(jié)法加固吹填土，利用抽真空為土體提供持續(xù)負(fù)壓，以達(dá)到加快土中孔隙水排出的目的；陽(yáng)小良等[2]研究了超載預(yù)壓排水固結(jié)法，通過(guò)給地基施加超載預(yù)壓，并結(jié)合塑料排水板，以達(dá)到復(fù)合排水固結(jié)效果；程慶臣等[3]研究了電滲排水固結(jié)法，在地基土體中埋入正、負(fù)電極，利用通電后形成的電場(chǎng)加速土體排水固結(jié)；陳浩等[4]研究了水氣分離抽真空技術(shù)處理軟土地基，研究發(fā)現(xiàn)水氣分離抽真空技術(shù)較傳統(tǒng)真空預(yù)壓法加固效果更優(yōu)、成本更低，更適用于大面積圍海造地軟土地基的處理。

2006年，國(guó)外學(xué)者提出了排水固結(jié)與加熱聯(lián)合的復(fù)合排水固結(jié)處治技術(shù)，并開(kāi)展了初步試驗(yàn)研究[5]。隨后，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者圍繞該技術(shù)開(kāi)展了一系列研究，如謝柯等[6]基于模型試驗(yàn)研究了加熱對(duì)豎井地基排水固結(jié)的影響，并探討了熱排水固結(jié)處治技術(shù)加固機(jī)理；鄧岳保等[7]、王天園等[8]研究了加熱對(duì)真空預(yù)壓排水固結(jié)影響的作用機(jī)理，并開(kāi)展了一系列對(duì)比試驗(yàn)研究。上述研究均發(fā)現(xiàn)加熱能夠加快軟土地基固結(jié)，提高土體滲透性，由此提高軟土地基承載力。但已有基于電能的加熱處理技術(shù)能源消耗大，工程實(shí)用性較差。為此，本課題組[9]發(fā)明了真空預(yù)壓聯(lián)合太陽(yáng)能加熱地基處治技術(shù)，即太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法，并開(kāi)展了初步試驗(yàn)研究[10-11]。

為進(jìn)一步推進(jìn)太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)加固機(jī)理和施工工藝進(jìn)行研究，結(jié)合算例分析本方法在排水固結(jié)、工期造價(jià)、碳排放量等方面的改進(jìn)效果，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益評(píng)估。

1 加固機(jī)理

1.1 工作原理

1)在常規(guī)排水固結(jié)法的基礎(chǔ)上，利用太陽(yáng)能面板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過(guò)水媒介儲(chǔ)存在熱水中。由循環(huán)水泵和地基中預(yù)設(shè)的U形金屬導(dǎo)熱管形成熱水循環(huán)系統(tǒng)，將熱能向地基土體傳遞，使地基土升溫。

2)根據(jù)已有研究，加熱可使軟土中結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水，減小水黏滯系數(shù)，進(jìn)而提高軟土滲透性。另外，加熱還可使軟土(正常固結(jié)或欠固結(jié)狀態(tài))屈服極限或表觀(guān)先期固結(jié)壓力減小，由此產(chǎn)生熱沉降。經(jīng)過(guò)升溫、降溫循環(huán)后，軟土表現(xiàn)出超固結(jié)土性狀，其變形特性減小，強(qiáng)度提高。

3)豎井地基結(jié)合真空預(yù)壓或堆載預(yù)壓，在地基土中形成孔壓梯度，使土中水排出。在此基礎(chǔ)上，太陽(yáng)能的導(dǎo)入提升了軟土滲透性，增大了土中孔壓梯度，由此加速土中水的排出，并增強(qiáng)地基處治效果。

1.2 系統(tǒng)組成

太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法采用的系統(tǒng)主要分為太陽(yáng)能集熱器、熱水循環(huán)系統(tǒng)和排水系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。太陽(yáng)能集熱器包括太陽(yáng)能面板和集熱單元，太陽(yáng)能面板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，太陽(yáng)能集熱單元出水端與儲(chǔ)水箱入水端相連，儲(chǔ)水箱上裝有溫度計(jì)、防溢開(kāi)關(guān)和控溫開(kāi)關(guān)；熱水循環(huán)系統(tǒng)由U形金屬導(dǎo)熱管和水泵組成，金屬導(dǎo)熱管加熱單元入水端和出水端分別與儲(chǔ)水箱和太陽(yáng)能集熱單元入水端相連，循環(huán)水泵為水循環(huán)閉合回路提供動(dòng)力，以保持熱水循環(huán)；排水系統(tǒng)主要由塑料排水板(豎井)、砂墊層、水平向排水管、排水溝和真空泵連接組成。

