孫召花高明軍劉志浩周 偉

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098;2.江陰市華宏盈飛電滲科技有限公司,江蘇江陰 214423; 3.南通市民防(人防)工程管理中心,江蘇南通 226001)

導(dǎo)電塑料排水板加固吹填土現(xiàn)場試驗

孫召花1,高明軍1,劉志浩2,周 偉3

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098;2.江陰市華宏盈飛電滲科技有限公司,江蘇江陰 214423; 3.南通市民防(人防)工程管理中心,江蘇南通 226001)

在闡述電滲復(fù)合真空預(yù)壓法加固原理的基礎(chǔ)上,依托湖北省離島梁子湖國家水生態(tài)展示館吹填軟基處理工程,進(jìn)行電滲復(fù)合真空預(yù)壓現(xiàn)場試驗,對導(dǎo)電塑料排水板的性能和電滲排水加固效果進(jìn)行實地驗證?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明:經(jīng)過28 d的電滲復(fù)合真空預(yù)壓法加固,地基土土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和承載力得到明顯提高;使用導(dǎo)電塑料排水板進(jìn)行的電滲復(fù)合真空預(yù)壓處理吹填土不僅能夠縮短工期、節(jié)省能耗,還能夠獲得理想的加固效果。

導(dǎo)電塑料排水板;電滲法;真空預(yù)壓法;吹填淤泥;現(xiàn)場試驗

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展,土地資源日益緊張,圍海、圍湖造地工程及碼頭堆場工程等沿海、沿湖、沿江岸邊工程逐漸成為擴(kuò)大用地的重要途徑。這類工程軟土地基分布廣泛,主要由淤泥、淤泥質(zhì)土或其他高壓縮性土構(gòu)成,其孔隙比和天然含水率大、壓縮性高、透水性弱、承載能力很低。相比于天然沉積的軟土,經(jīng)過吹填的疏浚土結(jié)構(gòu)性往往被破壞[1]、含水率和壓縮性更高、強(qiáng)度更低、欠固結(jié)特性較強(qiáng)且處理難度更大。傳統(tǒng)的真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓等重力排水固結(jié)方法處理低滲透性軟土地基歷時長久,且對吹填土中的大量結(jié)合水無能為力[2],因此電滲法再次引起人們的重視。電滲法是通過在插入土體的電極上施加低壓直流電來加速排水固結(jié)的一種地基處理方法,具有加固速度快、對土體中的自由水及結(jié)合水同樣有效及電滲排水速率與土顆粒粒徑無關(guān)等特點(diǎn)[3],因此對處理細(xì)顆粒、低滲透性土有良好的應(yīng)用前景。

1809年,莫斯科大學(xué)的Reuss[4]發(fā)現(xiàn)了土體中的電滲、電泳現(xiàn)象。隨后,Helmholtz等[5]學(xué)者展開對電滲現(xiàn)象及其機(jī)理的研究,提出了不同的電滲模型。1939年,德國的Casagrande[6]首次將電滲法成功應(yīng)用于鐵路路塹的開挖與穩(wěn)定中。此后,美國[7]、加拿大[8]等國家對電滲法進(jìn)行了廣泛研究,并將其應(yīng)用于不同領(lǐng)域。我國在20世紀(jì)50年代末開始對電滲法進(jìn)行研究,曾國熙等[9]通過室內(nèi)模型試驗,對電化學(xué)加固后的軟黏土物理力學(xué)指標(biāo)改善情況進(jìn)行分析。近30 a,我國在電滲法現(xiàn)場工程應(yīng)用及現(xiàn)場試驗[10-12]方面的研究較少,多數(shù)集中在室內(nèi)試驗研究[13-14]。由于傳統(tǒng)電滲法使用的金屬電極容易腐蝕、耗電量大,且難以獲得理想的加固效果,因此電滲法并未像傳統(tǒng)的真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法一樣獲得廣泛推廣應(yīng)用。2012年,我國研制出一種導(dǎo)電塑料排水板,其由兩面均設(shè)有凹槽的基板、金屬絲和濾膜等組成,基板由導(dǎo)電塑料制成,金屬絲貫穿其中,濾膜包裹[15]。筆者利用導(dǎo)電塑料排水板代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬電極進(jìn)行電滲復(fù)合真空預(yù)壓法處理吹填土的現(xiàn)場試驗,并對導(dǎo)電塑料排水板的性能及其工程應(yīng)用特性進(jìn)行探索。

