淤泥土中筒型基礎負壓電滲加固試驗研究

樂 叢 歡， 丁 紅 巖， 張 浦 陽

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；3.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；4.天津大學 濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

0 引 言

筒型基礎作為一種新型的海洋基礎型式具有承載力高、土質適用性廣、施工費用低、可海上快速安裝及可重復利用等優點[1－2]，目前已推廣應用到海洋平臺[3]及海上風機基礎[4－5]等多個領域.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、穩定性差.以近海風場中經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，而且表層土體強度很小，幾乎為零，如果采用傳統基礎型式(如樁基或重力式基礎)不但基礎成本大大提高，而且施工難度也相應加大.相比于傳統基礎型式，筒型基礎在不良地基中更具有優勢.要保證筒型基礎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，對筒型基礎內部土體進行加固處理，以滿足承載要求.

負壓加固法利用抽真空引起的氣壓差對加固區域內的土體施加壓載，從而產生超孔隙水壓力[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，土體有效應力逐步增大、體積壓縮、強度提高，實現土體固結.電滲法則是一種利用電能對地基進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]，及時將匯集到陰極的水排出，從而使土體排水固結.本文通過對兩組不同筒徑的筒型基礎模型采用真空負壓及負壓電滲的兩種加固方法對筒內淤泥土進行加固試驗，依據試驗結果分析對比這兩種加固方法的效果，并進一步對試驗中通電時間的控制及減小電能損耗方面等的問題進行相關分析.

1 試驗設計

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)，分別在淤泥土中進行真空電滲加固試驗.筒壁材質為鋼，筒頂蓋為有機玻璃.頂蓋上開兩個口，分別與潛水泵和壓力表相連.模型頂蓋下鋪一層土工布，用鋼絲網固定，以防止淤泥吸入潛水泵中.有機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.本試驗所用淤泥土取自天津市濱海新區海邊，為高含水率、高黏粒含量、低滲透性土.其物理性質指標為塑限25.7%、液限38.8%、含水率62.8%.

試驗在自制的裝滿淤泥土的土箱中進行，土箱中的淤泥土在試驗前經過一周的加水養護.試驗裝置如圖1和2所示.負壓加固法通過開啟與抽水管相連的潛水泵進行抽水，使筒型基礎模型內外存在壓差，內外壓差將引起筒內土體的附加應力，從而產生超孔隙水壓力，同時壓差的存在使得筒內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，土體有效應力逐步增大、體積壓縮、強度提高，實現土體固結.

圖1 電滲負壓加固試驗裝置Fig.1 Arrangement of instrumentation in the vacuum electro－osmotic reinforcing experiments

圖2 試驗裝置Fig.2 Instrumentation of the experiments

負壓電滲法是在負壓加固法的基礎上聯合電滲法對地基土進行加固，以筒型基礎鋼質筒壁作為陽極，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，電滲的作用促使滲流的孔隙水集中匯集到潛水泵從而加快土體排水固結.試驗中應持續記錄電源電流的變化及壓力表讀數的變化，并通過百分表測量筒型基礎頂面沉降量.試驗結束之后，對加固后土體進行輕型動力觸探試驗，確定加固效果.共進行4組試驗(表1).電滲采用穩壓控制方式(電壓2V).

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

表1 試驗組合Tab.1 List of the experiments

2 試驗結果及分析

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)試驗組合負壓加固前后效果對比，從圖中可知負壓作用下的固結效果是比較明顯的.試驗中，在負壓的作用下，筒基下部土體內孔隙水排出，土體體積縮小，筒基和土體整體下沉.因此土體固結排水量可近似為基礎沉降量與筒體截面積的乘積，筒內土體的固結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組試驗筒頂沉降值的變化過程.從圖5可以看出，當僅采用負壓加固法對筒內土體進行處理時，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度影響很小.

圖4 第1組和第2組筒型基礎負壓加固前后效果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組試驗筒頂沉降與時間關系曲線Fig.5 Settlement－time curve of the lid in test 1 and test 2

圖6 第3組和第4組筒型基礎負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組試驗組合負壓電滲法加固處理前后效果對比.從圖中可看出負壓電滲法作用下的固結效果比較明顯.圖7給出了第3組和第4組試驗筒頂沉降值的變化過程.從圖可看到，與單一的負壓加固試驗結果不同的是在負壓電滲試驗中，筒徑對于電滲試驗效果有一定的影響.試驗數據顯示，在負壓電滲聯合作用下筒徑從300mm增大到600mm，沉降量增大了12%左右，意味著固結度增大了12%左右.本質上講，筒徑變化導致正負兩極之間土體內的電勢變化，從而引起等效電場的變化，計算理論上表現為在半對數坐標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組試驗中，因為沒有電場，僅有負壓向上的“抽吸”作用，不涉及土體內部電勢等的變化，所以筒徑變化對最終的固結效果基本沒有影響.這也與前兩組試驗綜合分析得到的結果相一致.

圖7 第3組和第4組試驗筒頂沉降與時間關系曲線Fig.7 Settlement－time curve of the lid in test 3 and test 4

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

2.2 電滲時間控制

從4組試驗數據來看，土體排水速率隨著電滲的進行逐漸減小，特別在試驗后期，電滲的效果已經不太明顯，這時，繼續通電已經變得非常不經濟.為了有效控制通電時間，減小電能損耗，需要研究其電能損耗.這里引入能耗系數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C的計算公式為

式中:T為電滲總時間；It、Vt分別為t時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為試驗中實測的電流隨時間變化曲線，將各變量代入式(1)求得的最終電滲能耗系數和通電時間關系曲線如圖9所示.從能耗系數變化可以看到，筒徑300mm和600mm的筒型基礎能耗均在電滲700min左右突然急劇增大，700 min后電滲所消耗能量占到整個電滲過程的70%～80%.而從筒頂沉降方面看，后期電滲效率已經大大下降，排水速率大大減小.可見700min之后的通電已經很不經濟.因此電滲的加固效用是有限的，存在一個有效時間點(在本試驗中是700 min左右)，該時間點的能耗系數發生突變，超過該時間點后的電滲加固效率低.將通電時間控制在有效時間點附近，可以在有限的時間內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 試驗過程中電流隨時間變化關系Fig.8 Time history of electric current in the tests

圖9 試驗過程中筒型基礎能耗系數隨時間變化Fig.9 Time histories of energy dissipation coefficient of bucket foundation in the tests

3 結 論

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

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

(3)在對筒型基礎內土體進行負壓電滲處理過程中，存在一個有效時間點，在該點能耗系數發生突變，將通電時間控制在有效時間點附近，可以在有限的時間內取得良好的地基處理效果，減少能量損耗.

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