圖1 太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法系統(tǒng)組成

2 施工工藝

本技術(shù)適用于淤泥質(zhì)土、吹填土等軟弱土形成的地基處治中，施工時(shí)使用的設(shè)備包括插板機(jī)、真空泵、太陽(yáng)能熱水裝置、循環(huán)水泵，其數(shù)量根據(jù)工程量而定，施工工藝如下。

1)通水，通電，通路，平整場(chǎng)地。為滿(mǎn)足工程要求，確保設(shè)備可在地基上施工，需在施工場(chǎng)地鋪設(shè)30～50cm厚砂墊層。根據(jù)規(guī)范要求，砂墊層厚度誤差為±4cm，所用砂中泥質(zhì)含量應(yīng)<5%，嚴(yán)禁砂中混有尖石、鐵器等。

2)按照設(shè)計(jì)要求單根打設(shè)塑料排水板，施工質(zhì)量應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范要求。打設(shè)時(shí)需打穿加固軟土層，外露長(zhǎng)度≥30cm。塑料排水板可按正方形布置，間距1m×1m，也可按照梅花形布置。塑料排水板平面位置偏差控制在±10cm以?xún)?nèi)。

3)為實(shí)現(xiàn)對(duì)地基土的加熱，需將導(dǎo)熱管預(yù)埋在地基中。利用插板機(jī)將地暖送入地基中，導(dǎo)熱管為U形，按正方形布置，間距1.5m×1.5m，深度與排水板深度一致，外露長(zhǎng)度控制在5～15cm。導(dǎo)熱管打設(shè)時(shí)不得有破損漏水，不得進(jìn)砂土，以防堵塞。

4)在砂墊層內(nèi)布置濾管，濾管水平間距1m。排水板環(huán)繞濾管利用自拉鎖固定，固定完成后將濾管送入土中0.5m深度處。

5)將地暖管(U形金屬導(dǎo)熱管)以熱熔方式進(jìn)行串聯(lián)，100m×10m(長(zhǎng)×寬)為1個(gè)串聯(lián)單位。采用集成式太陽(yáng)能熱水器，加熱效率高，受天氣影響較小。將太陽(yáng)能集水箱導(dǎo)出的水管連接循環(huán)水泵，以提供水循環(huán)動(dòng)力。在循環(huán)水泵和U形金屬導(dǎo)熱管中間安裝1個(gè)水壓傳感器，以檢測(cè)是否出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。最終將太陽(yáng)能熱水器、集水箱、循環(huán)水泵和U形金屬導(dǎo)熱管串聯(lián)，形成閉合回路。

6)根據(jù)監(jiān)測(cè)要求，埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器?？蓪?chǎng)地分為不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置多個(gè)孔壓測(cè)試點(diǎn)和沉降測(cè)試點(diǎn)。

7)鋪設(shè)3層密封膜，確保密封性。鋪設(shè)完成后進(jìn)行密封溝開(kāi)挖，開(kāi)挖深度應(yīng)達(dá)地下水并切斷透水層。溝底寬度應(yīng)>0.4m，以保證密封膜與溝底黏土充分接觸，滿(mǎn)足密封要求。

8)持續(xù)抽真空和保持水循環(huán)直至結(jié)束。真空預(yù)壓荷載要求達(dá)80kPa。在抽真空的同時(shí)，打開(kāi)循環(huán)水泵，利用太陽(yáng)能熱水實(shí)現(xiàn)循環(huán)加熱。注意在抽真空前需試運(yùn)行，如有異響應(yīng)立即停泵，查找原因，直至真空泵無(wú)異響后方可再次啟動(dòng)。抽真空時(shí)長(zhǎng)一般為3～4個(gè)月。在抽真空過(guò)程中，監(jiān)測(cè)沉降與孔壓數(shù)據(jù)變化，一般以沉降<3mm/d為停泵依據(jù)。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 工程地質(zhì)條件

寧波市某停車(chē)場(chǎng)工程擬建面積為10 000m2。場(chǎng)地地貌特點(diǎn)為淤積平原，海拔低，地勢(shì)平坦，沿海地下水位高。土體含水量高，第1層為素填土層，雜色，高壓縮性，主要成分為黏性土、淤泥質(zhì)土等，土質(zhì)不均，強(qiáng)度較低，平均層厚1m左右；第2層為淤泥質(zhì)黏土，灰色，流塑，土質(zhì)不均勻，含有少量貝殼碎屑，干強(qiáng)度和韌性中等，平均層厚5m左右；第3層為粉質(zhì)黏土，灰色，軟塑，高壓縮性，土質(zhì)均勻，干強(qiáng)度和韌性中等，平均層厚4m左右。第1～3層作為主要加固層，淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土壓縮指數(shù)分別為0.3，0.2，回彈指數(shù)分別為0.03，0.02，土體重度分別為18，19kN/m3，壓縮模量均為5MPa，初始孔隙比均為1.2。

