淤泥土中筒型基礎(chǔ)負(fù)壓電滲加固試驗(yàn)研究

樂 叢 歡， 丁 紅 巖， 張 浦 陽

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；4.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0 引 言

筒型基礎(chǔ)作為一種新型的海洋基礎(chǔ)型式具有承載力高、土質(zhì)適用性廣、施工費(fèi)用低、可海上快速安裝及可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)[1－2]，目前已推廣應(yīng)用到海洋平臺[3]及海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)[4－5]等多個(gè)領(lǐng)域.我國近海海域70%以上是軟黏土和粉砂等不良地基，承載力較低、穩(wěn)定性差.以近海風(fēng)場中經(jīng)常遇到的海相淤泥土地基為例，其具有高壓縮性、高含水率的特點(diǎn)，而且表層土體強(qiáng)度很小，幾乎為零，如果采用傳統(tǒng)基礎(chǔ)型式(如樁基或重力式基礎(chǔ))不但基礎(chǔ)成本大大提高，而且施工難度也相應(yīng)加大.相比于傳統(tǒng)基礎(chǔ)型式，筒型基礎(chǔ)在不良地基中更具有優(yōu)勢.要保證筒型基礎(chǔ)在不良地基下具有良好的承載能力，必須尋找一種合理有效的地基處理方式，對筒型基礎(chǔ)內(nèi)部土體進(jìn)行加固處理，以滿足承載要求.

負(fù)壓加固法利用抽真空引起的氣壓差對加固區(qū)域內(nèi)的土體施加壓載，從而產(chǎn)生超孔隙水壓力[6－8]，伴隨著孔隙水的流出，超孔隙水壓力慢慢消散直至完全消失，土體有效應(yīng)力逐步增大、體積壓縮、強(qiáng)度提高，實(shí)現(xiàn)土體固結(jié).電滲法則是一種利用電能對地基進(jìn)行加固的地基處理方法.在直流電的作用下，吸附著極性水分子的正離子，在電場作用下移向陰極[9－10]，及時(shí)將匯集到陰極的水排出，從而使土體排水固結(jié).本文通過對兩組不同筒徑的筒型基礎(chǔ)模型采用真空負(fù)壓及負(fù)壓電滲的兩種加固方法對筒內(nèi)淤泥土進(jìn)行加固試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析對比這兩種加固方法的效果，并進(jìn)一步對試驗(yàn)中通電時(shí)間的控制及減小電能損耗方面等的問題進(jìn)行相關(guān)分析.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用兩種不同筒徑的模型(模型1:直徑600 mm，高200mm；模型2:直徑300mm，高200 mm)，分別在淤泥土中進(jìn)行真空電滲加固試驗(yàn).筒壁材質(zhì)為鋼，筒頂蓋為有機(jī)玻璃.頂蓋上開兩個(gè)口，分別與潛水泵和壓力表相連.模型頂蓋下鋪一層土工布，用鋼絲網(wǎng)固定，以防止淤泥吸入潛水泵中.有機(jī)玻璃頂蓋與鋼筒通過一圈螺栓相連，中間放置密封橡膠條，保證筒體的氣密性.本試驗(yàn)所用淤泥土取自天津市濱海新區(qū)海邊，為高含水率、高黏粒含量、低滲透性土.其物理性質(zhì)指標(biāo)為塑限25.7%、液限38.8%、含水率62.8%.

試驗(yàn)在自制的裝滿淤泥土的土箱中進(jìn)行，土箱中的淤泥土在試驗(yàn)前經(jīng)過一周的加水養(yǎng)護(hù).試驗(yàn)裝置如圖1和2所示.負(fù)壓加固法通過開啟與抽水管相連的潛水泵進(jìn)行抽水，使筒型基礎(chǔ)模型內(nèi)外存在壓差，內(nèi)外壓差將引起筒內(nèi)土體的附加應(yīng)力，從而產(chǎn)生超孔隙水壓力，同時(shí)壓差的存在使得筒內(nèi)土體受到由下至上的滲流作用，潛水泵不斷地將滲流出的孔隙水抽出.伴隨著孔隙水的流出，超孔隙水壓力慢慢消散直至完全消失，土體有效應(yīng)力逐步增大、體積壓縮、強(qiáng)度提高，實(shí)現(xiàn)土體固結(jié).

