真空预压联合间歇式加热排水固结法加固软黏土模型试验研究

2020-02-22郑良科郑荣跃邓岳保王天园毛伟赟

水道港口 2020年6期

郑良科，郑荣跃，邓岳保，王天园，毛伟赟

(宁波大学土木与环境工程学院，宁波 315211)

对于沿海地区吹填软土地基的加固，真空预压法是目前常用的处理方法之一。但是在工程实践中发现，在使用单一的真空预压法处理软土地基时，加固时间长、工后沉降大，无法达到工程快速高效的要求。为此，有不少学者提出采用相互补充或联合作用的方法，以达到更好的地基处理效果。吴松华等[1-3]在不同电渗形式下的加固吹填淤泥现场试验发现无砂垫层真空预压联合电渗法加固地基效果比无砂垫层单一的真空预压好、且工期更短。李存谊等[4]开展了真空预压法与电渗法相结合的现场试验同时也进行了数值分析，实验结果表明真空预压法联合电渗法的实验组超静孔压早期增长速度快于常规组，并得出结论真空预压联合电渗法促进了土中水的排出。金小荣等[5-6]利用改进后的固结仪，对地基软土进行了单一的真空预压实验、单一的堆载预压实验和真空预压法与堆载预压法相结合的实验，并将实验结果进行对比，研究结果表明真空预压法与堆载预压法相结合能有效减小工后沉降。王柳江等[7-8]开展了真空预压法与电渗法相结合的模型实验，结果表明该方法能有效加固深层土体。蔡学石等[9-10]通过现场对比试验发现，真空预压能有效处理超低渗透软黏土。

有研究表明，加热可以改善土体的固结性状，提高土体的渗透性，也有学者提出了加热与排水固结相结合的方法。Abuel-Nag等[11]首先开展了模型试验，他们将排水固结法与加热相结合，发现加热能加快竖井地基固结。陶海冰等[12-14]通过有限元模拟进一步证实了排水固结法与加热联合处理后的地基沉降量会更大，土体更加密实。刘干斌等[15-16]利用一套竖井排水固结联合加热的实验装置，开展了排水固结试验和排水固结联合加热的试验，试验结果对比发现加热的排水固结法能够加快地基固结速度，增大土体沉降，同时也会提高土的抗剪强度，提升软基处理效果。谢柯等[17]分析了不同加载状态对加热状态下地基排水固结的影响。邓岳保等[18]率先在国内对真空预压联合加热排水固结技术进行了探讨，并开展了机理研究。随后，王天园等[19]进一步开展了更为细致的模型试验研究，发现并非温度越高地基处理效果越好。

以上研究表明，相比于常规的排水固结法，加热的排水固结法有更好的固结效果；但加热法加固土体会消耗大量电能，成本相对较高，这就制约了其在实际工程中的推广应用。相关研究表明，温度梯度对土体热迁移有促进作用，间歇式通电加热通过升温再降温的循环，增大了土体的温度梯度，相比于持续加热在耗电能相同的情况下对土体有更好的加固效果。一些学者通过真空预压联合间歇式的其他方法做了一些研究。例如，王军等[20]提出了间歇式真空预压联合电渗加固方法，该法比单一真空预压处理高效，而且处理后的土体黏粒含量明显下降，流变性降低，稳定性增强。基于此，考虑到成本和能耗，本文提出真空预压联合间歇式加热排水固结法。

为了检验该法的可行性和加固效果，设计了真空预压联合间歇式热排水技术的室内模型试验装置；开展不同温度下的真空预压联合间歇式加热试验和持续加热试验；通过对比各个组别的沉降量以及孔压变化趋势，分析不同加热方式对真空预压排水固结法处理软土地基效果的影响。

表1 室内试验土性参数

1 试验概况

1.1 试验土样参数

土样取自宁波城区某基坑工程，为本地区典型的软黏土。通过室内土工试验，得到该土样的各项物理力学指标，结果如表1所示。

1.2 试验装置安装

本实验的试验装置由加热系统和真空预压系统两个系统组成。加热系统为自制的不锈钢模型桶，外围增设一圈不锈钢空腔，空腔内充满水以进行水浴加热。模型桶内圈尺寸为40 cm× 30 cm× 0.1 cm(高度×内径×壁厚)，外圈尺寸为40 cm×40 cm ×0.1 cm(高度×内径×壁厚)。真空预压系统中竖向排水通道采用宽100 mm、厚4 mm的塑料排水板；额定功率为1.5 kW的真空泵用于提供真空负压；真空泵和塑料排水板通过真空滤管连接。采用三相电源供应电路，输出电压为380 V。试验模型装置如图1所示。

