淤泥土中筒型基础负压电渗加固试验研究

乐 丛 欢， 丁 红 岩， 张 浦 阳

(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；3.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；4.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

0 引 言

筒型基础作为一种新型的海洋基础型式具有承载力高、土质适用性广、施工费用低、可海上快速安装及可重复利用等优点[1－2]，目前已推广应用到海洋平台[3]及海上风机基础[4－5]等多个领域.我国近海海域70%以上是软黏土和粉砂等不良地基，承载力较低、稳定性差.以近海风场中经常遇到的海相淤泥土地基为例，其具有高压缩性、高含水率的特点，而且表层土体强度很小，几乎为零，如果采用传统基础型式(如桩基或重力式基础)不但基础成本大大提高，而且施工难度也相应加大.相比于传统基础型式，筒型基础在不良地基中更具有优势.要保证筒型基础在不良地基下具有良好的承载能力，必须寻找一种合理有效的地基处理方式，对筒型基础内部土体进行加固处理，以满足承载要求.

负压加固法利用抽真空引起的气压差对加固区域内的土体施加压载，从而产生超孔隙水压力[6－8]，伴随着孔隙水的流出，超孔隙水压力慢慢消散直至完全消失，土体有效应力逐步增大、体积压缩、强度提高，实现土体固结.电渗法则是一种利用电能对地基进行加固的地基处理方法.在直流电的作用下，吸附着极性水分子的正离子，在电场作用下移向阴极[9－10]，及时将汇集到阴极的水排出，从而使土体排水固结.本文通过对两组不同筒径的筒型基础模型采用真空负压及负压电渗的两种加固方法对筒内淤泥土进行加固试验，依据试验结果分析对比这两种加固方法的效果，并进一步对试验中通电时间的控制及减小电能损耗方面等的问题进行相关分析.

1 试验设计

使用两种不同筒径的模型(模型1:直径600 mm，高200mm；模型2:直径300mm，高200 mm)，分别在淤泥土中进行真空电渗加固试验.筒壁材质为钢，筒顶盖为有机玻璃.顶盖上开两个口，分别与潜水泵和压力表相连.模型顶盖下铺一层土工布，用钢丝网固定，以防止淤泥吸入潜水泵中.有机玻璃顶盖与钢筒通过一圈螺栓相连，中间放置密封橡胶条，保证筒体的气密性.本试验所用淤泥土取自天津市滨海新区海边，为高含水率、高黏粒含量、低渗透性土.其物理性质指标为塑限25.7%、液限38.8%、含水率62.8%.

试验在自制的装满淤泥土的土箱中进行，土箱中的淤泥土在试验前经过一周的加水养护.试验装置如图1和2所示.负压加固法通过开启与抽水管相连的潜水泵进行抽水，使筒型基础模型内外存在压差，内外压差将引起筒内土体的附加应力，从而产生超孔隙水压力，同时压差的存在使得筒内土体受到由下至上的渗流作用，潜水泵不断地将渗流出的孔隙水抽出.伴随着孔隙水的流出，超孔隙水压力慢慢消散直至完全消失，土体有效应力逐步增大、体积压缩、强度提高，实现土体固结.

图1 电渗负压加固试验装置Fig.1 Arrangement of instrumentation in the vacuum electro－osmotic reinforcing experiments

图2 试验装置Fig.2 Instrumentation of the experiments

负压电渗法是在负压加固法的基础上联合电渗法对地基土进行加固，以筒型基础钢质筒壁作为阳极，以筒中心插入的外包土工布的钢筋作为阴极，电极排布方式如图3所示.在直流电的作用下，吸附着极性水分子的正离子，在电场作用下移向阴极，阴极附近的潜水泵不断地将汇集于阴极处的水抽出，电渗的作用促使渗流的孔隙水集中汇集到潜水泵从而加快土体排水固结.试验中应持续记录电源电流的变化及压力表读数的变化，并通过百分表测量筒型基础顶面沉降量.试验结束之后，对加固后土体进行轻型动力触探试验，确定加固效果.共进行4组试验(表1).电渗采用稳压控制方式(电压2V).

图3 电渗试验中电极排布方式Fig.3 Layout of the electrode in electro－osmotic test

表1 试验组合Tab.1 List of the experiments

2 试验结果及分析

2.1 不同加固方式下筒径对加固效果的影响

图4(a)和(b)分别给出了第1组(筒径300 mm)和第2组(筒径600mm)试验组合负压加固前后效果对比，从图中可知负压作用下的固结效果是比较明显的.试验中，在负压的作用下，筒基下部土体内孔隙水排出，土体体积缩小，筒基和土体整体下沉.因此土体固结排水量可近似为基础沉降量与筒体截面积的乘积，筒内土体的固结程度可以通过测量筒顶沉降量d来评估.图5给出第1组和第2组试验筒顶沉降值的变化过程.从图5可以看出，当仅采用负压加固法对筒内土体进行处理时，筒径的变化对最终的加固效果影响不大，即筒径的变化对土体的含水率或固结度影响很小.