圖1 電滲負(fù)壓加固試驗(yàn)裝置Fig.1 Arrangement of instrumentation in the vacuum electro－osmotic reinforcing experiments

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Instrumentation of the experiments

負(fù)壓電滲法是在負(fù)壓加固法的基礎(chǔ)上聯(lián)合電滲法對地基土進(jìn)行加固，以筒型基礎(chǔ)鋼質(zhì)筒壁作為陽極，以筒中心插入的外包土工布的鋼筋作為陰極，電極排布方式如圖3所示.在直流電的作用下，吸附著極性水分子的正離子，在電場作用下移向陰極，陰極附近的潛水泵不斷地將匯集于陰極處的水抽出，電滲的作用促使?jié)B流的孔隙水集中匯集到潛水泵從而加快土體排水固結(jié).試驗(yàn)中應(yīng)持續(xù)記錄電源電流的變化及壓力表讀數(shù)的變化，并通過百分表測量筒型基礎(chǔ)頂面沉降量.試驗(yàn)結(jié)束之后，對加固后土體進(jìn)行輕型動力觸探試驗(yàn)，確定加固效果.共進(jìn)行4組試驗(yàn)(表1).電滲采用穩(wěn)壓控制方式(電壓2V).

圖3 電滲試驗(yàn)中電極排布方式Fig.3 Layout of the electrode in electro－osmotic test

表1 試驗(yàn)組合Tab.1 List of the experiments

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同加固方式下筒徑對加固效果的影響

圖4(a)和(b)分別給出了第1組(筒徑300 mm)和第2組(筒徑600mm)試驗(yàn)組合負(fù)壓加固前后效果對比，從圖中可知負(fù)壓作用下的固結(jié)效果是比較明顯的.試驗(yàn)中，在負(fù)壓的作用下，筒基下部土體內(nèi)孔隙水排出，土體體積縮小，筒基和土體整體下沉.因此土體固結(jié)排水量可近似為基礎(chǔ)沉降量與筒體截面積的乘積，筒內(nèi)土體的固結(jié)程度可以通過測量筒頂沉降量d來評估.圖5給出第1組和第2組試驗(yàn)筒頂沉降值的變化過程.從圖5可以看出，當(dāng)僅采用負(fù)壓加固法對筒內(nèi)土體進(jìn)行處理時(shí)，筒徑的變化對最終的加固效果影響不大，即筒徑的變化對土體的含水率或固結(jié)度影響很小.

圖4 第1組和第2組筒型基礎(chǔ)負(fù)壓加固前后效果Fig.4 Soil in the bucket foundation of test 1and test 2 before and after the reinforcement by vacuum

圖5 第1組和第2組試驗(yàn)筒頂沉降與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Settlement－time curve of the lid in test 1 and test 2

圖6 第3組和第4組筒型基礎(chǔ)負(fù)壓電滲法加固前后效果Fig.6 Soil in the bucket foundation of test 3and test 4before and after the reinforcement by vacuum electro－osmosis

圖6 (a)和(b)顯示了第3組和第4組試驗(yàn)組合負(fù)壓電滲法加固處理前后效果對比.從圖中可看出負(fù)壓電滲法作用下的固結(jié)效果比較明顯.圖7給出了第3組和第4組試驗(yàn)筒頂沉降值的變化過程.從圖可看到，與單一的負(fù)壓加固試驗(yàn)結(jié)果不同的是在負(fù)壓電滲試驗(yàn)中，筒徑對于電滲試驗(yàn)效果有一定的影響.試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在負(fù)壓電滲聯(lián)合作用下筒徑從300mm增大到600mm，沉降量增大了12%左右，意味著固結(jié)度增大了12%左右.本質(zhì)上講，筒徑變化導(dǎo)致正負(fù)兩極之間土體內(nèi)的電勢變化，從而引起等效電場的變化，計(jì)算理論上表現(xiàn)為在半對數(shù)坐標(biāo)上電勢與筒基半徑的Esrig理論直線斜率的變化[11]，在第1組和第2組試驗(yàn)中，因?yàn)闆]有電場，僅有負(fù)壓向上的“抽吸”作用，不涉及土體內(nèi)部電勢等的變化，所以筒徑變化對最終的固結(jié)效果基本沒有影響.這也與前兩組試驗(yàn)綜合分析得到的結(jié)果相一致.

圖7 第3組和第4組試驗(yàn)筒頂沉降與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7 Settlement－time curve of the lid in test 3 and test 4

對比圖5和圖7可知，相比于單一的負(fù)壓加固法，負(fù)壓電滲加固法對筒型基礎(chǔ)的加固效果更為有效，筒徑越大電滲的作用效果越明顯，電滲對土體固結(jié)的貢獻(xiàn)越大.以本模型為例，采用負(fù)壓電滲加固法加固800min后相比于單一的負(fù)壓加固，筒徑為300mm的基礎(chǔ)模型固結(jié)沉降僅提高了1.5%左右，筒徑為600mm的基礎(chǔ)模型固結(jié)沉降提高了11%左右.

