真空預(yù)壓聯(lián)合間歇式加熱排水固結(jié)法加固軟黏土模型試驗研究

鄭良科，鄭榮躍，鄧岳保，王天園，毛偉赟

(寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，寧波 315211)

對于沿海地區(qū)吹填軟土地基的加固，真空預(yù)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(xiàn)，在使用單一的真空預(yù)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(xué)者提出采用相互補充或聯(lián)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(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)無砂墊層真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法加固地基效果比無砂墊層單一的真空預(yù)壓好、且工期更短 。李存誼等[4]開展了真空預(yù)壓法與電滲法相結(jié)合的現(xiàn)場試驗同時也進行了數(shù)值分析，實驗結(jié)果表明真空預(yù)壓法聯(lián)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(jié)論真空預(yù)壓聯(lián)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(jié)儀，對地基軟土進行了單一的真空預(yù)壓實驗、單一的堆載預(yù)壓實驗和真空預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法相結(jié)合的實驗，并將實驗結(jié)果進行對比，研究結(jié)果表明真空預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法相結(jié)合能有效減小工后沉降。王柳江等[7-8]開展了真空預(yù)壓法與電滲法相結(jié)合的模型實驗，結(jié)果表明該方法能有效加固深層土體。蔡學(xué)石等[9-10]通過現(xiàn)場對比試驗發(fā)現(xiàn)，真空預(yù)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(jié)性狀，提高土體的滲透性，也有學(xué)者提出了加熱與排水固結(jié)相結(jié)合的方法。Abuel-Nag等[11]首先開展了模型試驗，他們將排水固結(jié)法與加熱相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)加熱能加快豎井地基固結(jié)。陶海冰等[12-14]通過有限元模擬進一步證實了排水固結(jié)法與加熱聯(lián)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(jié)聯(lián)合加熱的實驗裝置，開展了排水固結(jié)試驗和排水固結(jié)聯(lián)合加熱的試驗，試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)加熱的排水固結(jié)法能夠加快地基固結(jié)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(jié)的影響。鄧岳保等[18]率先在國內(nèi)對真空預(yù)壓聯(lián)合加熱排水固結(jié)技術(shù)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(xiàn)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(jié)法，加熱的排水固結(jié)法有更好的固結(jié)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(yīng)用。相關(guān)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(xué)者通過真空預(yù)壓聯(lián)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(yù)壓聯(lián)合電滲加固方法，該法比單一真空預(yù)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?；诖?，考慮到成本和能耗，本文提出真空預(yù)壓聯(lián)合間歇式加熱排水固結(jié)法。

為了檢驗該法的可行性和加固效果，設(shè)計了真空預(yù)壓聯(lián)合間歇式熱排水技術(shù)的室內(nèi)模型試驗裝置；開展不同溫度下的真空預(yù)壓聯(lián)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(yù)壓排水固結(jié)法處理軟土地基效果的影響。

表1 室內(nèi)試驗土性參數(shù)

1 試驗概況

1.1 試驗土樣參數(shù)

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(nèi)土工試驗，得到該土樣的各項物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)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(tǒng)和真空預(yù)壓系統(tǒng)兩個系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)為自制的不銹鋼模型桶，外圍增設(shè)一圈不銹鋼空腔，空腔內(nèi)充滿水以進行水浴加熱。模型桶內(nèi)圈尺寸為40 cm× 30 cm× 0.1 cm(高度×內(nèi)徑×壁厚)，外圈尺寸為40 cm×40 cm ×0.1 cm(高度×內(nèi)徑×壁厚)。真空預(yù)壓系統(tǒng)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(fù)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(yīng)電路，輸出電壓為380 V。試驗?zāi)Ｐ脱b置如圖1所示。

圖1 試驗?zāi)Ｐ脱b置圖

首先在模型桶中鋪設(shè)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?zāi)Ｐ偷鼗囊恢滦阅繕?biāo)，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?jǐn)_動。土樣裝填完畢后，施加1 kPa預(yù)壓荷載，并靜置24 h。然后，將塑料排水板沿著預(yù)先設(shè)定的位置插入土體，再將兩個孔壓計依次插設(shè)到土體中，埋設(shè)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(shè)玻璃膠密封，此步的目的是保持土體內(nèi)持續(xù)負(fù)壓。將真空濾管連接到真空泵上，完成真空預(yù)壓系統(tǒng)的安裝布置。再進行加熱系統(tǒng)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(xiàn)象(噴密封膠對漏氣位置進行密封)；當(dāng)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(fù)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(xiàn)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(yù)壓加固軟土的效果，設(shè)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(yù)壓方式；U1和U3為真空預(yù)壓聯(lián)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(yù)壓聯(lián)合間歇性加熱排水試驗組，其溫度分別為40℃、60℃。記錄真空負(fù)壓、土中孔隙水壓力、土體溫度和土體沉降量的變化。試驗結(jié)束后，取土樣測定其密度、含水率及壓縮系數(shù)。

