電滲作用下軟土細觀孔隙結構

陶燕麗　龔曉南　周建　羅戰友　祝行

摘要：

軟土細觀孔隙結構變化是其宏觀變形的根本原因。為了探索電滲中軟土細觀孔隙結構變化以及與宏觀變形之間的關聯機制，采用杭州軟土開展電滲試驗，監測了電滲中土體孔隙結構分布特征和含水量，從定性和定量兩個方面對試驗結果進行分析。研究發現，電滲過程中，粘土顆粒重新排列形成面面接觸的片堆結構，土體孔隙比降低，孔隙空間形態變光滑，結構復雜性減弱。通過含水量計算所得孔隙比較實測孔隙比小，說明電滲排水量大于土體收縮量，這是因為，電滲本質為離子帶動水分子的遷移，不能直接引起土骨架壓縮。實際工程中，電滲法應與堆載、真空預壓等聯合使用。

關鍵詞：電滲法；細觀孔隙結構；孔隙比；電滲排水量；土體收縮量

中圖分類號：TU411

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2018）03011007

Abstract：

Variation of mesoscopic pore structure for soft soils is the primary cause of the macroscopical deformation. In order to study the variation of mesoscopic pore structure of soft soil as well as the correlative mechanism with macroscopical deformation during electroosmosis， some electroosmotic experiments were performed using Hangzhou soft soils. Pore structure distribution features and water contents of the soils were monitored during the experiments. The results were explained from the qualitative and quantitative perspectives. Clay particles were rearranged into sheetpacked structure with planeplane surfaces. The soil pore contracted， with resulted to decreasing of the void ratio， meanwhile the pores turned smoother in spatial forms and less complex in structure. Moreover， void ratios of the soil were computed through water content and the results were smaller than the measured values， which illustrated the electroosmotic dewatering was larger than compression amount of soil. The fundamental cause goes to the fact that electroosmosis derives from the migration of water dragged by ions and fails to generate compression of the soil skeleton directly. Electroosmosis is recommended to be combined with surcharge and vacuum preloading in real practice.

Keywords：

electroosmosis； mesoscopic pore structure； void ratio； electroosmotic dewatering； compression amount of soil

經濟的飛速發展使得土地資源短缺日趨嚴重，圍海造陸工程因此得以蓬勃發展，但由此產生大量吹填土或疏浚土堆積形成軟土地基亟需有效處理。傳統地基處理方法，如堆載預壓或真空預壓，受限于軟土的水力滲透系數，往往難以達到預期目標，所以，尋求有效的新工藝或新方法對于圍海造陸工程的順利開展具有重大意義。電滲法通過在插入土體的電極上通電，加速土體排水固結，被認為是處理高含水量、低滲透性軟土地基很有效的方法[14]。研究電滲法對吹填土或疏浚土等軟土的加固作用成為熱點之一[57]。

土體內部孔隙結構特征及分布情況是其宏觀變形的根本原因，也是決定土體物理力學性質的重要因素，這方面研究可通過電鏡掃描試驗開展[810]。Delage[11]通過電子顯微鏡（SEM）研究了加拿大土壤敏感性與微觀結構的聯系；Lee等[12]采用SEM技術研究了尾礦與粉煤灰混合物的孔隙結構；Chai等[13]通過SEM技術觀察土體孔隙結構研究日本Ariake粘土的滲透性能。已有文獻中，SEM技術大多用于土體變形、強度或滲透特性的研究，較少用于電滲法中。張碧龍等[14]通過試驗研究了軟土在真空預壓電滲聯合作用下孔隙結構的變化；而單獨電滲作用下軟土孔隙結構的變化機制還未有報道。特別指出，已有文獻對土體孔隙結構尺度的描述并不一致，如王子健等[9]視其為細觀尺度，曹洋等[10]、Delage[11]、Lee等[12]、Chai等[13]、張碧龍等[14]視其為微觀尺度。在細觀力學中，細觀結構被定義為光學或常規電子顯微鏡下可見的材料細微結構[15]，據此定義，土體孔隙結構應屬細觀尺度，因此，本文采用“細觀孔隙結構”的描述。

綜上，研究電滲過程中土體孔隙結構變化是從細觀尺度上對土體變形機制和加固機理的揭示，已有文獻在這方面少有報道。因此，本文采用杭州軟土開展室內電滲試驗和細觀孔隙結構試驗，監測了電滲中土體孔隙結構分布特征和含水量變化，研究電滲作用下軟土細觀結構變化，探索土體細觀結構和宏觀性質的關聯機制，目的是基于細觀孔隙結構揭示電滲法對軟土的加固機理。

