鄭良科，鄭榮躍，鄧岳保，王天園，毛偉赟

(寧波大學 土木與環(huán)境工程學院，寧波 315211)

對于沿海地區(qū)吹填軟土地基的加固，真空預壓法是目前常用的處理方法之一。但是在工程實踐中發(fā)現，在使用單一的真空預壓法處理軟土地基時，加固時間長、工后沉降大，無法達到工程快速高效的要求。為此，有不少學者提出采用相互補充或聯合作用的方法，以達到更好的地基處理效果。吳松華等[1-3]在不同電滲形式下的加固吹填淤泥現場試驗發(fā)現無砂墊層真空預壓聯合電滲法加固地基效果比無砂墊層單一的真空預壓好、且工期更短 。李存誼等[4]開展了真空預壓法與電滲法相結合的現場試驗同時也進行了數值分析，實驗結果表明真空預壓法聯合電滲法的實驗組超靜孔壓早期增長速度快于常規(guī)組，并得出結論真空預壓聯合電滲法促進了土中水的排出。金小榮等[5-6]利用改進后的固結儀，對地基軟土進行了單一的真空預壓實驗、單一的堆載預壓實驗和真空預壓法與堆載預壓法相結合的實驗，并將實驗結果進行對比，研究結果表明真空預壓法與堆載預壓法相結合能有效減小工后沉降。王柳江等[7-8]開展了真空預壓法與電滲法相結合的模型實驗，結果表明該方法能有效加固深層土體。蔡學石等[9-10]通過現場對比試驗發(fā)現，真空預壓能有效處理超低滲透軟黏土。

有研究表明，加熱可以改善土體的固結性狀，提高土體的滲透性，也有學者提出了加熱與排水固結相結合的方法。Abuel-Nag等[11]首先開展了模型試驗，他們將排水固結法與加熱相結合，發(fā)現加熱能加快豎井地基固結。陶海冰等[12-14]通過有限元模擬進一步證實了排水固結法與加熱聯合處理后的地基沉降量會更大，土體更加密實。劉干斌等[15-16]利用一套豎井排水固結聯合加熱的實驗裝置，開展了排水固結試驗和排水固結聯合加熱的試驗，試驗結果對比發(fā)現加熱的排水固結法能夠加快地基固結速度，增大土體沉降，同時也會提高土的抗剪強度，提升軟基處理效果。謝柯等[17]分析了不同加載狀態(tài)對加熱狀態(tài)下地基排水固結的影響。鄧岳保等[18]率先在國內對真空預壓聯合加熱排水固結技術進行了探討，并開展了機理研究。隨后，王天園等[19]進一步開展了更為細致的模型試驗研究，發(fā)現并非溫度越高地基處理效果越好。

以上研究表明，相比于常規(guī)的排水固結法，加熱的排水固結法有更好的固結效果；但加熱法加固土體會消耗大量電能，成本相對較高，這就制約了其在實際工程中的推廣應用。相關研究表明，溫度梯度對土體熱遷移有促進作用，間歇式通電加熱通過升溫再降溫的循環(huán)，增大了土體的溫度梯度，相比于持續(xù)加熱在耗電能相同的情況下對土體有更好的加固效果。一些學者通過真空預壓聯合間歇式的其他方法做了一些研究。例如，王軍等[20]提出了間歇式真空預壓聯合電滲加固方法，該法比單一真空預壓處理高效，而且處理后的土體黏粒含量明顯下降，流變性降低，穩(wěn)定性增強。基于此，考慮到成本和能耗，本文提出真空預壓聯合間歇式加熱排水固結法。

為了檢驗該法的可行性和加固效果，設計了真空預壓聯合間歇式熱排水技術的室內模型試驗裝置；開展不同溫度下的真空預壓聯合間歇式加熱試驗和持續(xù)加熱試驗；通過對比各個組別的沉降量以及孔壓變化趨勢，分析不同加熱方式對真空預壓排水固結法處理軟土地基效果的影響。