2 試驗結(jié)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(xiàn)有規(guī)律的波動。U2組在停止加熱的2～3 h內(nèi)溫度下降到30℃左右，之后10 h以內(nèi)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(nèi)回到設(shè)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(nèi)溫度下降到30℃左右，之后的8 h內(nèi)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(biāo)，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(jié)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(xiàn)，U2組從不加熱到再加熱沉降又會出現(xiàn)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(lián)合真空預(yù)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(yù)壓沉降量比常規(guī)真空預(yù)壓沉降量多25%，比持續(xù)加熱的真空預(yù)壓沉降量少5.2%。

U3組和U4組對比發(fā)現(xiàn)，沉降開始出現(xiàn)差異同樣出現(xiàn)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(yù)壓沉降比常規(guī)真空預(yù)壓沉降增加40.6%，比持續(xù)加熱真空預(yù)壓沉降少8.4%。間歇式加熱真空預(yù)壓組的沉降速度與持續(xù)加熱真空預(yù)壓組的沉降速度相近且都遠快于常規(guī)真空預(yù)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(jié)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(yù)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(chǎn)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(dāng)停止加熱后孔壓絕對值減小，減小到-20 kPa左右穩(wěn)定，當(dāng)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(fù)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(xiàn)淤堵。但是實驗結(jié)果表明U1～U4組孔壓消散的數(shù)值較單一的真空預(yù)壓試驗組更大。由此推出真空預(yù)壓聯(lián)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(xiàn)相同加熱方式下，60℃組的孔壓消散效率較40℃組低，出現(xiàn)這種現(xiàn)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(shù)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(yù)壓含水量降低約30%，間歇式加熱40℃真空預(yù)壓含水量降低51.7%，持續(xù)加熱40℃真空預(yù)壓含水量降低54.67%，間歇式加熱60℃真空預(yù)壓含水量降低66.18%，持續(xù)加熱60℃真空預(yù)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(xiàn)，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(yù)壓聯(lián)合熱排水促進土體排水，更有利于土體沉降固結(jié)。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(jīng)濟性，真空預(yù)壓聯(lián)合間歇式加熱更優(yōu)。

3 真空預(yù)壓聯(lián)合間歇式加熱機理分析

3.1 能耗角度

真空預(yù)壓會使水的沸點降低，95 kPa的負(fù)壓下，水在65℃就會沸騰，間歇式加熱聯(lián)合真空預(yù)壓是通過反復(fù)的升溫降溫來促進土中水的排出。當(dāng)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(dāng)不再加熱的時候，土體降溫，產(chǎn)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(yù)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(yù)壓的含水量變化大，間歇式加熱的真空預(yù)壓組別和持續(xù)加熱的真空預(yù)壓組別接近，也可以看出間歇式加熱的真空預(yù)壓效果和持續(xù)加熱的真空預(yù)壓效果相差不大。在相同的能耗下，間歇式加熱聯(lián)合真空預(yù)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(yù)壓聯(lián)合間歇式加熱的試驗組別存在反復(fù)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(jié)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(jù)真空預(yù)壓地基處理規(guī)范，計算正常固結(jié)土的沉降時，按下式計算固結(jié)沉降Sc

(1)

式中：p1為初始荷載；△p為附加應(yīng)力增量；Cc為壓縮指數(shù)。

表3 工期對比表

土層厚度為0.3 m，根據(jù)前文土性參數(shù)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(jié)度變化，將每組試驗34 d工期的固結(jié)度匯總?cè)绫?所示。

由表3可知：相同工期內(nèi)，U3組達到的固結(jié)度最大，其次是U1組；U0組不加熱的固結(jié)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(jié)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(jié)度相差4.49%，U4和U3對比，固結(jié)度相差7.66%，說明相同工期內(nèi)真空預(yù)壓聯(lián)合間歇式加熱和真空預(yù)壓聯(lián)合持續(xù)性加熱的方式對固結(jié)度相差不大。換而言之，如果要達到相同的固結(jié)度，U0最慢，真空預(yù)壓聯(lián)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(yù)壓聯(lián)合間歇式加熱并不會影響工期。

4 結(jié)論

(1)通過對比不同加熱方式下的真空預(yù)壓模型地基沉降量，發(fā)現(xiàn)真空預(yù)壓聯(lián)合加熱的排水固結(jié)方式促進了土體沉降，加快了土體固結(jié)速度，能夠縮短地基處理的工期，提高固結(jié)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(jīng)濟角度綜合考慮，間歇式加熱聯(lián)合真空預(yù)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(fù)加溫降溫下固結(jié)，提高了土體固結(jié)效果。