電滲法加固軟土地基影響因素試驗研究

王 耀

(蒙城縣水利局建筑工程隊，安徽 蒙城 233500)

0 引 言

隨著我國城市基礎設施建設速度逐漸加快，基坑工程建設環境日益復雜，尤其是軟土地區基礎工程。軟土地基性質復雜，施工之前需要對軟土進行加固處理[1-2]。電滲法利用電場作用下溶液陰陽離子的運移，從而實現對軟土地基的加固處理。目前，電滲法在地基處理方面已經取得豐碩進展。龐寬等[3]分別研究穩壓電滲與穩流電滲條件下地基參數的影響，并提出采用電遷移系數來表征電滲地基加固效果；焦丹等[4]研究不同電滲加固參數條件下電勢、抗剪強度及地基沉降等，為具體施工條件參數的確定提供試驗基礎；王柳江等[5]以高含水率軟土處理為研究背景，提出真空預壓聯合電滲法，并對其加固處理機制開展探討；陳卓等[6]建立杭州黏土模型試驗箱，研究電滲法對地基加固處理，特別是電機反轉對加固效果的影響；王軍等[7]以電流強度和電勢變化為評價依據，研究真空預壓-電滲法聯合作用下軟土地基加固效果；符洪濤等[8]根據電滲加固軟土地基過程中造成的地基開裂問題，提出了低能量強夯-電滲法聯合對軟土地基進行加固的方法；莊艷峰[9]針對電滲法在地基排水固結等方面存在的問題，從材料、電滲參數等方面開展設計理論與方法的研究；任連偉等[10]研究不同水化學環境電滲法對軟土地基的處理效果，得到CaCl2與Na2SiO3溶液聯合加入對于強度提高效果更好；吳松華[11]研究不同電極布置形式對吹填淤泥地基的加固效果，無砂墊層真空預壓聯合電滲注漿效果最優；蔣楚生等[12]以鐵路段軟土地基處理為研究對象，提出采用電滲與真空預壓加固軟土地基方法；黃鵬華等[13]推導了電滲與真空堆載預壓共同作用下軟土地基非線性固結的解析解。目前，電滲法在軟土地基處理方面取得較好的應用，因此從模型試驗角度研究電滲加固參數的選擇具有重要意義。

根據電滲法軟土地基加固模型試驗，研究不同加固參數條件下能耗系數、有效電勢、樁基承載力和土體抗剪強度等電滲效果及強度變化規律，并得到電滲法地基承載能力求解數學模型。

1 試驗方案

電滲法加固軟土地基試驗材料采用某地在建基坑軟黏土，試驗中的試樣由烘干、篩分再重塑得到，其基本物理力學參數見表1。

表1 軟土基本物理力學參數Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of soft soil

電滲試驗采用控制變量法研究電壓設置和加固時間對加固效果的影響。其中，電壓設置為30、50和80 V，加固時間設置為30、45、60和70 h。電滲模型試驗主要研究的參數包括能耗系數、有效電勢、樁基承載力和土體抗剪強度參數等，首先將基坑的原狀土烘干、篩分再重塑，然后將試驗箱填充滿。為測定電滲法對基坑土體樁基承載力和土體抗剪強度，待試驗箱操作完畢后測定土體初始抗剪強度，利用靜載試驗得到樁基承載力。

2 試驗結果

2.1 能耗系數

電滲過程中，電流損耗與整個電滲處理設計密切相關。根據電滲試驗結果，得到不同電壓設置條件下電滲能耗系數，見圖1。

根據圖1可以得到，不同電壓條件下能耗系數隨著電滲時間增加而逐漸增大，其變化規律具有明顯的兩個階段特征，電滲時間存在臨界轉折點為55 h。電滲時間達到轉折點之前，能耗系數增加較慢，電滲后期能耗系數增幅提高。隨著電壓的增大，電滲的能耗系數逐漸在增大。試驗結果表明，選擇合理的電壓設置和電滲時間對于電滲效果具有重要意義。

圖1 不同電壓設置能耗系數Fig.1 Energy consumption coefficient for different voltage settings

2.2 有效電勢

電滲過程中，有效電勢能夠有效表征電滲處理效果。根據電滲試驗結果，得到不同電壓設置條件下電滲有效電勢，見圖2。

根據圖2可以得到，隨著電滲時間的增加，有效電勢逐漸降低，并且降低幅度逐漸變小，最后趨于平穩。隨著電壓增加，有效電勢的變化幅度擴大，高電壓對于電滲加固具有積極影響。

圖2 不同電壓設置有效電勢Fig.2 Effective potential for different voltage settings

2.3 土體抗剪強度參數

對于電滲處理土體抗剪強度參數的影響，固定電滲時間為55 h。對不同電壓條件下土體抗剪強度參數，包括黏聚力和內摩擦角，分析得到其變化特征，結果見圖3。

根據圖3(a)可以得到，電壓越高，電滲處理軟土抗剪強度參數逐漸增大。當電壓提高至80 V時，與重塑土抗剪強度參數相比，黏聚力由4.6 kPa提高至34.6 kPa，增幅約為7.52倍；內摩擦角由6.2°增大至24.6°，增幅約為5.35倍，抗剪強度參數與電壓符合指數函數變化特征。

根據圖3(b)可以得到，電滲時間越長，電滲處理軟土抗剪強度參數逐漸增大。當電滲時間為70 h時，與重塑土抗剪強度參數相比，黏聚力由4.6 kPa提高至36.2 kPa，增幅約為7.87倍；內摩擦角由6.2°增大至25.8°，增幅約為4.16倍，抗剪強度參數隨電滲時間的變化符合線性函數變化規律。

圖3 電滲處理土體抗剪強度參數Fig.3 Shear strength parameters of electro-osmosis treated soil

2.4 樁基承載力

根據靜載試驗，得到管樁的Q-s曲線，見圖4。

根據圖4，Q-s曲線可以表示為指數函數，選取沉降值為8.0 mm對應的承載力為樁基承載力。不同電壓條件下，樁基承載力分別為2 003.1、2 620.2和2 855.1 N，不同電滲時間條件下，樁基承載力分別為1 623.3、1 855.1、2 378.2和2 823.5 N。樁基承載力與電壓和電滲時間的變化規律符合指數函數特征，見圖5。

圖4 電滲處理土體Q-s曲線Fig.4 Q-s curve of electro-osmosis treatment soil

圖5 樁基承載力與電壓和電滲時間的變化規律Fig.5 Variation of pile foundation bearing capacity, voltage and electroosmosis time

3 結 論

為研究電滲法加固軟土地基影響因素，通過分析不同影響因素下加固效果，分析不同電壓設置和加固時間情況下電滲效果及強度變化，主要研究結論如下：

1) 電滲法能夠有效加固軟土地基，根據樁基承載力和土體抗剪強度結果，提高加固電壓并在一定界限內提高加固時間，能夠有效提高電滲處理效率。

2) 隨著加固時間的逐漸增加，能耗系數與有效電勢呈現不同階段變化特征，表明加固時間對電滲法處理地基的影響存在界限。

3) 根據靜載試驗結果建立管樁Q-s數學模型，擬合得到不同通電時間條件下承載力變化符合指數函數變化規律。