表1 室內試驗土性參數

1 試驗概況

1.1 試驗土樣參數

土樣取自寧波城區(qū)某基坑工程，為本地區(qū)典型的軟黏土。通過室內土工試驗，得到該土樣的各項物理力學指標，結果如表1所示。

1.2 試驗裝置安裝

本實驗的試驗裝置由加熱系統和真空預壓系統兩個系統組成。加熱系統為自制的不銹鋼模型桶，外圍增設一圈不銹鋼空腔，空腔內充滿水以進行水浴加熱。模型桶內圈尺寸為40 cm× 30 cm× 0.1 cm(高度×內徑×壁厚)，外圈尺寸為40 cm×40 cm ×0.1 cm(高度×內徑×壁厚)。真空預壓系統中豎向排水通道采用寬100 mm、厚4 mm的塑料排水板；額定功率為1.5 kW的真空泵用于提供真空負壓；真空泵和塑料排水板通過真空濾管連接。采用三相電源供應電路，輸出電壓為380 V。試驗模型裝置如圖1所示。

圖1 試驗模型裝置圖

首先在模型桶中鋪設兩層真空膜，然后將土樣分層裝填到模型桶中，土樣裝填高度為35 cm。要指出的是：為了達到各組試驗模型地基的一致性目標，各組試驗在填筑土樣之前，通過摻水控制試驗土體的含水率為42%(液限)，并充分擾動。土樣裝填完畢后，施加1 kPa預壓荷載，并靜置24 h。然后，將塑料排水板沿著預先設定的位置插入土體，再將兩個孔壓計依次插設到土體中，埋設深度分別為30 cm和25 cm。將濾管以及傳感電線用真空膜有序地進行包裹綁扎，并在封口處打設玻璃膠密封，此步的目的是保持土體內持續(xù)負壓。將真空濾管連接到真空泵上，完成真空預壓系統的安裝布置。再進行加熱系統的安裝，首先將水灌滿空腔，然后放入加熱棒和溫度傳感器，傳感器位置如圖2所示。模型試驗裝置安裝完畢后，通過水浴對模型地基加熱24 h，使土體均勻受熱直至穩(wěn)定；再開啟真空泵，檢查裝置是否有漏氣現象(噴密封膠對漏氣位置進行密封)；當真空泵壓力趨于大氣壓力且能保持穩(wěn)定，開展下一步加壓試驗。本實驗將真空軟管連接地基中的排水板形成排水通道，通過施加真空負壓來促進土中的水排出。加熱裝置是由雙環(huán)模型桶利用水域加熱實現對地基土體的加熱。

表2 加載方案

1.3 試驗方案

為了探究在不同加熱條件下真空預壓加固軟土的效果，設置了表2所示試驗方案。

試驗時真空度維持在96 kPa。U0為對照組試驗，采用普通真空預壓方式；U1和U3為真空預壓聯合持續(xù)加熱排水試驗組，其溫度分別為40℃、60℃。U1和U3為真空預壓聯合間歇性加熱排水試驗組，其溫度分別為40℃、60℃。記錄真空負壓、土中孔隙水壓力、土體溫度和土體沉降量的變化。試驗結束后，取土樣測定其密度、含水率及壓縮系數。

2 試驗結果與分析

2.1 土體溫度變化

圖3 溫度隨時間變化曲線

試驗采用水浴加熱，通過加熱棒通電對外圍空腔中的水加熱，再通過熱水間接加熱土體。試驗土體的溫度變化的曲線如圖3所示。

土體溫度變化趨勢同于外圍水浴溫度變化，但是土體溫度略低于水浴溫度，這是因為熱量在傳遞過程中會有所損耗。間歇式加熱的土體溫度呈現有規(guī)律的波動。U2組在停止加熱的2～3 h內溫度下降到30℃左右，之后10 h以內都穩(wěn)定在這一區(qū)間，并不會回到常溫。這是因為水的比熱容較大,溫度消散需要一定的時間。再次加熱后溫度在1～2 h內回到設定值，土體溫度峰值和持續(xù)加熱的穩(wěn)定溫度持平，因此U2組的土體溫度在U1組的穩(wěn)定溫度來回波動。U4組在停止加熱的3～4 h內溫度下降到30℃左右，之后的8 h內穩(wěn)定在這一區(qū)間，溫度消散比U2組慢，重新加熱后，升溫時間比U2組長。

