CN113106960B - 一种堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，首先测量出泥炭土层的初始温度，然后通过对泥炭土地基堆载预压使土体产生沉降，待沉降稳定后保持上部预压荷载不变再对泥炭土层进行升温，升温使土体产生沉降，再次待沉降稳定后再升温，依次重复直至温度达到60℃，保持上部堆载不变，进行降温，待沉降稳定后再次降温，依次重复直至土体的温度达到初始测量温度，测量出土体的沉降量，再增加堆载的量，重复上述循环作业，直至土体的沉降量趋于稳定；本发明加快了泥炭土的蠕变速率，缩短了工期；本发明减小了蠕变产生的工后沉降，增大土体的最终沉降，增强泥炭土地基的承载力。
Description
技术领域
本发明涉及一种堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，属于岩土工程软弱土地基处理技术领域。
背景技术
泥炭土在全世界分布广泛，具有有机质含量高、承载力低、压缩性高、含水率大、渗透性差的特点，是一种工程性质极差的特殊软土。随着现代商业的开发不得不面对这种工程性质极差的土体，现代工程中有很大一部分工程失事是由于泥炭土的蠕变造成的，在工程完结时泥炭土的主固结基本完成，但其蠕变还未开始。随着时间的推移在长期荷载作用下由于蠕变产生的工后沉降问题显著，导致泥炭土地基失稳，工程事故频发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，加快泥炭土蠕变的速率，减小工后由于蠕变产生的沉降，增加土体的最终沉降量，缩短土体固结排水需要的时间，本发明提高了泥炭土地基的承载能力，具有重要的工程意义。
本发明的技术方案如下：首先测量出泥炭土层的初始温度，然后通过对泥炭土地基堆载预压使土体产生沉降，待沉降稳定后保持上部预压荷载不变再对泥炭土层进行升温，升温使土体产生沉降，再次待沉降稳定后再升温，依次重复直至温度达到60℃，保持上部堆载不变，进行降温，待沉降稳定后再次降温，依次重复直至土体的温度达到初始测量温度，测量出土体的沉降量，再增加堆载的量，重复上述循环作业，直至土体的沉降量趋于稳定。
一种堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，具体步骤如下：
（1）施工前，首先对泥炭土层的初始温度进行测量，为后期施工提供温度参数；
（2）利用勘察钻孔将具备可调温、可保温功能的控温装置、以及温度、孔压的监测设备一同放置于泥炭土层内，温度、孔压的监测设备便于实时监测泥炭土温度、孔压的变化；
（3）在泥炭土地基中插入竖向排水的塑料排水板，并在地基表面铺设一层厚5~15cm的水平排水砂垫层，改善土体排水固结的效果；
（4）水平排水砂垫层铺设完成后安装位移监测设备，并对泥炭土地基进行堆载预压；
（5）当位移监测设备监测到泥炭土层沉降稳定后，保持上部堆载不变，打开控温装置，对泥炭土层进行升温，升高后的温度应比步骤（1）所测温度高8~12℃；
（6）随着温度升高泥炭土体的沉降再次稳定后，保持上部堆载不变，再利用控温装置进行升温，此时的温度应比步骤（5）升高后的温度再高8~12℃；
（7）重复步骤（5）~步骤（6）直至泥炭土体的温度达到60℃且沉降稳定，在上部荷载不变的情况下，泥炭土会产生蠕变，蠕变所产生的沉降占总沉降的很大一部分，随着泥炭土土体的温度升高土中水的温度也随之升高，水的粘滞系数降低、土体渗透性增强、固结排水的速率加快；由于泥炭土中含有大量有机质，温度升高有机质的黏度降低土体的流变性能增加，温度对土中的水以及有机质产生影响加快泥炭土蠕变的速率，使得土体沉降的速率也相应增快；随着泥炭土土体温度的升高最终沉降量也有所增加，减少了土体固结所需时间，提高了地基的承载能力，减少了工后由于蠕变产生的变形；
（8）温度达到60℃且沉降稳定后，继续保持上部堆载不变，然后对泥炭土体进行降温处理，降温至50℃；
（9）待温度降至50℃且泥炭土体沉降稳定后，将温度降至40℃，并待土体沉降稳定后再次将温度降至30℃；
（10）重复步骤（8）~（9），直至土体的温度达到步骤（1）的初始测量温度，然后测量出土体的沉降量；
（11）增加堆载的量，重复步骤（1）~（10）进行循环作业，直至土体的沉降量趋于稳定，随着温度的循环土体的沉降量增加缓慢，土体趋于更加稳定。具体循环次数可根据具体需求确定。
所述控温装置的温控调节范围为10~90℃，控温装置升高的最高温度在60℃以下；所述控温装置按等间距d布置在泥炭土层中。
