我国东南沿海地区广泛分布有深厚的软土地基, 很多基础设施不可避免地需建立在软土地基上。在已有软土地基加固处理方法中, 真空预压法运用广泛。真空预压最早由瑞典皇家地质学院kjellmen^[1]于1952年提出。20世纪80年代, 我国交通部、天津大学和南京水利科学院等单位对真空预压进行了室内和现场试验, 获得成功。此后, 真空预压施工工艺和设计方法逐步成熟。但其后一些工程实践发现, 采用单一真空预压法加固软土地基时, 加固时间长, 工后沉降大, 无法满足工程快速高效的要求。对此, 有研究者对真空预压进行了改进。武亚军等^[2-3]将传统固化剂生石灰作为添加药剂, 并对不同添加量的泥浆进行真空预压试验, 研究表明加入生石灰能加快沉降速率。高志义等^[4]、曹永华等^[5-6]研究了真空预压联合电渗法, 室内对比试验表明真空预压联合电渗法较单一的真空预压法可使土体强度提高2~5倍。王柳江等^[7]、徐伟等^[8]提出采用真空预压联合电渗法的地基加固方法并开展相关试验, 结果表明该法能有效加固深层土体。王军等^[9]提出了间歇式真空预压联合电渗加固方法, 该法比单一真空预压处理高效, 而且处理后的土体黏粒含量明显下降, 有利于降低土体流变性, 增强稳定性。金小荣等^[10-11]基于改进Rowe型固结仪进行了真空预压、堆载预压和真空预压联合堆载预压对比试验, 结果表明真空预压联合堆载预压法能有效消除下承压水层软弱地基的沉降, 工后沉降较小。朱平等^[12]设计了可控通气真空预压室内模型并开展试验, 结果表明可控通气真空预压比常规真空预压加固效果好。

温度对土性的影响研究表明, 加热可以提高土体的渗透系数, 改善土体的固结性状。基于这一认识, 研究者提出了热排水固结法, 并开展了试验研究。Abuel-Nag等^[13]首先提出了竖井地基热排水固结模型试验, 发现加热能使竖井地基固结加快。陶海冰等^[14-16]在竖井地基热排水固结试验中证实了竖井地基热排水固结能够带来更大的地基沉降, 使得土体更加密实。刘干斌等^[17]、尹铁锋等^[18]设计了竖井热排水固结模型试验系统, 分别开展排水固结和热固结模型试验, 研究表明热固结排水法使地基固结速率加快, 总沉降量增加, 土的抗剪强度有所提高, 软基处理效果改善。吴家辉等^[19]建立了考虑温度效应的单井固结解析解, 算例分析表明温度越高地基固结度越大。谢柯等^[20]分析了无堆载加热、分级堆载、恒载降温阶段对竖井地基热排水固结影响。

上述研究主要围绕堆载预压来展开, 而真空预压联合热排水地基处理方法目前鲜有报道。本文作者围绕真空预压联合加热处理技术申报了发明专利^[21], 但相应的试验研究尚未开展。对此, 首先设计真空预压联合热排水技术的室内模型试验装置; 基于该装置开展不同温度下的真空预压联合加热试验; 对比不同温度下的真空预压加固软土地基的沉降及孔压变化。然后, 对真空预压联合热排水固结的机理进行分析, 基于已有竖井地基固结解反演分析不同温度下的土体固结性状参数, 进一步分析加热温度对软土地基真空预压排水固结过程的影响。

1.   试验概况

1.1   试验土样制备

本次试验土样取自宁波某基坑, 通过室内土工试验得到土的各项物理力学指标, 结果如表 1所示。

表  1  室内试验土性参数

Table  1.  Soil property parameters of the laboratory test

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   试验装置及安装

本次实验由真空预压系统和加热系统两部分组成(图 1)。试验装置为自主定制的不锈钢模型桶, 外围增设一圈不锈钢空腔, 其间充满水以进行水浴加热。不锈钢模型桶内圈尺寸为40 cm×30 cm×0.1 cm(高度×内径×壁厚), 外圈尺寸为40 cm×40 cm×0.1 cm(高度×内径×壁厚)。真空系统中竖向排水通道采用宽100 mm、厚4 mm的塑料排水板。抽气设备采用定额功率为1.5 kW的真空泵。采用三相电源供应的电路, 输出电压为380 V。

图  1  试验模型装置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of the experimental model device