3.2 理論分析

3.2.1沉降計(jì)算

1)真空預(yù)壓引起的地基沉降

軟土地基沉降采用考慮土體應(yīng)力歷史的e-p曲線(xiàn)法計(jì)算，計(jì)算公式為：

(1)

式中：s1為真空預(yù)壓引起的沉降；H為土層厚度；e為初始孔隙比；Cc為壓縮指數(shù)；p0為初始有效應(yīng)力；△p為有效應(yīng)力增量；pc為先期固結(jié)壓力。

對(duì)于正常固結(jié)土，初始有效應(yīng)力與先期固結(jié)壓力相等，計(jì)算得到s1=106.24mm。

2)太陽(yáng)能加熱引起的地基沉降

根據(jù)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，太陽(yáng)能加熱地基可使地基溫度升高20℃，以常溫22℃為例，太陽(yáng)能加熱后的地基平均溫度為42℃。加熱可促進(jìn)地基土沉降，沉降計(jì)算公式為[12-13]：

(2)

(3)

式中：s2為太陽(yáng)能加熱引起的沉降；Ce為回彈指數(shù)；p為土體總應(yīng)力；ΔpcT1為加溫引起的先期固結(jié)壓力減小量；γ為先期固結(jié)壓力溫度影響參數(shù)，通常取0.3～0.4；T為地基土初始溫度；ΔT為溫度變化量；pcT為溫度T時(shí)土體先期固結(jié)壓力。

計(jì)算得到s2=12.175mm，因此太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)最終沉降為118.42mm。2種處置方法引起的地基沉降變化曲線(xiàn)如圖2所示。根據(jù)包偉力等[14]的研究，地基強(qiáng)度與固結(jié)度呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)采用太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法處理地基時(shí)，達(dá)90%固結(jié)度的地基沉降為106.58mm，接近常規(guī)真空預(yù)壓下的最終沉降(106.24mm)。太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法處治后的地基較常規(guī)真空預(yù)壓法增加約11%的固結(jié)度，根據(jù)地基強(qiáng)度與固結(jié)度的關(guān)系，可知地基強(qiáng)度約提高11%。

圖2 地基沉降變化曲線(xiàn)

3.2.2固結(jié)度計(jì)算

在工程實(shí)踐中，軟土地基固結(jié)度可由太沙基一維固結(jié)公式計(jì)算得到：

(4)

Tv=Cvt/H2

(5)

Cv=k(1+e0)/(aγw)

(6)

式中：Ut為軟土地基固結(jié)度；m為正奇數(shù)；M=mπ/2；Tv為豎向固結(jié)時(shí)間因數(shù)；Cv為土體豎向固結(jié)系數(shù)；t為固結(jié)歷時(shí)；e0為初始孔隙比；k為滲透系數(shù)；a為壓縮系數(shù)；γw為水的重度。

根據(jù)上述公式，計(jì)算得到固結(jié)度為90%的豎向固結(jié)時(shí)間因數(shù)為0.848。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到滲透系數(shù)與溫度關(guān)系式為：

(7)

式中：kT為溫度T時(shí)的滲透系數(shù)；T0為地基土初始溫度；k0為常溫22℃下的滲透系數(shù)，取2×10-8m/s。

加熱后土體平均溫度可達(dá)42℃，計(jì)算得到42℃時(shí)的kT=2.94×10-8m/s。a=7.17×10-4MPa-1，γw=10kN/m3，e0=1.2，計(jì)算得到22℃下Cv=5.858×10-6，42℃下Cv=8.611×10-6。

2種處置方法引起的地基固結(jié)度變化曲線(xiàn)如圖3所示。計(jì)算得到常規(guī)真空預(yù)壓法達(dá)90%固結(jié)度的時(shí)間為160d，太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法為109d，工期縮短約32%。

圖3 地基固結(jié)度變化曲線(xiàn)

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與依據(jù)

工程計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與依據(jù)主要包括工程量清單計(jì)價(jià)和工程量計(jì)算規(guī)范、《浙江省房屋建筑與裝飾工程預(yù)算定額》(2018版)和寧波市市場(chǎng)造價(jià)信息。

3.3.2綜合單價(jià)計(jì)算分析

工程處理的軟土地基尺寸范圍為100m×100m(長(zhǎng)×寬)，排水板打設(shè)深度10m，間距1m，按照梅花形布置。排水板類(lèi)型為B型，市場(chǎng)單價(jià)為0.8元/m。砂墊層采用水過(guò)濾石英砂，厚度40cm，根據(jù)《浙江省房屋建筑與裝飾工程預(yù)算定額》(2018版)，砂石墊層造價(jià)為45.3元/m2。太陽(yáng)能熱水器采用集成式，市場(chǎng)價(jià)格為24 000元/臺(tái)。循環(huán)水泵市場(chǎng)價(jià)格1 000元/個(gè)，共5個(gè)。選取7.5kW真空射流泵，抽真空能力>90kPa。計(jì)算得到常規(guī)真空預(yù)壓法造價(jià)為105.03元/m2，太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法綜合單價(jià)為118.00元/m2。

