外荷載和電壓耦合作用下吹填土固結試驗研究★

唐曉明 柯 航 廖學海

(溫州大學建筑與土木工程學院，浙江溫州 325035)

0 引言

目前，在工程施工中，通常使用的地基處理方法有堆載預壓法、真空預壓法、強夯法、井點排水法以及低能量壓密法等。使用這些方法處理對砂土、粉土的處理效果比較理想，但是采用上述方法對沉降、強度要求較高并且低滲透性、高含水性的軟粘土、吹填土地基以及軟粘土邊坡時，往往存在處理費用昂貴、工期漫長、效率低并且處理效果不甚理想等問題。

電滲是指在電場作用下孔隙流體運動的現象。植入電極并施加直流電場后，土體中將產生電滲流，通過排水提高土體強度，同時發生電化學反應進一步改良土的工程性質。電滲加固對土顆粒大小并不敏感，比較適合對細顆粒土進行加固。將電滲固結和傳統的固結方法聯合運用，利用它們在排水固結過程相互耦合作用，能夠取長補短，進一步提高固結效率。使用該方法不僅降低工程成本，縮短工期，而且對于軟土地基的處理加固效果顯著。

本文通過外荷載與電壓的耦合作用，根據耦合作用時吹填土含水量變化情況，研究耦合作用下對吹填土排水速率的影響，對吹填土的排水固結效果進行了分析。

1 電滲固結理論、數值分析研究

電滲是在電場作用下液體相對于和它接觸的固定的固體相做相對運動的現象。目前雙電層模型已經廣泛應用于解釋土中的滲流機理。電滲流與水利滲流的出流模型類似，電滲流速也可以表示為與水力滲流的達西定律類似的形式:

水力滲透系數kh與土體顆粒粒徑有關，其滲透系數從砂土的10－4m/s變化到粘土的10－9m/s甚至更小。當土的水力滲透系數kh＜10－9m/s時，采用傳統的排水固結技術對地基處理會變得困難。而土體的電滲透系數ke受土體顆粒粒徑影響很小，不同類型粉細砂和粘土的電滲系數一般在10－9m2/(V·s)～10－8m2/(V·s)的較窄范圍內，在外加電場作用下均能夠產生電滲流，從而高含水量、低滲透性的土體可以通過電滲作用高效、快速排水固結。Esrig通過假設電勢差和水頭差引起的水流可以疊加，提出了一維電滲固結理論描述孔隙水壓力的變化和飽和土體的固結過程:

該理論假設土體物理學和電學性質均不隨時間改變，電場電勢線性分布，因此上述方程與太沙基固結方程形式相同，不需要求解電場問題。Wan和Mitchell在Esrig理論的基礎上提出了堆載和電滲固結耦合應用的理論模型，并證明了電極轉換的有效性。

2 實驗設備

本試驗采用的設備是由歐美大地儀器設備中國有限公司制造的GDS電滲荷載耦合試驗裝置。GDS型土樣壓力室的尺寸為76.2mm，高度為28mm，其寬高比符合形成一維均勻電場的要求。頂部橡膠袋充水加壓，以模擬試樣的加載固結。反壓施加在壓力室的頂部排水處，可以模擬水力梯度。底部排水用帶有壓力傳感器的水龍頭提供。電極采用導電性能優良的多孔不銹鋼板，既可以形成均勻電場又能將水及時排出，底部和頂部可以收集試驗產生的排水量并進行測量和分析。同時，頂管可以和試樣一起垂直移動，可以把上部底座的體積變化用來計算軸向應變并自動采集數據，以測量試驗中的固結變形。該試驗裝置具有如下功能和技術特點:

1)能勝任電滲透系數測量;

2)具有固結儀的一般功能，能垂直加載，勝任固結試驗;

3)電滲方向、排水方向、土體變形方向一致能在土體中形成均勻一維電場;

4)具有雙面排水功能，并能靈活控制排水條件;

5)能對電滲排水進行準確地收集;

6)能監測加固中土體表層位移。

3 試驗土樣

試驗土樣選用溫州民科基地圍海造地吹填土，以流泥、淤泥為主，是一種含水率高，粘粒含量高，滲透性低的海相土，其主要物理指標如表1所示。土樣在進行試驗前經烘干、磨細、篩分等制備過程，之后加自來水調配成不同含水量的土樣。

表1 土樣的物理參數

4 試驗過程

設計A，B兩組試驗方案，每組的實驗方案中含3種不同含水量的土樣，分別為40%，50%，60%。A組僅在外荷載作用下進行固結實驗，設定儀器自動加載方式為:初始加載12.5kPa，每12h加載一次，分別為50kPa，100kPa，200kPa，400kPa，同時由儀器自動采集土樣變形數據。B組為外荷載與電壓耦合作用下的固結，采用的電極為銅板，土樣上部為陽極，下部為陰極，電壓為2.5V，5.0 V，7.5V 直流電，并持續通電，加載方式和采集數據方式與A組一樣。同時，通過改變電極材料，對銅、鐵、鋁三種電極材料在實驗中進行了腐蝕程度的研究。

5 試驗結果與分析

5.1 孔隙率變化

由儀器采集的數據整理分析后可知:僅在外荷載作用下的A組，初始含水量相同的土樣其最終壓縮量明顯小于B組，當達到相同壓縮量時，A組所用的時間為B組的2倍～4倍。土樣的e—lg p曲線如圖1～圖3所示。

圖1～圖3試驗結果表明，剛開始試驗時的數小時內土樣孔隙率變化的非常明顯，該時間段內的曲線斜率較大，大約在外荷載加載至50kPa時，A組孔隙率變化速率明顯降低，直至試驗結束孔隙率變化幅度不大。同時可以看出，B組土樣孔隙率變化速率明顯快于A組土樣孔隙率變化;并且試驗結束時，B組的孔隙率明顯小于A組。含水量變化非常明顯，且耦合作用下的排水速率與電壓的關系成正比。

5.2 抗剪強度變化

抗剪強度采用應變控制式直剪儀進行測定。從表2可見，電滲處理后土體不排水抗剪強度比處理前提高了至少1倍以上，充分顯示了電滲法提高溫州民科基地圍海造地吹填土強度的效果。

表2 土樣抗剪強度變化 MPa

5.3 實驗電極材料

在實驗過程中，進行了銅、鐵、鋁這3種金屬電極的腐蝕問題的研究。試驗結果表明，這3種金屬的腐蝕程度都很嚴重，用厚度為3mm的金屬板，在直流穩壓電源作用下，72h后在吹填土中，銅板的腐蝕量高達5%，鐵、鋁的腐蝕程度更加嚴重，若要更換，既不方便，成本也高。因此，目前急需一種新型的土工合成材料替代傳統的金屬電極，防止電滲固結時電極的腐蝕，大大降低工程成本。

6 結語

在外荷載和電壓耦合作用下，吹填土的固結速率比加載固結快，可以有效縮短土樣固結時間。在電壓較大時，固結速率快，且最終含水量低于電壓較小時的最終含水量。外荷載和電壓的耦合作用可以更加有效的降低土體的含水量，有利于加快吹填土后期沉降速率，并且可以有效提高土樣的抗剪強度。電滲作用降低土體含水量的同時，土體的離子含量也會發生改變，這使得孔隙變化率在耦合作用過程中呈遞減趨勢。實際工程中，使用堆載和電滲法的聯合運用需要選擇合適的電壓以加快土體排水固結速率。

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