电渗复合真空覆水预压法加固吹填土地基的应用研究

2012-01-23陶明安刘志浩刘汉龙

土木工程与管理学报 2012年3期

沈扬，陶明安，刘志浩，刘汉龙

(河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098)

我国沿海地区人多地少，随着社会经济的迅猛发展，土地的供需矛盾日渐突出，围海造陆成为解决这一问题的新举措[1]。沿海地区许多大规模的围海造陆工程正在规划与实施，根据《温州市滩浮围垦总体规划(2006～2020年)》，仅温州市规划围垦造陆面积就达333.6平方公里。因此，高效经济的处理吹填土地基变得尤为重要。

由于吹填土渗透系数很小，结合水含量高[2]，常规排水固结法如真空预压、堆载预压等只能排除地基土中的自由水，真空传递效率低，加固效果有限。而电渗法通过给地基施加直流电场可以有效的排除结合水，且排水效果不受地基土渗透系数小的影响，已被证实在处理吹填土方面有独特的优点[3～7]。故本文提出电渗复合真空覆水预压加固吹填土的方法，并结合温州某大面积吹填土地基处理工程，对电渗复合真空覆水预压加固吹填土中的工艺参数进行了现场试验研究。通过对加固区的表面沉降、分层沉降、真空度、孔隙水压力、水位和水平位移等变化规律进行分析研究，探讨电渗复合真空覆水预压应用于吹填土的加固机理，为今后该技术的工程设计和理论研究提供参考。

1 工程地质条件

试验区位于浙江省温州市的瓯江口西岸，为新近人工围垦区，属滨海区沉积地貌类型，地面高程为2.1～2.2 m。在勘察深度范围内，试验区均为第四纪全新统的冲海相、海相软土，为具高含水率、高孔隙比、高灵敏度、抗剪强度小、易触变等特性，属典型的软弱地基土。

①吹填后的淤泥，经处理。该层厚度1.5～2.5 m。

②含细砂淤泥：灰色，饱和，流塑状，中-高压缩性，粉细砂含量为10%～30%，呈薄层状分布，含少量贝壳碎屑和半炭化物(有机质)，土质不均匀。全场均有分布，沟汊、养殖塘内直接出露地表，厚度11.40～12.10 m。

③淤泥：青灰色、灰色，饱和，流塑状，高压缩性，夹少量粉细砂、贝壳碎屑和半炭化物(有机质)，局部砂含量稍高。全场均有分布，层顶埋深11.40～12.10 m，揭露层厚13.20～14.50 m，未揭穿。

设计要求地基处理后，地基承载力特征值不小于100 kPa。

2 试验方案

规划试验区1000 m2，平分为两个试验区，其中：

A区为电渗复合真空覆水预压区，电渗系统采用一种新型可压缩电极和全密封导电线路。其中新型可压缩电极由钢管、弹簧软管及铜线组成，可保证地基沉降过程中压缩电极管不上顶刺破真空膜；全密封导电线路由穿刺型绝缘线夹连接，结构密封，防漏电、防水、防腐蚀，可在真空膜下长期工作。

B区为真空覆水预压区。整个试验区配合比较完善的监测措施,做到信息化施工。

2.1 设计与施工

B区的设计与施工为：场地整理并铺设40 cm厚砂垫层。使用搅拌桩机打泥浆搅拌桩，双排搅拌桩搭接形成黏土密封墙。单根桩直径60 cm，搭接10 cm，桩长8 m。按照1 m×1 m间距打设10 m深排水板，塑料排水板与水平排水管缭绕式连接，水平排水管采用φ50波纹滤管，次管间距1 m，主管间距10 m。在导线和排水管上铺设一层土工布、两层真空膜。真空膜为聚乙烯薄膜，厚0.14 mm。在密封墙内侧开挖1.5 m深的密封沟，用水枪将密封沟底部冲成淤泥状，将真空膜踩入密封沟并用软黏土回填压实。抽真空一周后修建围堰覆水，覆水深度1.5 m。

A区的真空覆水预压设计与B区相同，其电渗系统的设计为：按照2 m×2 m间距在排水板旁插入钢管作为电极。钢管长6 m，距离地面1.5 m。通过1.5 m长的铜芯电缆线与水平铝芯橡皮导线相连，并连接直流电源。抽真空同时开始电渗。每天进行两次间歇通电，并每隔两天进行一次极性转换。A区的施工剖面布置如图1所示。

图1 A区施工剖面布置

2.2 监测布置

为对软基加固的机理进行研究，本项目在施工过程中埋设了一定数量的监测仪器，以对加固区的表面沉降、分层沉降、真空度、孔隙水压力、水位和水平位移等变化规律进行研究。每个试验区监测内容如下：