3.3.3敏感性分析

目前，施工時(shí)間成本的增加是不可避免的，因此需針對(duì)施工時(shí)間成本影響進(jìn)行敏感性分析。施工時(shí)間成本對(duì)比差值計(jì)算如下：

CLC=CT1-CT2

(8)

式中：CLC為施工時(shí)間成本對(duì)比差值；CT1為太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法施工時(shí)間成本；CT2為常規(guī)真空預(yù)壓法施工時(shí)間成本。

工期縮短將使太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法具有更好的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。施工時(shí)間成本敏感性分析結(jié)果如表1所示，由表1可知，當(dāng)施工時(shí)間成本>2 165元/d時(shí)，太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法的處理成本低于常規(guī)真空預(yù)壓法。

表1 施工時(shí)間成本敏感性分析結(jié)果

4 碳排放量計(jì)算分析

施工過(guò)程中排放二氧化碳主要源自于施工機(jī)械，影響碳排放量的因素主要包括施工機(jī)械單位臺(tái)班耗油量和耗電量、油電碳排放因子[15]。二氧化碳排放量根據(jù)陳彬彬等[16]的研究確定。

常用機(jī)械臺(tái)班碳排放因子如表2所示，常規(guī)真空預(yù)壓法與太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法碳排放量計(jì)算結(jié)果分別如表3，4所示。由表3，4可知，常規(guī)真空預(yù)壓法碳排放量為77 635.2kg，太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法碳排放量為63 383.9kg，可知太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法較常規(guī)真空預(yù)壓法產(chǎn)生的碳排放量減少了14 251.3kg，減少近18.4%。

表2 常用機(jī)械臺(tái)班碳排放因子

表3 常規(guī)真空預(yù)壓法碳排放量

表4 太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法碳排放量

5 評(píng)分優(yōu)選法綜合評(píng)價(jià)

利用評(píng)分優(yōu)選法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選擇施工成本、工期、地基強(qiáng)度、碳排放量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，總評(píng)價(jià)分計(jì)算如下：

(9)

式中：R為太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法總評(píng)價(jià)分；Ri為太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法某個(gè)指標(biāo)得分；Wi為太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法某個(gè)指標(biāo)權(quán)重因子。

計(jì)算得到施工成本、工期、地基強(qiáng)度、碳排放量權(quán)重因子分別為5，4，3，3。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)明顯優(yōu)于常規(guī)項(xiàng)(10%以上)時(shí)，指標(biāo)評(píng)價(jià)值為2；當(dāng)微弱優(yōu)于常規(guī)項(xiàng)(0～10%)時(shí)，指標(biāo)評(píng)價(jià)值為1；當(dāng)與常規(guī)項(xiàng)相同時(shí)，指標(biāo)評(píng)價(jià)值為0；當(dāng)微弱差于常規(guī)項(xiàng)(-10%～0)時(shí)，指標(biāo)評(píng)價(jià)值為-1；當(dāng)明顯差于常規(guī)項(xiàng)(-10%以下)時(shí)，指標(biāo)評(píng)價(jià)值為-2。計(jì)算知施工成本、工期、地基強(qiáng)度、碳排放量指標(biāo)得分分別為-1，2，2，2，總評(píng)價(jià)分為15，這表明太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法優(yōu)于常規(guī)真空預(yù)壓法。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法地基處治技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)敘述，以寧波市某軟土地基工程勘察結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行算例分析，得出以下結(jié)論。

1)太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法處理地基固結(jié)速度較常規(guī)真空預(yù)壓法快，可縮短工期約32%。

2)太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法處治后的地基較常規(guī)真空預(yù)壓法增加約11%的固結(jié)度，根據(jù)地基強(qiáng)度與固結(jié)度的關(guān)系，可知地基強(qiáng)度約提高11%，可提高軟土地基加固效果。

3)以市場(chǎng)價(jià)為參照，常規(guī)真空預(yù)壓法造價(jià)為105.03元/m2，太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法綜合單價(jià)為118.00元/m2。當(dāng)施工時(shí)間成本>2 165元/d時(shí)，太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法的處理成本低于常規(guī)真空預(yù)壓法。

4)太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法較常規(guī)真空預(yù)壓法產(chǎn)生的碳排放量減少近18.4%，具有較好的應(yīng)用前景和社會(huì)效益。