电渗联合真空预压法加固吹填土现场试验研究

(中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315200)

吹填土多为海底以及湖底的淤泥质黏土，其特点为含水率较高、压缩性较高、渗透性较差、黏粒含量比较高，在自重作用的影响下，吹填土所需要的固结耗时过长，排水固结法的排水效果也达不到预期，但电渗法的效果显著。电渗现象是由Reuss在19世纪早期研究黏土机理过程中发现的。Casagrande[1]的研究发现，细颗粒土在经过电渗处理后，其抗剪强度和稳定程度均显著提升，此后电渗法在软弱黏土加固工程中的使用愈加广泛。后续科研人员对电渗技术进行了大量探索研究，其在实际中的成功应用也不少见。利用电渗现象对软土进行加固，可以提高加固速率，细颗粒土和渗透性较差的土经过电渗处理后，加固效果显著，可以有效地排出土中的自由水和结合水。然而，阳极腐蚀以及界面电阻过大对电渗法的应用产生很大的干扰。若软黏土地基单独在电渗作用加固下，其功耗较大，并且会伴随土体的加固程度呈不均匀现象，极大地限制了在工程实际中的应用。胡余晨[2]等通过将电动土工合成材料(EKG)以及土工织物制作成电极，在此基础上开展了室内软土电渗试验，发现导电塑料丝作为电极材料进行加固软土时作用显著，EKG是电渗电极的优选材料。

真空预压法经过多年的发展，不仅在理论试验方面取得成果，并且在大面积工程应用中也取得良好的效果[3-6]。但因真空预压法其自身存在的问题，容易造成后期处理效率低、加固效果不明显，尤其是存在硬壳层、下部土体加固较差等问题，后期如果使用，必须进行二次处理，造成大量人力物力浪费。

房营光[7-8]等提出了一种真空预压法，这种方法的排水系统包括竖向砂井和砂垫层。他们在室内分别对碱渣土和软黏土开展了真空预压-电渗加固试验，通过试验该方法的有效性得到证实，但在大面积工程应用中还不是很多见。本文针对在实际工程中的应用，进行真空预压-电渗联合加固法的现场试验，以期对工程应用有所裨益。

1 加固机理分析

真空预压属传统排水固结法，电渗法从本质上来说也是此类方法。真空预压法由抽干空气形成的真空环境在竖向排水体中产生负压源，使土内孔隙水和孔隙气流向竖向排水体，然后由水平排水层排至土体之外。在真空预压加固过程中，始终遵循有效应力原理，由于总应力保持不变，负孔隙水应力的产生将会增加土体的有效应力。相对堆载预压来说，真空预压法所产生的真空压力是球应力，不会出现剪切应力，软基不会失稳。但真空预压法因自身局限性，仅排除了大部分自由水，导致土的强度提高有限，并且存在加固土体强度不均等问题，这也从侧面说明需要进一步探索真空预压加固新方法新工艺。

电渗法是将电极插进土中，通直流电，由于电场作用，土体中的水化阳离子就会出现由阳极向阴极的流动趋势，进而孔隙水从阴极排出。电渗进行的同时还发生一系列的电化学现象，对提高土体强度有一定作用。电渗加固法中孔隙水向阴极流动，对孔隙水形成一种吸力，等同于形成了负孔压。相对于真空预压法，电渗法的优势是不但可以排除自由水，还可以排除土体中的弱结合水。

由真空预压和电渗加固机理可以看出，两者的加固机理是不同的，同时两者联合加固机理是不冲突的，是相互补充的关系。真空预压形成负孔压，而电渗实际上形成的也是负孔压，两者相加可以形成更大的负孔隙水应力，由有效应力原理可知，这样会加速排水的进行。由真空预压联合电渗机理可知，在土体含水量高的情况下，先利用真空预压排除土体中大部分的自由水，在含水率降到一定程度后介入电渗，利用电渗排除土体中的弱结合水，充分地发挥两者的优势，有利于排出软弱黏土中的孔隙水，从而提高地基强度。