下载: 全尺寸图片 幻灯片

模型桶中事先铺设2层真空膜, 然后将土样分层装填到模型桶中, 土样装填高度为0.35 m。装填完毕后, 将塑料排水板沿着预先设定的位置插入土体, 再将2个孔压计依次插设到土体中, 深度分别为0.3 m和0.2 m。将滤管以及传感电线用真空膜有序地进行包裹绑扎, 并在封口处打设玻璃胶密封。将真空滤管连接到真空泵上, 完成真空系统的安装布置。加热系统为外围水浴加热, 将水灌满空腔, 放入加热棒和温度传感器, 并通过温控装置连接电源。模型试验装置安装完毕后, 预压1 kPa荷载, 随后静置24 h。预压完成后, 加热24 h, 使土体充分受热并趋于稳定; 再开启真空泵, 检查装置是否有漏气现象(若有漏气用密封胶密封漏气位置)。

1.3   试验方法

为了探究在加热条件下真空预压加固软土的效果, 设置试验方案如表 2所示。

表  2  加载方案

Table  2.  Loading plan

下载: 导出CSV 

| 显示表格

试验中真空度维持在96 kPa左右, T0为对比试验, 采用普通真空预压方式, T1~T5为真空预压联合热排水试验组, 其温度分别为40, 50, 60, 70和80 ℃(图 2)。由于T5组80 ℃工况下监测数据出现异常(可能与塑料排水板或密封膜受高温影响而失效有关), 因此在加热8 d后停止加热。记录真空度、孔隙水压力、温度和土体沉降等数据。试验结束后, 取样测定密度、含水量、压缩系数及孔隙比。

图  2  加载与加热路径

Figure  2.  Loading and heating paths

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   试验结果及分析

2.1   地基中温度变化

模型地基内温度变化如图 3所示。由图 3可知: 加热半天后地基中的温度基本稳定; 地基土加热稳定的温度相比于外围水浴温度低5~10 ℃。由于模型地基的上下边界非绝热界面, 因此存在热量耗散, 地基土中的温度低于外围加热温度。

图  3  模型桶内温度变化图

Figure  3.  Diagram of temperature variation in the model barrel

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   沉降变化

通过在加压板上架设百分表来监测沉降量。由于沉降在前期变化较大, 因此每10 min记录1次, 在1 d后每2 h记录1次, 6组试验的累计沉降量如图 4所示。

图  4  不同温度下的累计沉降过程

Figure  4.  Settlement at different temperatures

下载: 全尺寸图片 幻灯片

试验初期, 各组沉降增长较快, 随着固结进行, 沉降增长速率逐渐减小; 除80 ℃工况以外, 真空预压联合加热产生的沉降比常规真空预压要大, 表明真空预压联合热排水比常规真空预压的固结效果好。图中T2组50 ℃的沉降最大, 在试验后期超过了其他组别; 沉降不是随温度的增加而呈线性增大, 温度在22~50 ℃之间时, 沉降随着温度的增大而增大; 但温度在60~70 ℃时, 沉降随温度的增大反而减小, 说明真空预压联合热排水固结存在最适宜温度。原因分析如下: 温度不是很高时, 加热使得土颗粒之间的排水通道变大, 会加速固结; 而温度过高时, 将对排水系统产生不利影响。

总体上, 不同加热温度情况下真空预压加固效果不同(包括沉降速率和沉降量); 从能源消耗和处置效果出发, 40~50 ℃是本次试验得到的最适宜温度。

2.3   孔隙水压力变化

分别读取埋深在0.2 m和0.3 m的偏移量, 观测真空预压联合热排水固结下孔压的变化量, 结果如图 5所示。其中, T3组在19 d时由于停电, 造成孔压变化异常。其他时刻的数据, 在初始时刻上升, 在短时间内迅速下降, 之后逐渐降低, 后期趋于稳定。且同一温度下埋深0.3 m比0.2 m的负孔压大, 说明在模型试验中, 排水板下真空度的传递效果好。在T0到T3组, 随着温度的上升, 负孔压越大, 说明在一定温度范围内, 加热能加速真空预压排水固结。真空泵停止后, 孔压回到初始读数。

图  5  孔压变化

Figure  5.  Change in pore pressure

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4   试验后土样变化

试验结束后将模型地基取出(图 6)。从图 6中可观测到, 试验后加热组土体比常温组要干燥且更硬实。将试验后的土体取样, 测定其含水量, 结果如表 3所示。固结排水前后, 含水量从40.8%降到10%~30%;加温组相比于常温组降低更明显; 40~60 ℃含水量降低到20%以内, 可以看出真空预压联合热排水固结土体相比于常规真空预压土体含水量要小, 说明升高温度对提升软土强度有效。然而, 70 ℃和80 ℃的含水量大于其它加热组, 这可能是由于高温下排水板溶解失效不起作用, 导致排水固结减慢。