1 電滲復(fù)合真空預(yù)壓法加固原理

飽和吹填土在電滲作用下的單向固結(jié)模型是一個側(cè)壁和底部均不能透水,內(nèi)部有活塞和彈簧的沖水容器,如圖1所示。彈簧模擬土骨架,容器中的水模擬土孔隙水,活塞上豎直貫通的小孔模擬導(dǎo)電塑料排水板的排水條件。電源開啟后,陽極附近的水不斷向陰極匯聚,陰極處的水越聚越多,水流開始沿著陰極處豎直貫通的小孔向外排出。由于彈簧骨架并未受到外力的作用,即附加有效應(yīng)力σ′=0,即使水排出后,土體體積不會發(fā)生壓縮變形,從而形成具有大量孔洞的骨架結(jié)構(gòu)。因此,經(jīng)電滲處理后的土體,其剪切強(qiáng)度和承載力均較小,需與其他工法相結(jié)合。

真空預(yù)壓法的原理是在不改變土體總應(yīng)力的情況下,通過水平及豎直排水系統(tǒng)處形成的真空滲流場,引起土體中孔隙水應(yīng)力的降低,使得土體中的水排出,同時降低的孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為土骨架的有效應(yīng)力,從而使土體發(fā)生固結(jié)。由于真空度在新近吹填淤泥中的傳遞損失較大,深部淤泥中的真空度存在一個啟動時間[15],因此表層處理效果較好。

通過對電滲法和真空預(yù)壓法加固地基的基本原理進(jìn)行分析可以看出,當(dāng)使用導(dǎo)電塑料排水板作為排水通道、真空度傳遞載體及電極時,電滲法可以使土體孔隙水從陽極移向陰極,而真空預(yù)壓法卻可以使土體孔隙水以每一根導(dǎo)電塑料排水板為中心發(fā)生環(huán)向滲流,可見電滲法與真空預(yù)壓法引起的土中水滲流方向不一致。當(dāng)電滲法與真空預(yù)壓法同時對地基進(jìn)行加固處理時,若兩者引起的水滲流方向一致,會加速孔隙水的排出,若滲流方向不一致,會阻礙孔隙水的排出。

2 工程概況

試驗場地位于湖北省鄂州市梧桐湖新區(qū)離島,該島擬建梁子湖國家水生態(tài)展示館工程。場地由周邊湖區(qū)清淤吹填而成,總面積為27萬m2,吹填淤泥平均深度為4～ 6 m。吹填湖相淤泥質(zhì)土含有機(jī)質(zhì)較多,結(jié)構(gòu)性已遭到破壞,吹填施工完成后,靜置3個多月仍為流塑狀態(tài)。根據(jù)業(yè)主要求,地基處理的目標(biāo)為:對吹填土層進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理后的場地滿足施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)場要求,地基表面承載力不低于50 kPa。為使該地塊盡早投入使用,并為后續(xù)施工提供良好的作業(yè)平臺,選取長為26.0 m、寬為25.0 m的試驗場地進(jìn)行電滲復(fù)合真空預(yù)壓法試驗,試驗使用導(dǎo)電塑料排水板進(jìn)行軟基處理。試驗區(qū)吹填土的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1 飽和吹填土的電滲單向固結(jié)模型Fig.1 One-dimensional consolidation model of saturated dredger fill treated by electroosmosis method

表1 試驗區(qū)吹填土的主要物理力學(xué)指標(biāo)Table1 Main physico-mechanical properties of dredger fill in test area

3 電滲復(fù)合真空預(yù)壓現(xiàn)場試驗設(shè)計

3.1 試驗方案

自2013年9月開始進(jìn)行施工準(zhǔn)備、清理場地、插板、鋪膜等一系列工作。由于軟基太軟,無法進(jìn)行上砂作業(yè),因此采用無砂墊層真空預(yù)壓法,施工過程中應(yīng)避免地表浮泥堵塞排水系統(tǒng)[16]。2013年10月1日所有準(zhǔn)備工作就緒,開始抽真空。真空預(yù)壓貫穿試驗的整個過程,并且期間多次破膜測土體含水率,當(dāng)土體含水率降低約30%時開啟電滲電源。所用電源為80 V/2000 A的直流電源,電源的電壓、電流可控,電源可在穩(wěn)流、穩(wěn)壓2種模式下工作,且可隨時進(jìn)行電極轉(zhuǎn)換,電源具有過載保護(hù)等安全措施。導(dǎo)電塑料排水板共布置702根,如圖2所示,共13列正極、13列負(fù)極,每列有27根導(dǎo)電塑料排水板,所有導(dǎo)電塑料排水板陰、陽電極構(gòu)成并連電路,每對電極之間的電壓相等。