布置2个沉降标；水位和分层沉降合用一个孔，管深14 m；设置1个膜下真空表，1组深层真空表，设置深度分别为3、6、9 m；设置1组孔压计，设置深度分别为3、6、9 m；试验区外围1 m处设置一个水平位移观测孔，管深12 m，每0.5 m深度测量一次水平位移。

3 现场监测结果及分析

3.1 真空度监测

现场真空度的测量是真空预压加固软基监测的重要内容，对工程设计、加固效果分析以及真空预压机理研究有着重要的作用。此外，真空度也反映了真空水泵是否正常工作，并能够直观反映出水泵的抽真空效果。

图2 真空度时程

试抽真空，真空度增长到80 kPa，并且基本趋于稳定。两个试验区的真空度基本一致，说明电渗对真空度的传递基本没有影响。

3.2 孔隙水压力监测

孔隙水压力的变化反应了土体压缩固结的过程中强度和变形的特性。为了研究土的力学性状，首先必须了解在外荷载作用下孔隙水压力的变化规则。沿土体不同深度埋设孔隙水压力计，目的是了解土体内孔隙水压力与真空压力的分布状况、变化及其相互影响，进而判断地基加固效果。

图3 孔隙水压力变化曲线

A区3 m、6 m、9 m深度处孔隙水压力分别下降了36.96 kPa、64.99 kPa、55.15 kPa。B区相应深度分别下降了64.18 kPa、63.38 kPa、25.59 kPa。各深度真空度与孔隙水压力基本保持一致。

由于地下水位的下降，导致A区3 m处真空度转化的孔隙水压力变小，同时由于电渗、电泳作用，导致9 m处的负孔隙水压力变大。

3.3 地下水位监测

真空作用下地下水位的变化历来存在争议，再加上堆载与电渗的影响，使这一问题变的更加复杂。因此，为了探究电渗复合真空覆水预压法的加固机理，对地下水位的监测尤为重要。在真空预压场地内布置水位观测孔，与分层沉降合用一孔。

图4 地下水位变化时程

A区地下水位平均下降幅值达到2 m，B区地下水位则基本保持不变，说明电渗对地基土的疏干作用非常明显，可以有效降低地下水位。

3.4 表层沉降监测

沉降板观测的目的是了解土体沉降和总体平均固结度随加载时间的变化规律。图5为场地表层沉降时程图。

图5 场地表层沉降时程

前期A、B两试验区沉降基本一致，预压25天后A区的沉降速率明显大于B区，经过69天后，A区场地表面沉降达39.7 cm，B区为37.2 cm。由于电渗法的电渗降水、电解降水等因素，使后期基地的沉降速率明显增大，总沉降量增大约7%，说明电渗法对土体后期强度的增长很明显。

3.5 分层沉降监测

A区分层沉降沿深度的分布曲线见图6。

图6 A区分层沉降沿深度分布曲线

如图所示，在8 m深度范围内的分层沉降明显。由于下部土体沉降不明显，以及难以克服的测量误差的原因，造成下部曲线波动现象明显，分层沉降沿深度呈递减趋势。

3.6 水平位移监测

测斜孔所测得的土体水平位移分布见图7。

图7 水平位移沿深度变化曲线

在真空覆水预压的作用下，土体向内侧收缩，向场地中间方向产生明显的水平位移，随深度的增加，水平位移逐渐减小，试验场地周围产生明显裂缝。A区的水平位移平均比B区大34%，表明电渗作用同真空负压作用一样可使地基土向内收缩，且效果明显。

4 原位试验结果及分析

本次原位试验采用浅层平板静载荷试验，试验区域为A区。平板载荷试验承压板尺寸为1.00 m×1.00 m的方形钢板，压板下设砂找平层，用5000 kN油压千斤顶分十级加载。荷载与沉降关系p-s曲线和沉降与时间关系s-lgt曲线分别见图8和图9。

图8 静载荷试验s-t关系曲线

图9 静载荷试验p-s关系曲线

p-s曲线从总体上分析，加载至192 kPa时，曲线基本平滑；加载至216 kPa时，曲线斜率明显增加，此时试验点总沉降量61.62 mm，按规范GB 50007-2002 C.0.5 第4款试验终止。同时，从该试验点的s-lgt曲线上分析，加载量为24～192 kPa时，各级曲线基本平直，曲线间距基本呈增加态势，加载量为216 kPa时，曲线间距增加明显，曲线尾部下折。参考《建筑地基基础设计规范》的相关规定，极限承载力取为192 kPa，安全系数取2，地基承载力特征值为96 kPa，地基处理基本达到了预期的目的。