所述间距d由控温装置的热响应半径R确定，间距d/2比热响半径R小，即d/2<R，以减弱由于受热不均匀产生的不均匀沉降，热响半径R的取值如表1所示：
表1热响应半径取值范围
| 有机质含量<i>w</i><sub>u</sub>/% | 热扩散系数<i>α</i>/m<sup>2</sup>/s | 热响应半径R/m |
| 100 | 0.2*10<sup>-6</sup> | 3.7 |
| 80 | 0.3*10<sup>-6</sup> | 4.5 |
| 60 | 0.4*10<sup>-6</sup> | 5.1 |
| 40 | 0.5*10<sup>-6</sup> | 5.7 |
| 20 | 0.6*10<sup>-6</sup> | 6.2 |
控温装置的长度为D，泥炭土层的厚度为h，且D≥h，以减弱由于温度传递不均匀带来的部分土体受热不均而产生的地基不均匀沉降。
所述控温装置为电热棒或水循环系统。
所述温度、孔压的监测设备为温度-孔压一体式孔隙水压力计，可同时监测温度和孔压的变化，达到实时反馈泥炭土地基在升温固结进程中温度和孔压变化数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明加快了泥炭土的蠕变速率，缩短了工期。
（2）本发明减小了蠕变产生的工后沉降，增大土体的最终沉降，增强泥炭土地基的承载力。
附图说明
图1为本发明的施工结构示意图；
图2为不同土体塑性指数与热致体积变化之间关系图；
图3为升温装置布置示意图；
图4为阶梯升温-降温泥炭土沉降变化曲线图；
图中各标号：1-为堆载、2-为砂垫层、3-为升温装置、4-为勘察孔、5-为泥炭土层、6-孔压、温度监测设备、7-为塑料排水板、8-为位移监测设备。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，本实施例提供一种堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，首先测量出泥炭土层5的初始温度，然后通过对泥炭土地基堆载1预压使土体产生沉降，待沉降稳定后保持上部预压荷载不变再对泥炭土层5进行升温，升温使土体产生沉降，再次待沉降稳定后再升温，依次重复直至温度达到60℃，保持上部堆载1不变，进行降温，待沉降稳定后再次降温，依次重复直至土体的温度达到初始测量温度，测量出土体的沉降量，再增加堆载1量，重复上述循环作业，直至土体的沉降量趋于稳定。
参见附图2，与国内外不同土体的热致体积变化进行对比分析，泥炭土的热致体积变化较其他土体的大，说明温度作用对泥炭土固结效果较其他土体好，因此使用堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法对加快泥炭土蠕变速率，减小泥炭土地基工后沉降，缩短工期具有重要的工程实践意义。
实施例2：一种堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，具体步骤如下：
步骤一：施工前，首先对泥炭土层5的温度进行测量，初始温度为12℃为后续施工提供基础温度参数；
步骤二：利用勘察钻孔4将具备可调温、保温功能的水循环系统、以及温度-孔压一体式孔隙水压力计放置于不同深度的泥炭土层5内，便于实时监测泥炭土层温度、孔压的变化；
步骤三：在泥炭土地基中插入竖向排水的塑料排水板7，并在地基表面铺设一层厚5cm的水平排水砂垫层2，增强土体排水固结的效果；
步骤四：水平排水砂垫层2铺设完成后安装位移监测设备8，并对泥炭土地基进行堆载1预压，堆载量应不小于与泥炭土的先期固结压力；
步骤五：当位移监测设备8监测到泥炭土层5沉降稳定后，保持上部堆载1不变，打开水循环系统，对泥炭土层5进行升温至20℃，升高后的温度应比步骤1所测温度高8℃；
步骤六：随着温度升高泥炭土体的沉降再次稳定后，保持上部堆载1不变，再利用水循环系统进行升温至28℃，此时的温度应比步骤五升高后的温度再高8℃；
步骤七：重复步骤五~步骤六直至泥炭土体的温度达到60℃且沉降稳定。在上部荷载不变的情况下，随着泥炭土土层温度的升高土，中水的温度也随之升高，水的粘滞系数降低、土体渗透性增强、固结排水的速率加快、泥炭土蠕变速率增加；由于泥炭土中含有大量有机质，温度升高有机质的黏度降低土体的流变性能增加，温度对土中水以及有机质产生影响同样加快泥炭土蠕变的速率，使得土体沉降的速率也相应增快；由于蠕变所产生的沉降占总沉降的很大一部分，随着泥炭土土体温度的升高最终沉降量也有所增加，减少了土体固结所需时间，提高了地基的承载能力，减少了工后由于蠕变产生的变形；
步骤八：温度达到60℃且沉降稳定后，继续保持上部堆载1不变，然后对泥炭土体进行降温处理，降温至50℃；