1電滲試驗

1.1試驗設計

為了實現試驗結果的互為佐證，分別采用鐵和銅電極開展兩組電滲試驗（記為T1和T2）。試驗土取自杭州市董家路一基坑工程，其基本物理力學參數見表1。將所取土樣與水拌合形成飽和重塑土樣來模擬疏浚土。參考已有文獻[17]中的數據，設置試驗參數為：T1和T2試驗土體初始含水量分別為997%和99.2%，電源電壓30 V，相應的電勢梯度為1.58 V/cm，通電到29 h時，排水量已連續5 h低于總排水量的5%，故設置通電時間29 h。試驗后分別在離陽極板、陰極板5 cm處取土，作為含水量監測和細觀孔隙結構試驗試樣。

1.2試驗設備

試驗主體設備如圖1所示，主要由試驗模型箱、直流電源、電線等組成。模型箱（圖1）為一有機玻璃箱，外邊緣尺寸為230 mm×110 mm×105 mm，由主槽和輔槽組成：主槽用來裝載試驗土體，內部尺寸為190 mm×100 mm×100 mm；輔槽用來收集試驗排出的水，其下設有一小孔，在小孔下放一燒杯，試驗時匯聚到小槽的水會通過小孔流到燒杯中而排出。試驗采用板狀電極，其尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，陰極板上均勻打設若干直徑5 mm的小孔以利于排水。試驗采用GW SPD—3606型電源提供穩壓直流電。

關于電滲中土體細觀結構和宏觀性質變化，前者通過土體孔隙結構體現，后者通過含水量體現。土體細觀孔隙結構通過細觀結構試驗監測，需要用到的設備軟件有：日立S3500N掃描電子顯微鏡、孔隙分析軟件（PCAS）。土壤含水量測試遵照《土工試驗教程》（SL 237—1999），需要用到的試驗設備有：土樣盒、烘箱、電子天平。

1.3試驗步驟

電滲試驗步驟為：1）取適量原狀土和水，用電動攪拌機充分攪拌均勻，制成重塑土樣，靜置一晝夜后測量重塑土樣含水量；2）連接導線、電源和電極，在陰極包裹土工布，潤濕電極后放入試驗箱兩端；3）分層裝填土樣，并在出水口放置燒杯以盛裝排水；4）調節電源輸出到所需電壓，接通電路，開始試驗；5）通電29 h，停止試驗，斷開電源，停止試驗；6）對試驗后土體取樣進行含水量監測和細觀結構試驗；7）試驗結束，拆除裝置。

2土體細觀孔隙結構試驗

2.1試驗原理

細觀孔隙結構試驗由電鏡掃描和孔隙分析兩部分構成。首先，利用掃描電鏡監測土體孔隙結構得到孔隙結構放大SEM圖像，然后，采用孔隙分析軟件對孔隙形態進行定性和定量分析，得到孔隙結構參數，用于土壤細觀結構分析比較。其中，孔隙分析采用劉春等[13]開發的PCAS軟件，該軟件采用細觀定量測試技術，利用分形幾何學有關理論對土體孔隙結構進行定量分析，其實用性已得到眾多文獻[810，1415]的驗證。

2.2試樣制備

試驗前取重塑土、試驗后分別在各試驗距陽極和陰極板5 cm處取土開展電鏡掃描試驗。由于T1和T2試驗采用同一批重塑土，土樣含水量相差僅為0.5%，可視為相同土樣，故試驗僅對T1試驗前重塑土取樣開展孔隙結構監測。

取樣時，用超薄刀片小心切取試樣，逐漸切削土樣制成5 mm×5 mm×10 mm（高度×寬度×長度）的樣品，放入鋁盒內并加入液氮在-190 ℃下冷凍，在液氮揮發完之前將土樣移入真空干燥儀內，在-44 ℃下進行抽真空干燥24 h，直接升華土中非結晶冰。凍干后，小心將土樣掰斷，盡量保持斷面平整，并作為電鏡掃描的觀察面。

2.3電鏡掃描

對制備好的試樣觀察面進行噴金鍍膜，以增強其導電性、方便掃描；然后將試樣放在掃描電鏡觀察臺上，先在500倍的較低放大倍數下觀察，選取合適區域；再提高放大倍數至適合值，得到代表性SEM圖像，作為孔隙結構分析對象。