图4 第1组和第2组筒型基础负压加固前后效果Fig.4 Soil in the bucket foundation of test 1and test 2 before and after the reinforcement by vacuum

图5 第1组和第2组试验筒顶沉降与时间关系曲线Fig.5 Settlement－time curve of the lid in test 1 and test 2

图6 第3组和第4组筒型基础负压电渗法加固前后效果Fig.6 Soil in the bucket foundation of test 3and test 4before and after the reinforcement by vacuum electro－osmosis

图6 (a)和(b)显示了第3组和第4组试验组合负压电渗法加固处理前后效果对比.从图中可看出负压电渗法作用下的固结效果比较明显.图7给出了第3组和第4组试验筒顶沉降值的变化过程.从图可看到，与单一的负压加固试验结果不同的是在负压电渗试验中，筒径对于电渗试验效果有一定的影响.试验数据显示，在负压电渗联合作用下筒径从300mm增大到600mm，沉降量增大了12%左右，意味着固结度增大了12%左右.本质上讲，筒径变化导致正负两极之间土体内的电势变化，从而引起等效电场的变化，计算理论上表现为在半对数坐标上电势与筒基半径的Esrig理论直线斜率的变化[11]，在第1组和第2组试验中，因为没有电场，仅有负压向上的“抽吸”作用，不涉及土体内部电势等的变化，所以筒径变化对最终的固结效果基本没有影响.这也与前两组试验综合分析得到的结果相一致.

图7 第3组和第4组试验筒顶沉降与时间关系曲线Fig.7 Settlement－time curve of the lid in test 3 and test 4

对比图5和图7可知，相比于单一的负压加固法，负压电渗加固法对筒型基础的加固效果更为有效，筒径越大电渗的作用效果越明显，电渗对土体固结的贡献越大.以本模型为例，采用负压电渗加固法加固800min后相比于单一的负压加固，筒径为300mm的基础模型固结沉降仅提高了1.5%左右，筒径为600mm的基础模型固结沉降提高了11%左右.

2.2 电渗时间控制

从4组试验数据来看，土体排水速率随着电渗的进行逐渐减小，特别在试验后期，电渗的效果已经不太明显，这时，继续通电已经变得非常不经济.为了有效控制通电时间，减小电能损耗，需要研究其电能损耗.这里引入能耗系数C的概念[12]，即在电渗后期每排出1mL水所要消耗的电能.能耗系数C的计算公式为

式中:T为电渗总时间；It、Vt分别为t时刻土体中的电流和累积排出的水量；U为电源的输出电压；Vt为排出的总水量.

图8为试验中实测的电流随时间变化曲线，将各变量代入式(1)求得的最终电渗能耗系数和通电时间关系曲线如图9所示.从能耗系数变化可以看到，筒径300mm和600mm的筒型基础能耗均在电渗700min左右突然急剧增大，700 min后电渗所消耗能量占到整个电渗过程的70%～80%.而从筒顶沉降方面看，后期电渗效率已经大大下降，排水速率大大减小.可见700min之后的通电已经很不经济.因此电渗的加固效用是有限的，存在一个有效时间点(在本试验中是700 min左右)，该时间点的能耗系数发生突变，超过该时间点后的电渗加固效率低.将通电时间控制在有效时间点附近，可以在有限的时间内取得良好的地基处理效果，减少了能量损耗，降低了加固成本.

图8 试验过程中电流随时间变化关系Fig.8 Time history of electric current in the tests

图9 试验过程中筒型基础能耗系数随时间变化Fig.9 Time histories of energy dissipation coefficient of bucket foundation in the tests

3 结 论

(1)负压法和负压电渗法均能有效地提高筒内土体的强度.筒型基础施工下沉通常是采用负压贯入的方式，因此用负压法对土体进行加固有着先天的优势，考虑到淤泥土的低渗透性，对淤泥土负压加固所需时间较长.负压电渗加固法对淤泥土的处理速度略大于负压法.电渗作用能促进筒下土体孔隙水的排出，加快土体固结.相比于单一的负压加固法，负压电渗法对筒型基础的加固效果更为有效.

(2)在筒型基础对于淤泥质地基处理过程中，仅采用负压加固，筒型基础筒径的变化，对于土体固结效果基本上没有影响.当采用负压电渗法时，筒径的变化对土体固结效果影响较大，筒径越大，电渗作用效果越明显.当筒径较小时，电渗作用效果不明显，土体的固结主要是由负压贡献的，电渗仅起到辅助的作用.随着筒径的增大，电渗对土体固结的贡献增大，对于大筒径的筒型基础，负压电渗加固法要优于单一的负压加固法.

(3)在对筒型基础内土体进行负压电渗处理过程中，存在一个有效时间点，在该点能耗系数发生突变，将通电时间控制在有效时间点附近，可以在有限的时间内取得良好的地基处理效果，减少能量损耗.

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