步骤九：待温度降至50℃且泥炭土体沉降稳定后，将温度降至40℃，并待土体沉降稳定后再次将温度降至30℃；
（12）步骤十：重复步骤八~九，降温至土体的温度达到步骤一所测的初始温度12℃时，再测量出土体的沉降量；
步骤十一：增加堆载1量，重复步骤一~十进行循环作业，直至土体的沉降量趋于稳定，随着温度的循环土体的沉降量增加缓慢，土体趋于更加稳定。
在上述技术方案中，水循环系统的温控调节范围为10~90℃，水循环系统升高的最高温度在60℃以下；如图3所示，所述水循环系统按等间距d布置在泥炭土层5中。
在上述技术方案中，间距d由水循环系统的热响应半径R确定，间距d/2比热响半径R小，即d/2<R，以减弱由于受热不均匀产生的不均匀沉降，热响半径R的取值范围如表1所示，当泥炭土有机质含量为26%时，水循环系统间距d为11.4~12.4m较为适宜。
表1热响应半径取值范围
| 有机质含量<i>w</i><sub>u</sub>/% | 热扩散系数<i>α</i>/m<sup>2</sup>/s | 热响应半径R/m |
| 100 | 0.2*10<sup>-6</sup> | 3.7 |
| 80 | 0.3*10<sup>-6</sup> | 4.5 |
| 60 | 0.4*10<sup>-6</sup> | 5.1 |
| 40 | 0.5*10<sup>-6</sup> | 5.7 |
| 20 | 0.6*10<sup>-6</sup> | 6.2 |
在上述技术方案中，水循环系统的长度为D，泥炭土层5的厚度为h，且D≥h，以减弱由于温度传递的不均匀造成部分土体因受热不均而产生的地基不均匀沉降。
在上述技术方案中，泥炭土地基固结度达90%时，进行卸载，并对水循环系统进行回收利用。
实施例3：一种堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，具体步骤如下：
施工前，首先对泥炭土层5的温度进行测量，初始温度为24℃为后续施工提供基础温度参数；利用勘察钻孔4将具备可调温、保温功能的电热棒以及温度-孔压一体式孔隙水压力计放置于不同深度的泥炭土层5内，便于实时监测泥炭土层温度、孔压的变化；在泥炭土地基中插入竖向排水的塑料排水板7，并在地基表面铺设一层厚15cm的水平排水砂垫层2，增强土体排水固结的效果；水平排水砂垫层2铺设完成后安装位移监测设备8，并对泥炭土地基进行堆载1预压，堆载量应不小于与泥炭土的先期固结压力；
参见附图4，通过室内一维热固结试验对两组土样在室温（24℃）和100kPa的竖向压力下进行固结，待沉降稳定后持续固结至48h。在竖向压力保持为100kPa的情况下，升高试样温度至36℃，待试样沉降稳定后持续固结48h，再次升高温度至48℃，60℃每个温度持续的时间为24h。待温度升高至60℃且固结时间为24h后进行降温处理，降温过程以10℃为梯度进行降温直至达到初始温度24℃，沉降稳定后停止试验。由附图4可以明显的看出，随着温度的升高，泥炭土试样蠕变的速率显著增快；升温不仅能加快土体沉降，还可以减少泥炭土土体固结所需时间。
在上述技术方案中，间距d由电热棒的热响应半径R确定，间距d/2比热响半径R小，即d/2<R，以减弱由于受热不均匀产生的不均匀沉降，热响半径R的取值范围如表1所示，当泥炭土有机质含量为43%时，控温装置间距d为10.2~11.4m较为适宜。
表1热响应半径取值范围
| 有机质含量<i>w</i><sub>u</sub>/% | 热扩散系数<i>α</i>/m<sup>2</sup>/s | 热响应半径R/m |
| 100 | 0.2*10<sup>-6</sup> | 3.7 |
| 80 | 0.3*10<sup>-6</sup> | 4.5 |
| 60 | 0.4*10<sup>-6</sup> | 5.1 |
| 40 | 0.5*10<sup>-6</sup> | 5.7 |
| 20 | 0.6*10<sup>-6</sup> | 6.2 |
实施例4：步骤一：施工前，首先对泥炭土层5的温度进行测量，初始温度为20℃为后续施工提供基础温度参数；
步骤二：利用勘察钻孔4将具备可调温、保温功能的水循环系统、以及温度-孔压一体式孔隙水压力计放置于不同深度的泥炭土层5内，便于实时监测泥炭土层温度、孔压的变化；
步骤三：在泥炭土地基中插入竖向排水的塑料排水板7，并在地基表面铺设一层厚10cm的水平排水砂垫层2，增强土体排水固结的效果；
步骤四：水平排水砂垫层2铺设完成后安装位移监测设备8，并对泥炭土地基进行堆载1预压，堆载量应不小于与泥炭土的先期固结压力；