2.4定量分析

采用PCAS軟件對SEM圖像進行二值化和矢量化分析，以實現對土體孔隙結構的定量評價。特別指出，軟件參數輸入對分析結果具有較大影響，試驗通過統一輸入參數控制各試驗分析過程。具體定量評價過程主要從3個方面展開：

1）對結構單元體或孔隙尺度及其分布特征的評價，如結構單元體或孔隙面積、周長、粒徑、孔徑、表觀孔隙比及基于分形理論得到的孔隙度分維值等。

2）對結構單元體或孔隙排列特征的定量評價，如方向角、定向角、定向頻率、概率熵及定向分維數。

3）對結構單元體或孔隙形態特征的定量評價，如圓形度、各項異性率、形狀系數及孔隙形態分形維數等。

針對以上3個方面，將分別采用表觀孔隙比、平均孔隙面積、概率熵和孔隙形態分形維數4個典型指標，以研究土體孔隙大小變化、孔隙結構的有序性以及孔隙形態變化情況，實現孔隙結構的定量分析。表2給出了各指標的定義。

3試驗結果與分析

3.1孔隙結構定性分析

取重塑土樣和代表性電滲土樣進行電鏡掃描。為了獲得對比明顯的結果，掃描放大倍數取值2 000，重塑土樣采用T1試驗前土體，代表性電滲土樣選用T1試驗后陽極附近土體，所得重塑土樣和電滲土樣SEM圖像分別如圖2（a）、（b）所示。試驗前重塑土樣細觀上主要為片狀結構面邊排列形成片架型凝聚結構，電滲土樣中片狀結構重新定向排列，形成面面接觸的片堆型凝聚結構。可見，電滲作用對土體細觀結構組成和排列具有重要影響。

定性分析結果表明：電滲過程中，粘土顆粒由片狀結構面邊為主的排列方式轉變為片狀結構面面排列，這可能與電場的存在有關。原土樣中，粘土顆粒在范德華力、庫侖力等作用下處于平衡狀態，在外加電場作用下，這種平衡狀態被打破，粘土顆粒重新定向排列，而電場力在量級上比范德華力等內力大得多，使得粘土顆粒集聚逐漸形成以電場力為導向的面面接觸型片堆結構。

3.2孔隙結構定量分析

通過電鏡掃描得到T1試驗前重塑土樣、T1和T2試驗后陽極和陰極處土樣SEM圖像，采用PCAS軟件對SEM圖像進行二值化和矢量化處理，分析得到電滲前后土體表觀孔隙比、平均孔隙面積、孔隙形態分維數和孔隙概率熵，分別繪于圖3～圖6中，以便更直觀地比較分析。

圖3和圖4顯示，表觀孔隙比和平均孔隙面積呈現類似的變化規律，即電滲后土體表觀孔隙比和平均孔隙面積較重塑土樣低，且各試驗陰極土體數值比陽極土體要高；電滲過程中，土體表觀孔隙比和平均孔隙面積均會降低，陽極處土體的降低幅度更為明顯。圖5表明，電滲土體孔隙形態分維數較重塑土小，說明經電滲處理后，土體孔隙的空間形態有變光滑的趨勢，結構復雜性減弱。圖6中電滲土樣與重塑土樣孔隙概率熵相近，可見，電滲作用對土體孔隙結構有序性的影響并不明顯。

3.3表觀孔隙比與計算孔隙比

通過孔隙結構分析得到表觀孔隙比，所得數據反映了一定面積上孔隙集度情況，可視其為實測孔隙比。另外，可根據土體3項指標換算關系，通過含水量計算孔隙比，其計算式為

e=wdsSr（1）

式中：e為孔隙比；w為含水量；Sr為飽和度；ds為土顆粒比重。以下對實測表觀孔隙比和計算孔隙比進行比較。

為了得到電滲后土體含水量數據，試驗結束后分別在距離陽極和陰極5 mm處表層、中層和下層取樣，取各處所得數值平均值作為該處含水量數值，得到T1試驗陽極和陰極處含水量分別為40.2%和64.0%，T1試驗分別為49.0%和69.7%。若假設試驗中排水量與土體孔隙壓縮量相等，即土體飽和，則有Sr=1，Gs=2.75，根據上述含水量數據和式（1）計算孔隙比，將計算結果與表觀孔隙比進行比較，如圖7所示。