2.2 電滲時(shí)間控制

從4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，土體排水速率隨著電滲的進(jìn)行逐漸減小，特別在試驗(yàn)后期，電滲的效果已經(jīng)不太明顯，這時(shí)，繼續(xù)通電已經(jīng)變得非常不經(jīng)濟(jì).為了有效控制通電時(shí)間，減小電能損耗，需要研究其電能損耗.這里引入能耗系數(shù)C的概念[12]，即在電滲后期每排出1mL水所要消耗的電能.能耗系數(shù)C的計(jì)算公式為

式中:T為電滲總時(shí)間；It、Vt分別為t時(shí)刻土體中的電流和累積排出的水量；U為電源的輸出電壓；Vt為排出的總水量.

圖8為試驗(yàn)中實(shí)測的電流隨時(shí)間變化曲線，將各變量代入式(1)求得的最終電滲能耗系數(shù)和通電時(shí)間關(guān)系曲線如圖9所示.從能耗系數(shù)變化可以看到，筒徑300mm和600mm的筒型基礎(chǔ)能耗均在電滲700min左右突然急劇增大，700 min后電滲所消耗能量占到整個(gè)電滲過程的70%～80%.而從筒頂沉降方面看，后期電滲效率已經(jīng)大大下降，排水速率大大減小.可見700min之后的通電已經(jīng)很不經(jīng)濟(jì).因此電滲的加固效用是有限的，存在一個(gè)有效時(shí)間點(diǎn)(在本試驗(yàn)中是700 min左右)，該時(shí)間點(diǎn)的能耗系數(shù)發(fā)生突變，超過該時(shí)間點(diǎn)后的電滲加固效率低.將通電時(shí)間控制在有效時(shí)間點(diǎn)附近，可以在有限的時(shí)間內(nèi)取得良好的地基處理效果，減少了能量損耗，降低了加固成本.

圖8 試驗(yàn)過程中電流隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.8 Time history of electric current in the tests

圖9 試驗(yàn)過程中筒型基礎(chǔ)能耗系數(shù)隨時(shí)間變化Fig.9 Time histories of energy dissipation coefficient of bucket foundation in the tests

3 結(jié) 論

(1)負(fù)壓法和負(fù)壓電滲法均能有效地提高筒內(nèi)土體的強(qiáng)度.筒型基礎(chǔ)施工下沉通常是采用負(fù)壓貫入的方式，因此用負(fù)壓法對土體進(jìn)行加固有著先天的優(yōu)勢，考慮到淤泥土的低滲透性，對淤泥土負(fù)壓加固所需時(shí)間較長.負(fù)壓電滲加固法對淤泥土的處理速度略大于負(fù)壓法.電滲作用能促進(jìn)筒下土體孔隙水的排出，加快土體固結(jié).相比于單一的負(fù)壓加固法，負(fù)壓電滲法對筒型基礎(chǔ)的加固效果更為有效.

(2)在筒型基礎(chǔ)對于淤泥質(zhì)地基處理過程中，僅采用負(fù)壓加固，筒型基礎(chǔ)筒徑的變化，對于土體固結(jié)效果基本上沒有影響.當(dāng)采用負(fù)壓電滲法時(shí)，筒徑的變化對土體固結(jié)效果影響較大，筒徑越大，電滲作用效果越明顯.當(dāng)筒徑較小時(shí)，電滲作用效果不明顯，土體的固結(jié)主要是由負(fù)壓貢獻(xiàn)的，電滲僅起到輔助的作用.隨著筒徑的增大，電滲對土體固結(jié)的貢獻(xiàn)增大，對于大筒徑的筒型基礎(chǔ)，負(fù)壓電滲加固法要優(yōu)于單一的負(fù)壓加固法.

(3)在對筒型基礎(chǔ)內(nèi)土體進(jìn)行負(fù)壓電滲處理過程中，存在一個(gè)有效時(shí)間點(diǎn)，在該點(diǎn)能耗系數(shù)發(fā)生突變，將通電時(shí)間控制在有效時(shí)間點(diǎn)附近，可以在有限的時(shí)間內(nèi)取得良好的地基處理效果，減少能量損耗.

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