图  6  T0和T1组模型桶试验后土样外观

Figure  6.  Soil samples after test for cases T0 and T1

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  3  试验后土性参数

Table  3.  Soil property parameters after test

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.   理论分析

3.1   最终沉降

文献[22]中介绍了多种最终沉降曲线的经验公式。由于本次沉降曲线接近于双曲线, 因此采用双曲线拟合经验公式来预测沉降变化:

式中: s_∞——推算的最终沉降量, 理论上所需时间t=∞;

s₁——经历时间t₁出现的沉降量;

a——曲线常数;

s_t——t时刻沉降量。

设定比值:

式中: s₁, s₂, s₃——沉降曲线上实测值。

则可求得常数a为:

将式(2)、式(3)代入式(1)得到最终沉降表达式为:

根据式(4), 取沉降曲线上3个实测值即可求得最终沉降。在图 4中分别取T0、T1、T2的沉降曲线上的3个点, 见表 4。根据式(4), 分别求得T0、T1、T2、T3和T4的最终沉降为20.54 mm、30.74 mm、34.55 mm、30.31 mm和26.97 mm。

表  4  试验曲线的取值点

Table  4.  Value points of the test curve

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.2   沉降过程

根据竖井地基固结理论, 径向平均固结度为:

式中: T_h——水平向固结时间因子, $T_{\mathrm{h}}=\frac{C_{\mathrm{h}}t}{4r^2}$

r——圆柱体单井地基水平截面内影响域半径;

r_w——竖井半径。

本次试验为重塑土地基, 因此不考虑涂抹影响。由于竖井尺寸很短, 故忽略井阻影响, 即不考虑F_r、F_s。

由于不同时刻的沉降可以由最终沉降乘平均固结度表示, 因此不同时刻的沉降曲线公式可表示为:

将各式中的参数代入式(6)可得:

基于式(7), 将实验数据代入, 可求得沉降过程。其中: 土层厚度为0.35 m, 真空度为98 kPa, 预压荷载1 kPa。式(7)中C_h随着温度变化而变化, 通过反算获得。沉降过程反演分析结果如图 7所示。

图  7  沉降过程试验与理论拟合图

Figure  7.  Experimental and theoretical fitting settlement

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 7可以看出, T2与T3组前期试验结果与拟合值有一定偏差, 这可能与前面提到的土在适宜温度作用下土体从正常固结土变为超固结土有关。另外, 加热后土中孔隙水的真空汽化作用对拟合结果也有一定影响。

在常温到50 ℃范围内, 反演分析得到的不同温度下固结系数如表 5。由表 5可知, 温度升高使固结系数增大。在50 ℃时, 固结系数最大。根据试验拟合可知, 真空预压联合热排水技术宜在50 ℃左右。

表  5  不同温度下的土体固结系数

Table  5.  Consolidation coefficients at different temperatures

下载: 导出CSV 

| 显示表格

4.   探讨

(1) 加热对真空预压排水固结的影响表现出较为复杂的规律。竖井地基热排水固结从常温到50 ℃时, 沉降速率随着温度的上升而增大。原因如下: 在加热温度不是很高的时候, 加热可以使土体渗透系数提高, 增大了土的固结系数。但是在60~80 ℃时, 沉降速率随着温度的上升而减小, 可能的原因如下: 当温度过高时, 塑料排水板因为溶解导致其透水性减弱, 造成淤堵, 排水板失效。

(2) 为了验证过高温度下排水板真空传递是否退化, 试验结束一天后(70 ℃和80 ℃工况)重新开启真空泵, 但不再加温, 观测孔压变化。在8 h观测中, 地基土中孔压稳定在0.2 kPa。由此推测, 排水板受高温作用后透水性减弱, 真空传递受损。

(3) 试验后把塑料排水板取出, 可粗略评估不同温度下排水板滤膜淤积情况。70 ℃和80 ℃相比与其它组别淤积现象相对明显。

5.   结论

(1) 当加热温度不是很高时, 加热可以提高土体渗透系数, 增强真空预压排水固结效果; 根据反演分析, 加热40 ℃、50 ℃、60 ℃后软土的固结系数相比于常温下土体固结系数分别提高了30%、35%和5%。

(2) 当温度较高时, 加热可导致塑料排水板材料发生变化, 塑料排水板透水性能因加热而减小, 阻碍了真空度向地基深处传递; 过高的加热温度对真空预压排水固结起反作用。

(3) 本次有限的研究成果表明: 真空预压联合加热的方法存在适宜温度; 从经济性(能耗)和处置效果出发, 真空预压联合热排水技术的最优加热温度在40~50 ℃范围。

(4) 从可操作性和节能环保出发, 建议实际工程当中采用太阳能进行加热。具体的施工工艺及优化有待开展进一步细致研究。