基于太阳能的人工海岛软基处理方法及试验研究

何旭聪,邓岳保,邹 维,唐祎欢

(宁波大学建筑工程与环境学院,浙江 宁波 315211)

1 概 述

随着世界经济的发展和陆地资源的日益枯竭,海岛开发成为许多国家的重要战略。海岛是连结陆域和海洋国土的基地,兼备丰富的资源,于是越来越多的国家开展人工海岛建设。例如：日本著名人工岛——关西国际机场于1994年建成；国内海南省海花岛正在如火如荼建设中。人工海岛建设的第一个任务是吹沙填海,形成海岛版图。在吹沙填海(吹填)过程中,泥沙结构遭到破坏,以细小颗粒的形式缓慢沉积。由吹填土构成的吹填地基,强度很差,一般不能直接用于工程建设,需要进行地基处理。如果地基处理不当,就会引发后续工程建设的问题。

当前,地基处理方法一般有置换法、化学法、打桩法和排水固结法等。对于海岛吹填软土地基来说,排水固结法是一种既经济又环保的方法。该法通过打设竖向排水井,改变孔隙水的排水路径,结合堆载或者真空预压,加速土体固结,达到缩短预压期的目的[1]。排水固结法施工技术成熟,成本低,应用广泛,但处理效果有时不理想。将排水固结法和加热结合起来的热排水固结法是近年来国际上出现的新型软基处理方法。该法由Abuel-Naga等根据土性研究成果提出[2]。与传统排水固结法相比,热排水固结法在竖井中插入导热管,实现管-土之间的热传递,提高竖井周边土体的渗透系数,进而加速地基排水固结。该法是解决低渗透性软土地基排水固结周期长这一难题的潜在途径之一[3-4]。

热排水固结法由于涉及到热流固耦合,其作用机理复杂。刘干斌等[5]选取宁波地区典型软黏土,在室温和70 ℃下分别开展排水固结和热排水固结模型试验,分析了加热对孔隙水压力及地表沉降的影响。陈迪[6]利用尺寸为2 m× 2 m×1.2 m(长×宽×高)的模型箱针对淤泥质粉质黏土开展了大尺寸竖井地基热排水固结模型试验。邓岳保等[7]采用自主研发的外围加热式模型试验装置,选取宁波典型软黏土,开展不同工况下的热排水固结试验。上述研究表明：加热可以加速软基排水过程。但是,以往的热排水固结法都是借助电能加热促使软土排水,会消耗大量电能,且造价昂贵。而对于海岛来说,其交通闭塞,电能匮乏,连基本用电都不能保证,更不用说提供软土地基排水固结。对此,本文想到利用太阳能这一天然而且丰富的自然资源来取代电进行加热,进而提出了太阳能加热结合排水固结的新技术。

2 技术介绍

2.1 技术原理

加热土体将引起土性变化,随着温度升高,孔隙水黏度降低,土体渗透性提高，并逐渐硬化继而提高了软土地基的承载力。为了生动形象地介绍这一原理,以黏土砖为例进行介绍。黏土砖由黏土烧制而成,这利用了对土进行加热的处理方式。土在加热过程中,土中的水逐渐排出,孔隙维持原状,由此渗透性增强。原本松散的土经过加热烧制后,变为整体性好、强度大的砖。

对海岛软土地基进行加热,可选择电能或者太阳能。在人工海岛开发中,由于海岛远离陆地,建发电站既繁琐又耗资,而海岛上太阳能丰富,是一种取之不尽、用之不竭的干净能源,且绿色环保。利用海岛上丰富清洁的太阳能转化为热能,再利用热水导管传递至地基对软土进行加热,实现水土之间的热传递。通过热能传输,土体温度逐渐升高,从而增大土的渗透性,加速土体的排水、固结,缩短工期,并减少工后沉降和不均匀沉降。

2.2 技术内容

结合太阳能的热排水固结见图1。该系统可以分为两个部分,即太阳能产热系统和排水系统。

图1 太阳能加热排水示意图

2.2.1 太阳能产热系统

依据平板式太阳能热水器的原理,利用太阳能板吸收太阳光中的能量,将太阳能转化为热能,从而对土体进行加热。其转化原理是：太阳能穿过太阳能板上的盖板,透过可见光而不透过远红外线,使得进去的能量大于散失的能量,从而提高吸热板的温升,同时利用集热器将能量转化为热能。集热器将分散的太阳光辐射聚集到一点或者一条线,将聚集点的热传递至管内水。管内水吸热后温度升高,比重减小而上升,形成一个向上的动力,构成热虹吸系统。随着热水的不断上移并储存在储水箱上部,同时温度较低的水沿管的另一侧不断补充,如此循环往复,将太阳辐射汇聚在集热板的热量及时传送到水箱内,水箱内通过热交换(夹套或盘管)将热量传送给冷水。

2.2.2 排水系统

利用泵循环实现将热水的热量传递给土体,即将U型导管插入地基土体内,待集热管中的热水被加热至设定温度时,热水通入U型导管将热量传递给土体,从而进行加热。待热量传递完毕后,利用水泵将已冷却的水重新回至水箱,进而循环对土体加热。在此基础上,在软土地基内布设竖井群,利用抽真空原理,降低井内气压,营造类似真空的环境,使土体中的水进入竖井,从而排出地基。

