唐曉明 柯 航 廖學(xué)海

(溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)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(yù)壓法、真空預(yù)壓法、強(qiáng)夯法、井點(diǎn)排水法以及低能量壓密法等。使用這些方法處理對(duì)砂土、粉土的處理效果比較理想，但是采用上述方法對(duì)沉降、強(qiáng)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(shí)，往往存在處理費(fèi)用昂貴、工期漫長(zhǎng)、效率低并且處理效果不甚理想等問(wèn)題。

電滲是指在電場(chǎng)作用下孔隙流體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。植入電極并施加直流電場(chǎng)后，土體中將產(chǎn)生電滲流，通過(guò)排水提高土體強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步改良土的工程性質(zhì)。電滲加固對(duì)土顆粒大小并不敏感，比較適合對(duì)細(xì)顆粒土進(jìn)行加固。將電滲固結(jié)和傳統(tǒng)的固結(jié)方法聯(lián)合運(yùn)用，利用它們?cè)谂潘探Y(jié)過(guò)程相互耦合作用，能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)一步提高固結(jié)效率。使用該方法不僅降低工程成本，縮短工期，而且對(duì)于軟土地基的處理加固效果顯著。

本文通過(guò)外荷載與電壓的耦合作用，根據(jù)耦合作用時(shí)吹填土含水量變化情況，研究耦合作用下對(duì)吹填土排水速率的影響，對(duì)吹填土的排水固結(jié)效果進(jìn)行了分析。

1 電滲固結(jié)理論、數(shù)值分析研究

電滲是在電場(chǎng)作用下液體相對(duì)于和它接觸的固定的固體相做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。目前雙電層模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于解釋土中的滲流機(jī)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(dá)西定律類似的形式:

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

該理論假設(shè)土體物理學(xué)和電學(xué)性質(zhì)均不隨時(shí)間改變，電場(chǎng)電勢(shì)線性分布，因此上述方程與太沙基固結(jié)方程形式相同，不需要求解電場(chǎng)問(wèn)題。Wan和Mitchell在Esrig理論的基礎(chǔ)上提出了堆載和電滲固結(jié)耦合應(yīng)用的理論模型，并證明了電極轉(zhuǎn)換的有效性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的設(shè)備是由歐美大地儀器設(shè)備中國(guó)有限公司制造的GDS電滲荷載耦合試驗(yàn)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(chǎng)的要求。頂部橡膠袋充水加壓，以模擬試樣的加載固結(jié)。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(dǎo)電性能優(yōu)良的多孔不銹鋼板，既可以形成均勻電場(chǎng)又能將水及時(shí)排出，底部和頂部可以收集試驗(yàn)產(chǎn)生的排水量并進(jìn)行測(cè)量和分析。同時(shí)，頂管可以和試樣一起垂直移動(dòng)，可以把上部底座的體積變化用來(lái)計(jì)算軸向應(yīng)變并自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，以測(cè)量試驗(yàn)中的固結(jié)變形。該試驗(yàn)裝置具有如下功能和技術(shù)特點(diǎn):

1)能勝任電滲透系數(shù)測(cè)量;

2)具有固結(jié)儀的一般功能，能垂直加載，勝任固結(jié)試驗(yàn);

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(chǎng);

4)具有雙面排水功能，并能靈活控制排水條件;

5)能對(duì)電滲排水進(jìn)行準(zhǔn)確地收集;

6)能監(jiān)測(cè)加固中土體表層位移。

3 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)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(biāo)如表1所示。土樣在進(jìn)行試驗(yàn)前經(jīng)烘干、磨細(xì)、篩分等制備過(guò)程，之后加自來(lái)水調(diào)配成不同含水量的土樣。

表1 土樣的物理參數(shù)

4 試驗(yàn)過(guò)程

設(shè)計(jì)A，B兩組試驗(yàn)方案，每組的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行固結(jié)實(shí)驗(yàn)，設(shè)定儀器自動(dòng)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(shí)由儀器自動(dòng)采集土樣變形數(shù)據(jù)。B組為外荷載與電壓耦合作用下的固結(jié)，采用的電極為銅板，土樣上部為陽(yáng)極，下部為陰極，電壓為2.5V，5.0 V，7.5V 直流電，并持續(xù)通電，加載方式和采集數(shù)據(jù)方式與A組一樣。同時(shí)，通過(guò)改變電極材料，對(duì)銅、鐵、鋁三種電極材料在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了腐蝕程度的研究。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 孔隙率變化

由儀器采集的數(shù)據(jù)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(dāng)達(dá)到相同壓縮量時(shí)，A組所用的時(shí)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(yàn)結(jié)果表明，剛開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)的數(shù)小時(shí)內(nèi)土樣孔隙率變化的非常明顯，該時(shí)間段內(nèi)的曲線斜率較大，大約在外荷載加載至50kPa時(shí)，A組孔隙率變化速率明顯降低，直至試驗(yàn)結(jié)束孔隙率變化幅度不大。同時(shí)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(yàn)結(jié)束時(shí)，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(guān)系成正比。

5.2 抗剪強(qiáng)度變化

抗剪強(qiáng)度采用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行測(cè)定。從表2可見(jiàn)，電滲處理后土體不排水抗剪強(qiáng)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(qiáng)度的效果。

表2 土樣抗剪強(qiáng)度變化 MPa

5.3 實(shí)驗(yàn)電極材料

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行了銅、鐵、鋁這3種金屬電極的腐蝕問(wèn)題的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，這3種金屬的腐蝕程度都很嚴(yán)重，用厚度為3mm的金屬板，在直流穩(wěn)壓電源作用下，72h后在吹填土中，銅板的腐蝕量高達(dá)5%，鐵、鋁的腐蝕程度更加嚴(yán)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(tǒng)的金屬電極，防止電滲固結(jié)時(shí)電極的腐蝕，大大降低工程成本。

6 結(jié)語(yǔ)

在外荷載和電壓耦合作用下，吹填土的固結(jié)速率比加載固結(jié)快，可以有效縮短土樣固結(jié)時(shí)間。在電壓較大時(shí)，固結(jié)速率快，且最終含水量低于電壓較小時(shí)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(qiáng)度。電滲作用降低土體含水量的同時(shí)，土體的離子含量也會(huì)發(fā)生改變，這使得孔隙變化率在耦合作用過(guò)程中呈遞減趨勢(shì)。實(shí)際工程中，使用堆載和電滲法的聯(lián)合運(yùn)用需要選擇合適的電壓以加快土體排水固結(jié)速率。

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