圖4 沉降隨時間變化曲線

2.2 沉降變化

沉降是評價試驗效果最直觀的指標，圖4所表示的是各組的沉降量隨時間的變化曲線。圖中，U0組總沉降量最小，最先趨于平緩，固結穩(wěn)定。U1組和U2組對比，兩組前期的沉降曲線幾乎重合，U2組斷電后沉降量開始有略微變化。但在試驗中發(fā)現，U2組從不加熱到再加熱沉降又會出現增長較快的趨勢。從U1組和U2組的沉降曲線中可以看到，兩組沉降穩(wěn)定的時間相近，這說明間歇式加熱聯合真空預壓并不會使土體沉降速度變慢，而且可以看到最終沉降僅差1.4 mm；采用40℃間歇式加熱的真空預壓沉降量比常規(guī)真空預壓沉降量多25%，比持續(xù)加熱的真空預壓沉降量少5.2%。

U3組和U4組對比發(fā)現，沉降開始出現差異同樣出現在斷電之后，穩(wěn)定后沉降相差2.2 mm。60℃間歇式加熱真空預壓沉降比常規(guī)真空預壓沉降增加40.6%，比持續(xù)加熱真空預壓沉降少8.4%。間歇式加熱真空預壓組的沉降速度與持續(xù)加熱真空預壓組的沉降速度相近且都遠快于常規(guī)真空預壓組。相同加載條件不同溫度相比(U1和U3、U2和U4)，持續(xù)加熱的兩組60℃比40℃只增加了1.8 mm，間歇式加熱的兩組60℃比40℃只增加了0.3 mm，說明沉降并非隨著溫度的升高而線性增大。

通過對比所有試驗組的沉降量，U3組試驗的沉降量最大，其次是U1組，U2組與U4組的沉降量與U1組接近。綜合考慮能耗和固結效果，間歇式加熱的能耗只有持續(xù)加熱的一半，40℃間歇式加熱真空預壓為最優(yōu)選擇。

2.3 孔隙水壓力變化

不同深度土中孔隙水壓力隨時間變化的曲線圖如圖5、圖6所示。實驗前期，孔隙水壓力呈持續(xù)消散態(tài)勢并逐步趨于穩(wěn)定。由于U2組和U4組存在再加熱的過程，孔隙水壓力產生不同程度的回升。因此，圖中U2組和U4組的曲線存在上下波動的過程。試驗期間，當停止加熱后孔壓絕對值減小，減小到-20 kPa左右穩(wěn)定，當開始加熱后孔壓絕對值增大，增大到與該溫度下持續(xù)加熱的穩(wěn)定值。由于土體長時間受到真空負壓，土體顆粒受到擠壓，土體變得密實，這時土體與排水板之間的接觸也就更加密實，排水板會出現淤堵。但是實驗結果表明U1～U4組孔壓消散的數值較單一的真空預壓試驗組更大。由此推出真空預壓聯合間歇式加熱有利于打開排水通道，緩解排水板的淤堵，更有利于孔壓消散。我們發(fā)現相同加熱方式下，60℃組的孔壓消散效率較40℃組低，出現這種現象是因為60℃時排水板軟化，工作效率下降。

圖5 0.25 m埋深孔隙水壓力曲線

7-a 上層7-b 中層7-c 深層

2.4 試驗后土樣參數變化

對實驗后的土體進行含水量測定。土體取樣位置分別距土體表面0 m上層、0.15 m中層和0.3 m深層處。以中層土體為例，同比實驗前的土樣，常規(guī)真空預壓含水量降低約30%，間歇式加熱40℃真空預壓含水量降低51.7%，持續(xù)加熱40℃真空預壓含水量降低54.67%，間歇式加熱60℃真空預壓含水量降低66.18%，持續(xù)加熱60℃真空預壓含水量降低69.37%。圖6為不同深度和不同距排水板距離的含水量變化曲線。分析后發(fā)現，各實驗組在距排水板相同距離情況下，土體含水量均隨深度增大而增大，這表明處理效果均隨深度增大而遞減。這是因為沿排水板自上而下傳遞的過程中，真空度會向四周擴散衰減。圖7中所有組別的含水量隨著離排水板距離的增大而增大。原因在于排水效果受排水路徑的影響，距離越短效果越好。U0組的含水量在表、中、深層都遠遠大于其他組別，說明真空預壓聯合熱排水促進土體排水，更有利于土體沉降固結。圖7中還可以看出持續(xù)加熱和間歇式加熱后土體的含水量相差不大。說明在相同溫度作用下，考慮能耗和經濟性，真空預壓聯合間歇式加熱更優(yōu)。