由圖7可知，對于重塑土，表觀孔隙比與計算孔隙比相近，說明試驗結果可靠，而各組試驗，不管是陽極處還是陰極處，計算孔隙比均小于表觀孔隙比，即根據孔隙結構監測所得孔隙比大于通過含水量計算結果。Bergado等[16]通過實驗得到類似的結果，他們采用導電PVD材料開展兩種模型尺寸的室內電滲試驗，監測了土體沉降和含水量的變化情況，并分別根據沉降和含水量計算得到土體的孔隙比，結果表明，根據含水量計算的孔隙比數值比根據沉降計算的要小。由于土顆粒和孔隙水不可壓縮，土體沉降來源于孔隙壓縮、孔隙比降低，沉降實為孔隙變化引起的宏觀尺度上的響應，根據沉降計算結果和根據孔隙結構分析結果均代表土體實際孔隙變化。此試驗和Bergado等[16]從不同角度得到類似結果，即電滲過程中，根據孔隙結構或沉降分析所得孔隙比較根據含水量計算結果大。

4討論

以上分析結果表明，電滲過程中隨著水分的排出，孔隙得到壓縮，孔隙比降低，同時，孔隙空間形態變光滑，結構復雜性減弱。同一組試驗，陽極土體電滲作用比陰極土體明顯，宏觀上表現為含水量更小，細觀上表現為孔隙比和孔隙面積降幅更大。但孔隙體積的減小與電滲排水量并不相等，這一點通過比較表觀孔隙比和計算孔隙比可以看出，根據孔隙結構分析或沉降計算所得孔隙比較根據含水量計算結果大。因含水量和土顆粒比重固定，由式（1）分析可知，計算結果偏小唯一原因是飽和度偏大。可見，電滲過程中土體并不飽和，土體含水量的減少源于排水，孔隙比的降低或沉降宏觀上表現為土體收縮，可見，電滲排水并不等效為土體收縮，即土體收縮量小于電滲排水量。

電滲中土體收縮量小于排水量，這與電滲的本質息息相關。圖8給出了理想狀態下電滲法與重力式方法對土體孔隙結構的影響。這里的理想狀態指的是不考慮二者互相作用。對于重力式加固方法，如堆載或真空預壓等，自由水和毛細水在超孔隙水壓力作用下被排出，土體孔隙產生重分布，土體體積得到收縮（圖8（b））。不同于重力式方法，電滲法加固軟土的本質在于離子帶動水分子的遷移運動，這種遷移運動的源動力為施加在電極兩端的電壓所產生的電場力，因而，若假設土體自重為0，筆者認為，電滲過程中土體孔隙將不產生壓縮，只表現為水分在孔隙中的穿梭運動（圖8（c））；這也是上述電滲排水量大于土體收縮量的根本原因。然而，實際電滲過程中，土體自重不可忽略，水遷移同時土體孔隙在重力作用下產生壓縮，因而，隨著電滲過程的開展，土體孔隙比和平均孔隙面積也會降低。

從機理上看，電滲的本質是離子帶動水分子的遷移，與土骨架壓縮并無直接關聯。然而，土體收縮或沉降是地基處理的最終目的，如何實現電滲排水的同時土骨架有效收縮是電滲處理的關鍵之一。若將電滲法與外荷載聯合作用，利用電滲法主動排水，外荷載引起超孔隙水壓力、壓縮土骨架，將能大大緩解電滲排水量與土體收縮量之間的差值，起到“優勢互補”、“揚長避短”的作用。因此，實際工程中，電滲法需與堆載、真空預壓等聯合使用。

5結論

采用杭州軟土開展電滲試驗，研究電滲過程中土體細觀孔隙結構變化及其與土體宏觀變形之間的關聯機制，從細觀孔隙結構角度揭示電滲加固機理，得到以下結論：

1）電滲過程中，在電場力作用下，粘土顆粒重新定向排列，形成片狀結構面面接觸的片堆結構。

2）電滲過程中，隨著水分的排出，孔隙收縮，孔隙比降低，同時，孔隙空間形態變光滑，結構復雜性減弱。

3）電滲過程中孔隙收縮量小于排水量，根本原因源于電滲本質，即離子帶動水分子的遷移運動。

4）實際工程中，電滲法需與堆載或真空預壓等工法聯合使用，以減少電滲排水量與土體收縮量的差值，實現電滲法“主動排水”，堆載或真空預壓“壓縮土骨架”的優勢互補作用。

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（編輯王秀玲）