圖2 陰陽電極布置Fig.2 Layout of positive and negative electrodes

整個電滲復(fù)合真空預(yù)壓排水加固處理工作結(jié)束以后,現(xiàn)場進(jìn)行靜力觸探、十字板剪切及載荷板試驗,采用薄壁取土器取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗。通過對加固前后的地基土承載力及物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比,判斷導(dǎo)電塑料排水板作為電極、排水通道、真空度傳遞的可行性,及其對土體的改善效果。

3.2 監(jiān)測與檢測點(diǎn)位布置

為檢驗使用導(dǎo)電塑料排水板進(jìn)行電滲復(fù)合真空預(yù)壓法加固超軟吹填土的效果,對試驗區(qū)的沉降、真空度、孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測,并對試驗后的場地進(jìn)行原位檢測。考慮到工程地質(zhì)條件的要求,孔壓計共埋設(shè)3只,采取一孔一計的方法埋設(shè),埋設(shè)深度分別為1 m、3 m、5 m。沉降板布置3個,分別位于場地中心、吹填土層最厚和最淺的位置。真空表設(shè)置1個,用于監(jiān)測膜下真空度。原位檢測包括沿場地對角線進(jìn)行了3組靜力觸探試驗,并在其臨近位置對應(yīng)進(jìn)行了十字板剪切試驗,同時在試驗場地進(jìn)行了一組平板載荷試驗。

4 電滲復(fù)合真空預(yù)壓試驗結(jié)果分析

4.1 電流、電壓及排水速率變化

圖3 試驗階段電流、電壓變化曲線Fig.3 Variation curves of current and voltage during test

電極通電后電流、電壓變化曲線如圖3所示,為了使圖像更清晰,分別繪于2組圖中。為選取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)流穩(wěn)壓通電方式,首先開啟電源進(jìn)行400A穩(wěn)流通電,電壓在23h內(nèi)平穩(wěn)變化,間歇10h后,啟動電壓明顯降低,但電壓增長速度提高很多,在8 h時間內(nèi)由23 V增長到39 V,隨后趨于平緩,此階段通過收集射流泵處集水箱所排出的水,獲得平均排水速率為9.7 L/min。試驗初期,由于土體中的自由水含量較大,因此單獨(dú)真空預(yù)壓時的平均排水速率為8.9L/min。第31h進(jìn)行30V穩(wěn)壓通電,電流在360～280A之間平緩變化,此階段的平均排水速率為9.3 L/min。進(jìn)行反向400 A穩(wěn)流通電后,電壓在10 h的時間內(nèi)由27 V增大到61 V,平均排水速率為8.5 L/min。隨后,進(jìn)行反向60V穩(wěn)壓通電,經(jīng)過14h,電流由460A降至225A,平均排水速率為6.4 L/min。間歇一晚后,開始300 A穩(wěn)流通電,電壓1 h的時間內(nèi)上升了34 V,因此不得不再次進(jìn)行間歇通電,但情況并沒有改善。改為反向200 A穩(wěn)流通電后,電壓可維持5 h的有效時長。在電滲的最后階段,無論是正向還是反向穩(wěn)流通電,電壓迅速達(dá)到電源最大限定電壓;而嘗試進(jìn)行75 V穩(wěn)壓通電時,電流始終低于100 A,排水效果不明顯,電滲通電終止。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

4.2.1 真空度

試驗場地于2013年10月1日開始抽真空,開始抽真空后2 h內(nèi),排水管中的真空度即可達(dá)到80 kPa以上,后續(xù)真空度緩慢持續(xù)增長,穩(wěn)定在91 kPa左右。開始電滲后,放置射流泵的水箱中氣泡增多,然而并未引起真空度下降。排水管采用直徑50 mm的波紋濾管,由于環(huán)剛度不足,在抽真空一段時間后出現(xiàn)吸扁、吸裂等現(xiàn)象,但未完全閉合,仍有傳遞真空度和排水的功能。因此,在滿足排水流量的前提下,建議選用直徑稍小的波紋濾管以提高其環(huán)剛度。

