电渗联合注浆加固吹填土现场试验研究

吴松华，徐勇平

(中交水利水电建设有限公司， 浙江 宁波 315200)

沿海城市土地开发利用的有效途径之一，就是资源化利用大量海相淤泥进行吹填造陆，它不仅能很好地解决回淤及污染问题，而且经济快速。

目前关于海相吹填土的处理，一般常用排水固结法、桩体复合地基法、动力强夯法等[1]。在实际工程中，通常是先预设临时围堰区，然后吹填海相淤泥，通过真空预压或堆载预压等方法对吹填土进行排水加固，满足一定承载力要求后用作为建设用地，排水固结法具有施工工期短、强度提升速度快等优点，在淤泥质软基处理工程当中得到了大面积的推广应用。

在取得一定加固效果后也存在一些问题[2]，如地基承载力不高，固结速率慢，堆载材料和方式难以为继，工期长，对施工环境要求高等，且加固效果较好的土层一般限于地表以下1 m～2 m左右的硬壳层，硬壳层以下土体强度增加不是太多，后期还需要投入大量的人力物力进行二次处理，这也反映出真空预压法的局限性。

软基处理的方法一直在发展，既有对传统方法的改进和创新，也有学者提出新的方法和新的工艺，而电渗法[3]被视为众多方法当中很有前途的一种。化学电渗法[4]是在常规电渗法的基础上，在电极处注入化学溶液，在直流电场的作用下发生化学反应[5]，生成沉淀物加固土体，快速固结土体，提高承载力。针对该技术的研究目前主要在室内试验，王宁伟等开展室内试验研究了在阳极分别注入等量纯水和CaCl2盐溶液时软土电化学加固的不同规律[6]，以及氯化钙溶液浓度和注入量对电化学加固软土排水速率的影响[7]。王军等[8]采用自制室内玻璃模型桶，研究间歇式真空预压联合电渗对吹填软土的加固效果，表明间歇通电方式可保证电渗阶段的排水效率。沈扬等[9]通过自主研发的装置，探究了不同注浆浓度对电化学注浆效果的影响，寻求适宜的注浆浓度和方式。任连伟等[10]利用室内试验联合注入CaCl2和Na2SiO3溶液研究对软黏土加固效果。崔颖辉等[11]开展电动化学注浆加固室内试验，研究CaCl2溶液对土体的改性加固效果。张恒等[12]采用自制电渗试验装置，研究阳极处添加不同质量分数的氯化钙溶液对电渗加固效果的影响。刘艳晓等[13]通过自行设计的室内模型箱，研究注浆方式对软土加固效果的影响，表明采用CaCl2和Na2SiO3溶液间歇注浆比一次性注浆联合电渗对滩涂淤泥的加固效果要好。现阶段大规模的现场试验及应用研究尚不多见。现场试验方面，主要研究了真空预压联合导电排水板和联合金属电极等电渗法对软土的加固效果[14-17]。刘志涛等[18]采用新型电动土工合成材料(EKG)电极进行电渗排水法现场试验，研究对软土的处理效果。

为提高吹填软土的地基承载力，结合某海涂围垦吹填造地工程，开展现场试验研究，以研究电渗联合注浆法加固吹填土地基的可行性和加固效果。

1 试验步骤

试验区布置有1台真空泵，抽真空时间140 d，真空泵阀门可以调控真空度的大小，真空逐级加载至80 kPa。在无砂垫层真空预压法联合电渗的基础上进行化学注浆试验，以寻求更大程度上提高地基承载力。基本思路是金属电极一方面发挥导电的作用，另一方面作为注浆的管道，在电渗作用的基础上，利用化学浆液进一步加固土体。其平面布置图见图1。