图1 试验模型装置图

首先在模型桶中铺设两层真空膜，然后将土样分层装填到模型桶中，土样装填高度为35 cm。要指出的是：为了达到各组试验模型地基的一致性目标，各组试验在填筑土样之前，通过掺水控制试验土体的含水率为42%(液限)，并充分扰动。土样装填完毕后，施加1 kPa预压荷载，并静置24 h。然后，将塑料排水板沿着预先设定的位置插入土体，再将两个孔压计依次插设到土体中，埋设深度分别为30 cm和25 cm。将滤管以及传感电线用真空膜有序地进行包裹绑扎，并在封口处打设玻璃胶密封，此步的目的是保持土体内持续负压。将真空滤管连接到真空泵上，完成真空预压系统的安装布置。再进行加热系统的安装，首先将水灌满空腔，然后放入加热棒和温度传感器，传感器位置如图2所示。模型试验装置安装完毕后，通过水浴对模型地基加热24 h，使土体均匀受热直至稳定；再开启真空泵，检查装置是否有漏气现象(喷密封胶对漏气位置进行密封)；当真空泵压力趋于大气压力且能保持稳定，开展下一步加压试验。本实验将真空软管连接地基中的排水板形成排水通道，通过施加真空负压来促进土中的水排出。加热装置是由双环模型桶利用水域加热实现对地基土体的加热。

表2 加载方案

1.3 试验方案

为了探究在不同加热条件下真空预压加固软土的效果，设置了表2所示试验方案。

试验时真空度维持在96 kPa。U0为对照组试验，采用普通真空预压方式；U1和U3为真空预压联合持续加热排水试验组，其温度分别为40℃、60℃。U1和U3为真空预压联合间歇性加热排水试验组，其温度分别为40℃、60℃。记录真空负压、土中孔隙水压力、土体温度和土体沉降量的变化。试验结束后，取土样测定其密度、含水率及压缩系数。

2 试验结果与分析

2.1 土体温度变化

图3 温度随时间变化曲线

试验采用水浴加热，通过加热棒通电对外围空腔中的水加热，再通过热水间接加热土体。试验土体的温度变化的曲线如图3所示。

土体温度变化趋势同于外围水浴温度变化，但是土体温度略低于水浴温度，这是因为热量在传递过程中会有所损耗。间歇式加热的土体温度呈现有规律的波动。U2组在停止加热的2～3 h内温度下降到30℃左右，之后10 h以内都稳定在这一区间，并不会回到常温。这是因为水的比热容较大,温度消散需要一定的时间。再次加热后温度在1～2 h内回到设定值，土体温度峰值和持续加热的稳定温度持平，因此U2组的土体温度在U1组的稳定温度来回波动。U4组在停止加热的3～4 h内温度下降到30℃左右，之后的8 h内稳定在这一区间，温度消散比U2组慢，重新加热后，升温时间比U2组长。

图4 沉降随时间变化曲线

2.2 沉降变化

沉降是评价试验效果最直观的指标，图4所表示的是各组的沉降量随时间的变化曲线。图中，U0组总沉降量最小，最先趋于平缓，固结稳定。U1组和U2组对比，两组前期的沉降曲线几乎重合，U2组断电后沉降量开始有略微变化。但在试验中发现，U2组从不加热到再加热沉降又会出现增长较快的趋势。从U1组和U2组的沉降曲线中可以看到，两组沉降稳定的时间相近，这说明间歇式加热联合真空预压并不会使土体沉降速度变慢，而且可以看到最终沉降仅差1.4 mm；采用40℃间歇式加热的真空预压沉降量比常规真空预压沉降量多25%，比持续加热的真空预压沉降量少5.2%。

U3组和U4组对比发现，沉降开始出现差异同样出现在断电之后，稳定后沉降相差2.2 mm。60℃间歇式加热真空预压沉降比常规真空预压沉降增加40.6%，比持续加热真空预压沉降少8.4%。间歇式加热真空预压组的沉降速度与持续加热真空预压组的沉降速度相近且都远快于常规真空预压组。相同加载条件不同温度相比(U1和U3、U2和U4)，持续加热的两组60℃比40℃只增加了1.8 mm，间歇式加热的两组60℃比40℃只增加了0.3 mm，说明沉降并非随着温度的升高而线性增大。

通过对比所有试验组的沉降量，U3组试验的沉降量最大，其次是U1组，U2组与U4组的沉降量与U1组接近。综合考虑能耗和固结效果，间歇式加热的能耗只有持续加热的一半，40℃间歇式加热真空预压为最优选择。