4.2.2 孔隙水壓力

試驗場地共布置3只孔壓計,分別位于1 m、3 m和5 m深度,1 m處孔隙水壓力初始值為15.06 kPa,經(jīng)過28 d抽真空及電滲作用,下降到1.42 kPa,變化幅度為13.64 kPa。而3 m和5 m處的孔隙水壓力時程曲線比較平穩(wěn),其孔隙水壓力降低值分別為7.33 kPa、6.91 kPa,如圖4所示。隨著深度的增加,孔隙水壓力降低值逐漸減小,這是由于:(a)軟土地基在真空預(yù)壓的持續(xù)作用下,上部土體形成一個硬殼層;(b)細(xì)小土顆粒沿滲流方向及真空吸力方向移動使得導(dǎo)電塑料排水板與普通塑料排水板周圍形成“土柱”,這兩方面都將阻礙真空度的傳遞,不利于孔隙水壓力消散。

4.2.3 表面沉降

試驗場地表面沉降量隨著電滲真空預(yù)壓的進(jìn)行逐漸增大,在進(jìn)行到第25天后,沉降趨于穩(wěn)定,每天沉降量在5 mm左右,第28天的沉降量僅為3 mm。沉降板1～3的總沉降量分別為46.9 cm、57.4 cm、58 cm,如圖5所示。試驗在加固前后,分別對場地的相對高程進(jìn)行了水準(zhǔn)測量,以了解經(jīng)過加固后,場地高程的整體沉降量,同時也可校核沉降板觀測的準(zhǔn)確度。

圖4 孔隙水壓力時程曲線Fig.4 Time-history curve of pore water pressure

圖5 場地表面沉降量時程曲線Fig.5 Time-history curve of surface settlement in test area

4.3 檢測結(jié)果分析

4.3.1 靜力觸探試驗

靜力觸探試驗采用手搖式單橋靜力觸探儀,加固前,對吹填淤泥進(jìn)行靜力觸探試驗,加固前的淤泥幾乎沒有強(qiáng)度。試驗結(jié)束后,場地內(nèi)選擇2個試驗點(diǎn)進(jìn)行靜力觸探試驗,試驗得到的比貫入阻力ps隨深度s的變化曲線如圖6所示。

圖6 ps隨s變化曲線Fig.6 ps-scurve

由圖6可知,2個試驗點(diǎn)在3 m深度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。表層土體的ps較大,約為0.36 MPa,隨深度增加逐漸減小,到1 m深度處僅有0.04 MPa。隨后,ps開始增大,在1.5 m深度附近達(dá)到0.28 MPa,2～3 m深度范圍內(nèi)ps增長較小,3 m深以下ps增大最明顯,達(dá)到1.13 MPa。由此可知,土體沿深度方向加固并不均勻,上部土體由于真空預(yù)壓作用明顯,加固效果較好,3 m以下吹填淤泥由于導(dǎo)電塑料排水板的電滲作用及向上排水作用,強(qiáng)度也得到明顯提高,而2～3 m深度范圍內(nèi)的土體可能由于排水通道不暢,水大量淤積在此無法排出,從而造成這一深度范圍內(nèi)的土體ps較小。

4.3.2 十字板剪切試驗

現(xiàn)場采用電阻應(yīng)變式十字板儀進(jìn)行十字板剪切試驗。十字板規(guī)格為50 mm×100 mm,利用靜力觸探儀的貫入裝置將十字板頭壓入到不同的試驗深度,借助齒輪扭力裝置旋轉(zhuǎn)十字板頭,用電子儀器量測土的抵抗力矩,從而計算出土的抗剪強(qiáng)度。加固后在試驗場地內(nèi)隨機(jī)選取有代表性的3個試驗點(diǎn),根據(jù)測試結(jié)果得出不同點(diǎn)位原狀土的十字板抗剪強(qiáng)度及擾動土十字板剪切強(qiáng)度隨s變化曲線,此處僅列出其中1個十字板剪切試驗結(jié)果,如圖7所示。