2 试验介绍

2.1 试验区概况

试验区位于浙江省苍南县龙港镇规划的江南涂区域内，原地面以下的地质情况是：ⓐ黏土层厚0.40～2.20m；ⓑ含细砂淤泥，灰色—浅灰色，流塑状，局部软塑状，中—高压缩性，层厚8.00～12.70m；ⓒ细砂，褐灰色，饱和，松散状为主，层厚3.50～13.70m；ⓓ淤泥，青灰色—灰色，流塑状，高压缩性，厚度6.80～17.50m；ⓔ黏土，灰—褐灰色，软塑—可塑状，高压缩性，揭露厚度1.00～9.60m；ⓕ粉质黏土，褐黄—褐灰色，软塑—可塑状，局部硬塑状，中—高压缩性，揭露厚度1.20～9.80m；ⓖ粉质黏土，灰色—蓝灰色，可塑状，中压缩性。

加固前吹填土室内试验物理力学性能指标见表1。

表1 加固前吹填土的主要物理力学指标

设计要求：处理后表层0～1.5m深度范围内地基承载力特征值不小于50kPa。

2.2 试验方案实施

原设计方案中采用真空预压，本次试验选择了100m2吹填土现场进行真空预压-电渗联合加固法，使地基承载力得到大幅增加。

真空预压-电渗联合加固吹填土工艺总流程见图1。

图1 真空预压-电渗联合加固吹填土工艺总流程

施工关键点： ⓐ对未经处理的吹填土进行现场取样、试验(静力触探和十字板剪切试验)；ⓑ按照软基处理正常流程进行人工搭设塑料排水板、铺设水平管网和无纺土工布；ⓒ搭设金属电极，并进行导线连接；ⓓ铺设密封膜、踩密封沟，完成真空预压工艺性施工；ⓔ埋设监测仪器：真空度表、沉降板、孔压计；ⓕ开始抽真空施工，并在适当时机对电极通电介入电渗工艺。

真空预压-电渗联合加固吹填土试验方案见图2，试验区面积为10m×10m，分成两部分，金属电极两种分布，一种为平行布置试验S1-1(左侧)，另一种为错位布置试验S1-2(右侧)。

图2 试验方案

3 监测及结果分析

3.1 真空度

图3 真空度随时间变化曲线

真空度是影响真空预压效果的一个重要因素。真空度是密封膜内外压力的一个差值，一方面真空度在排水板中往下传递，使排水板中的压力小于周围土体的压力，孔隙水就会向排水板侧流动，另一方面因真空度的作用，膜下压力小于大气压力，因此后期真空度的维护将决定最终的质量。真空度变化曲线见图3。在试验中，由于设备、密封沟等原因，真空度处在波动状态，真正的稳定期始于2015年12月1日，也是真空预压真正发挥作用的时间。为防止出现土柱现象，真空度比较低，1个月内均保持在40～50kPa，随后真空度增至超过80kPa，一直保持到2016年3月31日，中间真空度有微小波动。土体表层硬壳层的形成是由膜下真空度决定的，表层土体会伴随土体表层硬壳层的逐渐形成而变得致密，这种现象会导致膜下真空度在表层土体孔隙的传递通道遭受阻挡，从而沿着塑料排水板向深层土体传递，塑料排水板中的真空度开始随之逐步增大，这将会对深层土体排出水分造成决定性的影响。后期真空度必须保证维持在80kPa以上，因为后期排水板会出现淤堵问题，影响真空度传递。

3.2 表面沉降

在试验场区布置3个沉降板，试验1区、试验2区和对比试验区各布置1个沉降板。由图4的沉降曲线可以看出，在抽真空的前10天沉降不是最大，而出水量是比较大的。在抽真空10～90天这段时间沉降斜率比较大，然后沉降速率减慢，在最后7天沉降速率明显减小，并趋于稳定。从图4中可以看出试验1区累计沉降大于试验2区，并且这两个试验区的累计沉降都大于对比试验区。