图1 试验布置图

1.1 场地准备

在现场选择约100 m2进行真空预压联合电渗试验，吹填土厚度约为3 m～4 m。试验区已经铺设好编织布，进行了排水板打设，为下一步打设电极提供较好的工作平台。

1.2 金属电极制作

金属电极使用长度为3.5 m的镀锌钢管，在距钢管顶部10 cm处进行钻孔，用螺丝进行钢管与电线的连接，并用粘胶带和电胶布进行两次密封。作为注浆使用的金属电极长度为4.5 m，在钢管体的四周每隔10 cm打设2 mm的孔洞，同时用滤布包裹，保证孔洞不会被堵死，浆液可以顺利流出。

人工直接把金属电极打入泥面以下80 cm，在打设过程中注意电线的保护。把边长(10 m)长度范围内的金属电极进行连接形成串联，然后把阳、阴极分别并联，形成统一的阳极和阴极，接到电源的正、负极通电试验检查连接情况。

1.3 注浆管打设

在密封膜铺设完毕后，进行注浆金属电极的打设。电极顶端出膜距离20 cm，既有利于密封膜与金属电极的密封绑扎，也有利于灌浆。在注浆管打设完毕后，为防止漏气，在灌浆管的顶管进行密封，并在试验过程中随时观测注浆管与吹填土之间的沉降差值，防止密封膜与注浆管出现脱离导致漏气。

1.4 注 浆

在真空预压后期介入电渗后，需要进行注浆，浆液使用的是1 mol/L的氯化钙和1 mol/L的硅酸钠溶液。注浆使用人工方式，每天注浆一次，氯化钙和硅酸钠交替注浆，连续10 d。

2 试验结果与讨论

2.1 孔隙水压力

布置有1组孔压计，分别在1 m、2 m、3 m深度位置处埋设1个孔压计，避免串气。

图2为孔隙水压力随时间变化曲线，图3为孔隙水压力消散随时间变化曲线。由图可知，孔压变化符合一般规律，并且土体上部孔压变化高于下部土体孔压，这主要是因为真空度传递受阻。根据有效应力原理，孔压变化越大，有效应力增加越大，即土体加固效果越好。根据孔隙水压力曲线变化，也能得出土体随深度变化具有不一样的强度，也就是土体加固不均匀。根据电渗原理，可以实现加固均匀的效果，但在真空预压联合电渗法中，本身需要借助排水板，因排水板自身的不足，不可避免出现了土体加固效果不均匀这一现象。由于真空预压过程中地下水位变化、曼德尔效应以及测量孔容易串气等因素的影响，孔压数据的规律往往并不理想。

图2 试验区孔压变化曲线图

2.2 表层沉降

图4为表层日均沉降曲线图，图5为表层总沉降曲线图。由图可知土体在加固前期的沉降速率较大，到后期沉降速率减小到一定程度并趋于稳定。当抽真空进行到60 d左右，出水量明显减少，此时介入电渗，在表层日均沉降曲线上可以看到，60 d左右沉降速率明显减少，60 d后沉降速率又出现了一个小高峰，随后沉降速率减小并趋于稳定，可以得出电渗对土体加固有一定的作用。

图3 试验区孔压消散变化曲线图

图4 表层日均沉降曲线

图5 表层总沉降曲线

2.3 电流、电压

考虑到现场试验条件的有限性，我们希望通过采取较小电压，通过延长电渗时间取得较好的加固效果。

试验中，采取了间歇通电和电极反转等方式[18]，电压也是逐步增加。在电流(压)变化曲线过程中，在一定电压条件下，电流是比较稳定的，一方面说明电渗条件较好，另一方面说明土体含水率还是比较高的。后期电压维持在5 V左右，电流维持在35 A上下。在本次试验过程中，进行了氯化钙和硅酸钠溶液的灌注，因试验场区面积较大，在电流变化曲线有所体现，但不是很明显。

2.4 地基承载力

由室内土工试验数据计算地基承载力，其特征值按《建筑地基基础设计规范》[19](GB 50007—2011) 计算，分别进行试验区和对比区的土工试验，得到主要的试验成果，并进行地基承载力计算，其结果列于表1。可见地基承载力试验点高于对比试验点，电渗法联合化学注浆具有较好的加固效果。