由圖7可知,原狀土與擾動土的抗剪強(qiáng)度在2 m深度范圍內(nèi)隨著深度的增加而增大,2 m以下隨深度增加逐漸減小。根據(jù)3個檢測點(diǎn)不同深度獲得的原狀土及擾動土不排水抗剪強(qiáng)度,可以得出吹填土結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)——靈敏度St的變化范圍基本在1～4之間,屬于低靈敏或中等靈敏黏土。換算得各點(diǎn)的地基承載力隨深度的增加而增大,淺層地基承載力較小,這與靜力觸探結(jié)果匹配較好。

圖7 抗剪強(qiáng)度隨深度變化曲線Fig.7 Variation of shear stress with depth

4.3.3 平板載荷試驗成果

試驗結(jié)束后,在現(xiàn)場進(jìn)行了載荷板試驗。載荷板為正方形平板,面積為0.56 m2。根據(jù)載荷板試驗結(jié)果,繪制荷載值P～沉降量S關(guān)系曲線。從圖8可以看出,加載至55kPa時,曲線基本平滑,相應(yīng)的沉降量為14.77 mm,加載至65 kPa時,曲線斜率明顯增加出現(xiàn)拐點(diǎn),此時試驗點(diǎn)總沉降量為23.53 mm,得到地基承載力特征值為55 kPa,提高幅度非常明顯,可以滿足施工機(jī)械進(jìn)場的要求。

圖8 載荷板P-S曲線Fig.8P-Scurve of loading plate

4.4 土工試驗結(jié)果分析

為進(jìn)一步檢驗場地處理加固效果,在場地中選取2個點(diǎn)取土進(jìn)行室內(nèi)試驗,取樣深度均為4m。將土體主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)列于表2,其值分別為2個點(diǎn)處測得結(jié)果的平均值。由表2可知,加固深度范圍內(nèi)的吹填土含水率降幅較大,各項物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)也得到明顯改善。處理后的土體液限、塑限較處理前的液限、塑限均有不同程度的降低,說明電滲可改變土體礦物含量和化學(xué)成分的分布,因而改變了土體的界限含水率。

表2 加固后土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table2 Physico-mechanical properties of soil after consolidation

5 結(jié) 語

a.抽真空和電滲時間總共歷時28 d,即可完成業(yè)主對場地需滿足施工機(jī)械進(jìn)場的要求。使用該導(dǎo)電塑料排水板進(jìn)行電滲復(fù)合真空聯(lián)合加固吹填土地基,不僅能夠縮短工期、節(jié)省能耗、綠色環(huán)保,還能夠獲得理想的加固效果。

b.真空預(yù)壓期間,深層土體中真空度的傳遞是通過場地內(nèi)的排水板實現(xiàn),而導(dǎo)電塑料排水板作為電極,其陰、陽極都具有排水板的功能,電滲時產(chǎn)生由陽極向陰極的單向水流,而當(dāng)真空度沿排水板傳遞良好時,將會干擾電滲水流方向,降低能量利用率。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)深層淤泥中的真空度存在一個啟動時間,而真空處理時間較短,因此,在試驗中真空預(yù)壓與電滲之間的相互干擾較少,充分結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。

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Field test on consolidation of dredger fill using electric vertical drains

SUN Zhaohua1,GAO Mingjun1,LIU Zhihao2,ZHOU Wei3
(1.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Jiangyin Huahong Yingfei Electroosmosis Technology Co.Ltd.,Jiangyin 214423,China; 3.Management Center of Nantong Civil Defense(Air Defense)Engineering,Nantong 226001,China)

Based on the consolidation mechanism of the combined electroosmosis-vacuum preloading method,a field test was conducted on the hydraulically filled soft foundation treatment project in the Liangzi Lake Aquatic Ecological Exhibition Hall on Li Island,in Hubei Province.The performance of electric vertical drains(EVD)and the consolidation effect of electroosmosis were evaluated.The field test results show that the physico-mechanical properties and bearing capacity of the foundation soil are improved significantly after a 28-day treatment.The electroosmosis-vacuum preloading method using EVD can not only reduce the construction time and energy consumption,but also achieve the ideal consolidation effect.

electric plastic vertical drains;electroosmosis method;vacuum preloading method;dredger fill;field test

TU413;TU447

:A

:1000-1980(2015)03-0255-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2015.03.011

2014-05 27

孫召花(1987—),女,山東鄒城人,博士研究生,主要從事軟土地基處理研究。E-mail:huahuadeshuijingyu@126.com