2.3 孔隙水压力变化

不同深度土中孔隙水压力随时间变化的曲线图如图5、图6所示。实验前期，孔隙水压力呈持续消散态势并逐步趋于稳定。由于U2组和U4组存在再加热的过程，孔隙水压力产生不同程度的回升。因此，图中U2组和U4组的曲线存在上下波动的过程。试验期间，当停止加热后孔压绝对值减小，减小到-20 kPa左右稳定，当开始加热后孔压绝对值增大，增大到与该温度下持续加热的稳定值。由于土体长时间受到真空负压，土体颗粒受到挤压，土体变得密实，这时土体与排水板之间的接触也就更加密实，排水板会出现淤堵。但是实验结果表明U1～U4组孔压消散的数值较单一的真空预压试验组更大。由此推出真空预压联合间歇式加热有利于打开排水通道，缓解排水板的淤堵，更有利于孔压消散。我们发现相同加热方式下，60℃组的孔压消散效率较40℃组低，出现这种现象是因为60℃时排水板软化，工作效率下降。

图5 0.25 m埋深孔隙水压力曲线

7-a 上层7-b 中层7-c 深层

2.4 试验后土样参数变化

对实验后的土体进行含水量测定。土体取样位置分别距土体表面0 m上层、0.15 m中层和0.3 m深层处。以中层土体为例，同比实验前的土样，常规真空预压含水量降低约30%，间歇式加热40℃真空预压含水量降低51.7%，持续加热40℃真空预压含水量降低54.67%，间歇式加热60℃真空预压含水量降低66.18%，持续加热60℃真空预压含水量降低69.37%。图6为不同深度和不同距排水板距离的含水量变化曲线。分析后发现，各实验组在距排水板相同距离情况下，土体含水量均随深度增大而增大，这表明处理效果均随深度增大而递减。这是因为沿排水板自上而下传递的过程中，真空度会向四周扩散衰减。图7中所有组别的含水量随着离排水板距离的增大而增大。原因在于排水效果受排水路径的影响，距离越短效果越好。U0组的含水量在表、中、深层都远远大于其他组别，说明真空预压联合热排水促进土体排水，更有利于土体沉降固结。图7中还可以看出持续加热和间歇式加热后土体的含水量相差不大。说明在相同温度作用下，考虑能耗和经济性，真空预压联合间歇式加热更优。

3 真空预压联合间歇式加热机理分析

3.1 能耗角度

真空预压会使水的沸点降低，95 kPa的负压下，水在65℃就会沸腾，间歇式加热联合真空预压是通过反复的升温降温来促进土中水的排出。当土体温度升高的时候，土颗粒之间的排水通道打开，促使土体中的水排出；当不再加热的时候，土体降温，产生的温度梯度同样促进了土中水的排出。从最终的沉降量来看，相同温度下间歇式加热的组别和持续加热的组别相差较小，从能耗上分析，间歇式加热组的能耗仅仅只有持续加热组的一半，这表明间歇式加热下的真空预压法在减少近一半能耗的情况下还能达到与持续加热相近的效果；从含水量的角度看，加热的组别明显比常规真空预压的含水量变化大，间歇式加热的真空预压组别和持续加热的真空预压组别接近，也可以看出间歇式加热的真空预压效果和持续加热的真空预压效果相差不大。在相同的能耗下，间歇式加热联合真空预压组的效果会更好。

3.2 温度梯度角度

Philip[18]提出了以温度梯度和湿份梯度为推动势的模型，大大推进了土中热量传递的研究进展。真空预压联合间歇式加热的试验组别存在反复的加热和停止加热，比起持续加热的组别，间歇式加热在地基中引起的温度梯度大。温度梯度对土的排水固结起到促进作用，这是间歇式加热组的优点。

3.3 工期角度

根据真空预压地基处理规范，计算正常固结土的沉降时，按下式计算固结沉降Sc

(1)

式中：p1为初始荷载；△p为附加应力增量；Cc为压缩指数。

表3 工期对比表

土层厚度为0.3 m，根据前文土性参数可得最终沉降为30.69 mm。再测定的沉降曲线中通过双曲线法确定最终沉降和固结度变化，将每组试验34 d工期的固结度汇总如表3所示。

由表3可知：相同工期内，U3组达到的固结度最大，其次是U1组；U0组不加热的固结度最小。温度对软土地基的影响，除了影响孔隙水压消散效率外，还影响软土的变形性状。对于正常的软土以及欠固结土，加热会增大土的压缩性。这就解释了相同加热方式下，60℃组的孔压消散效率低于40℃组，但最终沉降却又是60℃组的大。U2和U1对比，固结度相差4.49%，U4和U3对比，固结度相差7.66%，说明相同工期内真空预压联合间歇式加热和真空预压联合持续性加热的方式对固结度相差不大。换而言之，如果要达到相同的固结度，U0最慢，真空预压联合间歇式加热的和持续加热的工期接近，这就说明真空预压联合间歇式加热并不会影响工期。