3 真空預壓聯合間歇式加熱機理分析

3.1 能耗角度

真空預壓會使水的沸點降低，95 kPa的負壓下，水在65℃就會沸騰，間歇式加熱聯合真空預壓是通過反復的升溫降溫來促進土中水的排出。當土體溫度升高的時候，土顆粒之間的排水通道打開，促使土體中的水排出；當不再加熱的時候，土體降溫，產生的溫度梯度同樣促進了土中水的排出。從最終的沉降量來看，相同溫度下間歇式加熱的組別和持續(xù)加熱的組別相差較小，從能耗上分析，間歇式加熱組的能耗僅僅只有持續(xù)加熱組的一半，這表明間歇式加熱下的真空預壓法在減少近一半能耗的情況下還能達到與持續(xù)加熱相近的效果；從含水量的角度看，加熱的組別明顯比常規(guī)真空預壓的含水量變化大，間歇式加熱的真空預壓組別和持續(xù)加熱的真空預壓組別接近，也可以看出間歇式加熱的真空預壓效果和持續(xù)加熱的真空預壓效果相差不大。在相同的能耗下，間歇式加熱聯合真空預壓組的效果會更好。

3.2 溫度梯度角度

Philip[18]提出了以溫度梯度和濕份梯度為推動勢的模型，大大推進了土中熱量傳遞的研究進展。真空預壓聯合間歇式加熱的試驗組別存在反復的加熱和停止加熱，比起持續(xù)加熱的組別，間歇式加熱在地基中引起的溫度梯度大。溫度梯度對土的排水固結起到促進作用，這是間歇式加熱組的優(yōu)點。

3.3 工期角度

根據真空預壓地基處理規(guī)范，計算正常固結土的沉降時，按下式計算固結沉降Sc

(1)

式中：p1為初始荷載；△p為附加應力增量；Cc為壓縮指數。

表3 工期對比表

土層厚度為0.3 m，根據前文土性參數可得最終沉降為30.69 mm。再測定的沉降曲線中通過雙曲線法確定最終沉降和固結度變化，將每組試驗34 d工期的固結度匯總如表3所示。

由表3可知：相同工期內，U3組達到的固結度最大，其次是U1組；U0組不加熱的固結度最小。溫度對軟土地基的影響，除了影響孔隙水壓消散效率外，還影響軟土的變形性狀。對于正常的軟土以及欠固結土，加熱會增大土的壓縮性。這就解釋了相同加熱方式下，60℃組的孔壓消散效率低于40℃組，但最終沉降卻又是60℃組的大。U2和U1對比，固結度相差4.49%，U4和U3對比，固結度相差7.66%，說明相同工期內真空預壓聯合間歇式加熱和真空預壓聯合持續(xù)性加熱的方式對固結度相差不大。換而言之，如果要達到相同的固結度，U0最慢，真空預壓聯合間歇式加熱的和持續(xù)加熱的工期接近，這就說明真空預壓聯合間歇式加熱并不會影響工期。

4 結論

(1)通過對比不同加熱方式下的真空預壓模型地基沉降量，發(fā)現真空預壓聯合加熱的排水固結方式促進了土體沉降，加快了土體固結速度，能夠縮短地基處理的工期，提高固結效果。

(2)間歇式加熱的沉降和最終孔壓消散與持續(xù)加熱的沉降和最終孔壓消散相差無幾，說明在間歇式加熱和持續(xù)加熱的效果相差不大，而間歇式加熱的方式節(jié)約了成本；從工期角度和經濟角度綜合考慮，間歇式加熱聯合真空預壓法更優(yōu)。

(3)間歇式加熱的組別存在溫度梯度的影響。土體在反復加溫降溫下固結，提高了土體固結效果。