步骤五：当位移监测设备8监测到泥炭土层5沉降稳定后，保持上部堆载1不变，打开水循环系统，对泥炭土层5进行升温至30℃，升高后的温度应比步骤1所测温度高10℃；
步骤六：随着温度升高泥炭土体的沉降再次稳定后，保持上部堆载1不变，再利用水循环系统进行升温至40℃，此时的温度应比步骤五升高后的温度再高10℃；
步骤七：重复步骤五~步骤六直至泥炭土体的温度达到60℃且沉降稳定。在上部荷载不变的情况下，随着泥炭土土层温度的升高土，中水的温度也随之升高，水的粘滞系数降低、土体渗透性增强、固结排水的速率加快、泥炭土蠕变速率增加；由于泥炭土中含有大量有机质，温度升高有机质的黏度降低土体的流变性能增加，温度对土中水以及有机质产生影响同样加快泥炭土蠕变的速率，使得土体沉降的速率也相应增快；由于蠕变所产生的沉降占总沉降的很大一部分，随着泥炭土土体温度的升高最终沉降量也有所增加，减少了土体固结所需时间，提高了地基的承载能力，减少了工后由于蠕变产生的变形；
步骤八：温度达到60℃且沉降稳定后，继续保持上部堆载1不变，然后对泥炭土体进行降温处理，降温至50℃；
步骤九：待温度降至50℃且泥炭土体沉降稳定后，将温度降至40℃，并待土体沉降稳定后再次将温度降至30℃；
步骤十：重复步骤八~九，降温至土体的温度达到步骤一所测的初始温度20℃时，再测量出土体的沉降量；
步骤十一：增加堆载1量，重复步骤一~十进行循环作业，直至土体的沉降量趋于稳定，随着温度的循环土体的沉降量增加缓慢，土体趋于更加稳定。
以上对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (3)
1.一种堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，其特征在于，首先测量出泥炭土层（5）的初始温度，然后通过对泥炭土地基堆载（1）预压使土体产生沉降，待沉降稳定后保持上部预压荷载不变再对泥炭土层（5）进行升温，升温使土体产生沉降，再次待沉降稳定后再升温，依次重复直至温度达到60℃，保持上部堆载（1）不变，进行降温，待沉降稳定后再次降温，依次重复直至土体的温度达到初始测量温度，测量出土体的沉降量，再增加堆载（1）的量，重复循环作业，直至土体的沉降量趋于稳定，具体步骤如下：
（1）施工前，首先对泥炭土层（5）的初始温度进行测量，为后期施工提供温度参数；
（2）利用勘察钻孔（4）将具备可调温、可保温功能的控温装置（3）、以及温度、孔压的监测设备（6）一同放置于泥炭土层（5）内；
（3）在泥炭土地基中插入竖向排水的塑料排水板（7），并在地基表面铺设一层厚5~15cm的水平排水砂垫层（2）；
（4）水平排水砂垫层（2）铺设完成后安装位移监测设备（8），并对泥炭土地基进行堆载（1）预压；
（5）当位移监测设备（8）监测到泥炭土层（5）沉降稳定后，保持上部堆载（1）不变，打开控温装置（3），对泥炭土层（5）进行升温，升高后的温度应比步骤（1）所测温度高8~12℃；
（6）随着温度升高泥炭土体的沉降再次稳定后，保持上部堆载（1）不变，再利用控温装置（3）进行升温，此时的温度应比步骤（5）升高后的温度再高8~12℃；
（7）重复步骤（5）~步骤（6）直至泥炭土体的温度达到60℃且沉降稳定；
（8）温度达到60℃且沉降稳定后，继续保持上部堆载（1）不变，然后对泥炭土体进行降温处理，降温至50℃；
（9）待温度降至50℃且泥炭土体沉降稳定后，将温度降至40℃，并待土体沉降稳定后再次将温度降至30℃；
（10）重复步骤（8）~（9），直至土体的温度达到步骤（1）的初始测量温度，然后测量出土体的沉降量；
（11）增加堆载（1）的量，重复步骤（1）~（10）进行循环作业，直至土体的沉降量趋于稳定；
控温装置（3）的温控调节范围为10~90℃，控温装置（3）升高的最高温度在60℃，所述控温装置（3）按等间距d布置在泥炭土层（5）中，所述间距d由控温装置（3）的热响应半径R确定，间距d/2比热响半径R小，即d/2<R，控温装置（3）的长度为D，泥炭土层（5）的厚度为h，且D≥h。
2.根据权利要求1所述的堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，其特征在于：所述控温装置（3）为电热棒或水循环系统。
3.根据权利要求1所述的堆载—升温联合处理泥炭土地基的方法，其特征在于：所述温度、孔压的监测设备（6）为温度-孔压一体式孔隙水压力计。
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