图4 表层总沉降曲线

3.3 静力触探试验

加固之前，采用静力触探试验对吹填土进行了强度测试，吹填土强度接近于0。

由图5可知，加固后土体强度都有较大幅度的增长，S1-1静探试验的比贯入阻力大于S1-2和对比试验点，而S1-2的比贯入阻力反而小于对比试验点。在整个3m范围内S1-1的比贯入阻力在1.5m范围内比较均匀且较大，1.5～3m范围内强度虽有减小但总体好于对比试验点。根据检测数据，计算3m范围内的比贯入阻力的均值可以得到，S1-1的均值为0.27MPa，S1-2的平均值为0.16MPa，对比试验点的平均值为0.17MPa，根据《软土地区岩土工程勘察规程》(JGJ 83—2011)相关公式fak=34+0.068ps可计算地基土的承载力特征值，S1-1、S1-2和对比试验点的地基承载力分别为52.4kPa、44.9kPa、45.6kPa，S1-1的3m范围内承载力是对比试验点的1.15倍，S1-1是S1-2的1.17倍，S1-2是对比试验点的0.99倍。

图5 S1试验区加固后土体静力触探曲线

在1.5m范围内S1-1、S1-2对比试验点的比贯入阻力平均值分别为0.32MPa、0.22MPa、0.22MPa，对应的地基承载力分别为55.8kPa、49.0kPa、49.0kPa。S1-1的1.5m范围内承载力是对比试验点的1.14倍，S1-1是S1-2的1.1倍，S1-2是对比试验点的1倍。由此可知，S1-1的加固效果最好，S1-2的加固效果不理想。S1-1加固效果不仅满足1.5m深度范围要求，而且也满足3m范围内要求，加固效果较对比区均匀。试验结果也符合试验设想。

3.4 十字板剪切试验

加固之前，采用静力触探试验对吹填土进行了强度测试，吹填土强度接近于0。加固后在每个试验区和对比试验区分别选择两个试验点进行十字板剪切试验，现选择其中的一组试验点得到抗剪强度Cu随深度s的变化曲线。

由图6可以发现S1-1和S1-2的抗剪强度在3m范围内都大于对比试验点的强度。就3m范围的平均抗剪强度而言，S1-1为27.0kPa，S1-2为25.7kPa，对比试验点为14.0kPa，相应的地基承载力分别为77.5kPa、74.3kPa、45.0kPa，S1-1是S1-2的1.04倍，S1-1是对比试验点的1.72倍，S1-2是对比试验点的1.65倍。在1.5m范围的地基承载力分别为83.2kPa、82.4kPa、56.4kPa，S1-1是S1-2的1.01倍，S1-1是对比试验点的1.47倍，S1-2是对比试验点的1.46倍。由以上对比分析，真空预压联合电渗对加固深层土体有较好的效果，能看出S1-1的效果要好于S1-2，符合试验设计。

图6 S1试验区抗剪强度随深度变化曲线

3.5 载荷板试验结果

试验结束后，在现场进行了载荷板试验，载荷板为正方形平板，面积为0.56m2，按照《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)和浙江省标准《建筑地基基础设计规范》(DB33/T 1136—2017)中有关规定取值，对比试验点的地基土承载力特征值为42kPa，S1-1试验区的地基土承载力特征值为57kPa，S1-2为59kPa，可见真空预压电渗法加固效果明显。

3.6 土工试验结果分析

为了对试验区的加固效果作进一步检验，更好地评判地基承载力，在试验场区选两个点取土进行室内土工试验，取样深度为2m，试验得到的数据列于表2和表3。对比加固前后物理力学指标可见，吹填土含水率有较大的降低，各指标也有了明显的改善。

表2 S1-1试验区加固后土体物理力学性质指标

表3 S1-2试验区加固后土体物理力学性质指标

4 结 论

a.通过试验前后对比能够得出，真空预压-电渗联合加固法取得了良好的效果，不仅地基承载力超过了预期效果，而且相对于单纯的真空预压法缩短了工期。

b.结合试验结果来看，建议前期采用真空预压法将土中绝大部分自由水排出，当含水率降到一定程度后介入电渗，在电渗过程中采取间歇通电和电极反转等措施，可以充分发挥两者的作用。