表1 土工试验主要成果及承载力计算表

2.5 静力触探

加固之前对吹填土进行静力触探取样试验，几乎没有强度。图6为加固后土体试验点的比贯入阻力Ps随深度s的变化曲线。由图可知，对比试验点的比贯入阻力要小于试验点，并且试验点的比贯入阻力在2 m范围内比较均匀，2 m～3 m范围不断减小，这也说明灌浆的有效性。在3 m范围内，试验点的比贯入阻力平均值为0.25 MPa，对比试验点为0.17 MPa，试验点是对比点的1.47倍；特别地，试验点与对比试验点在1.5 m范围的比贯入阻力平均值分别为0.30 MPa、0.22 MPa，试验点是对比试验点的1.36倍。可以看出真空预压联合电渗注浆的有效性，当然也存在加固不均匀这一现象。当然静探试验也有其局限性，还要结合其它现场试验综合分析原因。但从现场静力触探试验结果来看，真空预压联合电渗法具有一定的效果。

图6 加固后土体静力触探曲线

2.6 十字板剪切试验结果分析

图7为试验点的抗剪强度Cu随深度s的变化曲线。在图7中，同样可以发现试验点的强度也是明显高于对比试验点，试验点的3 m范围内抗剪强度的平均值为22.9 kPa， 对比试验点的3 m范围内抗剪强度的平均值为14 kPa，相应的地基承载力分别为67.25 kPa、45 kPa，试验点是对比试验点的1.49倍；特别地，在1.5 m深度范围内相应的地基承载力分别为80.8 kPa、56.4 kPa，试验点是对比试验点的1.43倍，可见真空预压联合电渗注浆的有效性。从曲线中也可以发现，试验点上部土体加固效果要好于下部土体，虽然电渗注浆总体对土体加固能起到明显的效果，但对下部土体的加固效果还是有局限性。

图7 抗剪强度Cu随深度s变化曲线

2.7 土工试验

表2为根据试验场区取土进行室内土工试验结果，可以看出2 m深度范围内含水率有较大程度的降低，对比试验区、试验区相对加固前吹填土降低幅度分别为48.17%、50.96%；1.5m深度范围降低幅度分别为45.76%、54.11%。试验区的含水率降低值都高于对比试验区，其他各项指标都有不同程度的改善，这也进一步说明真空预压联合电渗效果明显。

表2 加固后各区域土体含水率对比

3 经济效益分析

真空预压联合电渗法处理单价是高于无砂垫层法的，目标地基承载力是无砂垫层法的1.6倍，而施工工期要短于无砂垫层法30 d以上。就处理单价而言，试验区是对比区的1.62倍。

在以上的地基承载力对比中可以发现，真空预压联合电渗法加固效果要好于无砂垫层法，单就载荷板试验得出的地基承载力而言，真空预压联合电渗法明显高于无砂垫层法，当然真空预压联合电渗法的处理单价要高于无砂垫层法。但在一定的目标承载力下，真空预压联合电渗法需要的时间要短于无砂垫层法，这个时间成本还是需要考虑的。

4 结 论

对真空预压联合电渗法的现场试验研究进行了介绍，通过与无砂垫层真空预压法的对比，分析对比了在相同真空压力作用下，两者在表层沉降、孔压和土体加固前后的物理力学性质等方面的不同，具体结论如下：

(1) 电渗联合注浆试验中，土体含水率降低到48.3%，低于同一真空压力件下对比试验区的51.1%，其他物理力学性质指标也得到明显改善。

(2) 在这一试验中，试验点的比贯入阻力平均值为0.25 MPa，对比试验点的为0.17 MPa，试验点是对比点的1.47倍。

(3) 试验点3 m范围内抗剪强度的平均值为22.9 kPa，对比试验点的3 m范围内抗剪强度的平均值为14 kPa，试验点是对比试验点的1.64倍，说明真空预压联合电渗注浆的有效性。

(4) 综合来看，真空预压联合电渗注浆试验的加固效果良好，平板载荷试验地基土承载力60 d的特征值可以达到61 kPa。