3 技术验证

3.1 土性试验

3.1.1 试验装置

实验设计了一套可联合加热的固结压缩试验装置,该装置可实现在对土体的水浴加热,且加热温度可控。

3.1.2 试验土样

试验用土为淤泥质软土,取自宁波某基坑工程,其基本物理力学性质见表1。

表1 试验用海相软土的基本物理性质指标

3.1.3 试验方案

开展两组做对照试验,一组在常温条件下(温度为20 ℃)进行固结试验,一组在温度为60 ℃的条件下进行固结试验,对两组分别加上相同的荷载,荷载加载顺序为12.5、25、50、100、200、400 kPa。

3.1.4 试验结果及分析

在试验完成后,将数据进行整理,并导入origin中,得到图2。由图2可以发现：在温度恒定为60℃时,淤泥质软土的沉降量为0.604 mm；在常温情况下,淤泥质软土的沉降量为0.411 mm,相比于加温条件沉降量减小46.96%。在60 ℃条件下,曲线的斜率与常温下曲线的斜率相比更大。说明加温可以有效加快土样的固结速度。原因如下：在温度较高的情况下,土中水的黏度较低,土的渗透系数大,土中水更容易被排出,水的排出也就伴随着土的固结的完成。

图2 土体压缩量对比

3.2 模型实验

通过对比地基在不同温度的固结试验,得到温度对固结压缩量、固结快慢的影响。

实验装置组成：太阳能装置,模型桶(带盖板),百分表,加热棒,热能传输导线,温度传感器,温控装置,砝码。其中,太阳能装置包括太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池和逆变器等。太阳能控制器将太阳能转化成蓄电池中的电能,通过逆变器的转化,将直流电转化为交流电,能量传输导线将转化后的电能传递给加热棒,从而实现太阳能对土体的加热。

实验装置具体连接方式为：太阳能装置→热能传输导线→温控装置→加热棒。土体内埋置温控装置的温控探头,实现对土体的温度监测,温度过高温控装置关闭,加热棒停止加热；温度过低温控装置开启,加热棒开始加热。

3.2.1 实验装置及土体

该实验采用的容器横截面长、宽为1 000 mm×500 mm,高度为1.2 m。试验土样同前文。土样经过填充,自然静置,人工预压3 d之后进行实验。

3.2.2 实验方案及步骤

取两组做对照试验,一组在常温的条件下加荷载进行固结试验,一组在加温并且加荷载的条件下进行固结试验。具体方案见表2。

表2 模型试验方案

试验步骤如下：1)试验装置安置完毕,将土样安置于试验容器中,施加1 kPa的荷载进行预压。2)预压1 d后,自重沉降基本稳定；取土样测定密度、含水量、孔隙比等指标。3)撤去预压荷载,将太阳能加热棒与排水带插入到土样当中,其位置见图3(图中黑色实心圆代表加热棒的埋设位置,黑色圆圈代表孔压计埋设位置,孔压计编号分别为A1、A2、A3、A4)。4)铺设砂垫层(50 mm)和盖板,安放百分表；5)按试验要求施加荷载和温度,记录温度、孔压和沉降数据,见图4。

图3 孔压计及加热棒的位置

图4 设置试验温度

图5 沉降量对比图

3.2.3 试验结果与分析

两组试验的沉降对比曲线见图5。由图5可知,在常温加载情况下,沉降迅速增大。在第5 d时沉降发展缓慢,最终沉降量约7 mm。在加热加载情况下,沉降发展速率更快。第5 d时,沉降稳定,最终沉降达10 mm。在加热条件下,曲线斜率较常温下曲线斜率更大。说明加温可有效加快土样固结速度。同时,加热还导致了额外的附加沉降,这对于减小工后沉降有积极意义。

两组试验的超静孔压对比见图6。由图6可知,在加载和加温后,超静孔压迅速增大；6～10 h后,超静孔压消散；前期消散较快,第3 d时,超静孔压消散速率变慢。在加热条件下,超静孔压最高值比常温下要高,加热产生了额外超静孔压。另外,加热情况下孔压消散曲线的斜率较常温下曲线的斜率更陡,表明加热后土体超静孔压消散更快。

图6 孔隙水压力对比

4 施工流程

施工流程见图7,供实际中参考。

图7 施工流程图

5 结 语

由于海岛自身条件的限制,资源匮乏,但太阳能资源丰富。 “太阳能排水固结法”是对传统排水固结法进行改进的尝试。该法对土体加热,使土的渗透性提高,固结性状增强,从而可以增大软土地基的承载力,减小工后沉降和不均匀沉降。本文开展了简单的模型试验,初步验证了该法可以加快软土地基固结速度。但是, 由于“太阳能排水固结法”作用机理非常复杂,是渗流力学、土力学、传热学相互渗透、相互交叉、相互作用的新研究方向,有必要开展进一步深入研究。