婁云雷，李洪藝，張碧龍，覃家琪，葉李勝，張澄博

(1.中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東廣州510275;2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510275)

珠江三角洲瀕臨海岸帶，分布著廣泛的軟土，該地區(qū)軟土第一個特點(diǎn)是含水率較高，天然含水率(w)變化范圍為一般為70% ～100%［1］;第二個特點(diǎn)是滲透系數(shù)低，水平方向透水性比垂直方向大。土層垂直方向的滲透系數(shù)在0.01～24.30×10－6cm/s之間，而水平方向的滲透系數(shù)一般為10－4～10－5cm/s，因此土體在外荷載作用下固結(jié)速率較慢;第三個特點(diǎn)為承載力低，地基承載力一般為20.0～131.0 kPa，難以滿足實(shí)際工程的應(yīng)用［2－6］。因此，如何快速有效得進(jìn)行地基處理就顯得尤為重要。目前為止，工程上對軟土的處理方法主要有堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓、換填和采用復(fù)合地基等方法［7－8］，真空預(yù)壓－電滲法也逐漸應(yīng)用于工程實(shí)踐中［9－11］。真空預(yù)壓－電動法近年來剛剛由學(xué)者提出［12］，具有較好的應(yīng)用前景，因而對該方面進(jìn)一步的研究是很有意義的。

真空預(yù)壓－電滲法是在真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上，在土體兩端通以直流電，使土體在短時間內(nèi)完成滲透排水，并逐漸固結(jié)的一種地基處理方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是加固速度快，主要是因?yàn)檐浲恋碾姖B透系數(shù)Ke比水力傳導(dǎo)系數(shù)Kh大1～2個數(shù)量級;其次是該方法可以排出土體的孔隙水和部分弱結(jié)合水達(dá)到加固軟基的目的。但真空預(yù)壓－電滲法對黏土顆粒中的強(qiáng)結(jié)合水卻無能為力，軟土地基工后沉降依舊較大，難以滿足工程要求。針對真空預(yù)壓－電滲法的該問題，如果在土體中加入鹽溶液即運(yùn)用真空預(yù)壓－電動法，黏粒與鹽溶液相互作用后，吸附在其表面的陽離子或者陰離子可與溶液中的離子進(jìn)行交換，改變雙電層的厚度，使得礦物顆粒之間排列更緊密，從而提高土體強(qiáng)度，達(dá)到更好的加固效果［13－14］。另外鹽溶液的加入可以有效降低排水處理過程所需要的電能，大大減少工程造價［15］。對于珠三角地區(qū)軟土中含有較多的等離子［16－17］，這些離子造成黏土顆粒的雙電層厚度較大，如果運(yùn)用真空預(yù)壓－電動法對軟土進(jìn)行處理，將能很好的解決工后沉降的問題。

1 樣品和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用土樣取自佛山市南?？h西樵鎮(zhèn)西南部南海發(fā)電一廠，土樣呈深灰色－灰黑色，略帶腥臭味，含有機(jī)質(zhì)，夾粉砂薄層，局部混腐木，淤積成因。呈很濕～飽和，軟塑狀態(tài)，標(biāo)貫擊數(shù)一般1～4擊，粉砂夾薄層和腐木使標(biāo)貫擊數(shù)偏高。層厚度0.70～17.70 m，平均厚度8.52 m，層頂面高程－10.46～3.68 m。土樣里最主要的幾種礦物分別為:石英、伊利石、蒙脫石、氮化硼以及一些有機(jī)物。土樣的基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 軟土基本物理性質(zhì)Table 1 The basic physical properties of soft soil

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次真空預(yù)壓－電動加固軟土實(shí)驗(yàn)所用裝置為自行設(shè)計(jì)，主體分為三部分:透明實(shí)驗(yàn)玻璃箱部分、電源部分和真空泵部分。本次實(shí)驗(yàn)所使用裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖 (單位:cm)Fig.1 Diagram of the experimental device

將土樣分為9部分 (圖2)，于T1－T3、M1－M3、B1－B3部位取樣作含水量實(shí)驗(yàn)，同時在T1－T3、M1－M3、B1－B3部位進(jìn)行原位十字板剪切實(shí)驗(yàn)，以測得土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。在土壤中部位置 (圖2中的畫線位置)每隔5 cm取一個土樣用于測定實(shí)驗(yàn)后pH的縱向變化。此外，為了更真實(shí)反映注入溶液后陽極和陰極附近的含水量，在圖2所示的A和C位置分別取樣測量其含水量。

排水管使用圓形鋁管，長13 cm，直徑1 cm，管身布滿小孔用于排水，排水鋁管上端位于砂墊層內(nèi)。陽極棒既作為電極使用，也作為注入溶液的通道，陽極棒離下端12 cm的地方每隔2 cm鉆一個直徑5 mm的小孔用于注入溶液的流出通道，排水鋁管和陽極棒均使用300目尼龍網(wǎng)包裹防止黏土顆粒堵塞小孔。

圖2 取樣測試位置圖 (單位:cm)Fig.2 Locations of sampling tests

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

共進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一為真空預(yù)壓－電滲加固實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時間60 h，主要探討在沒有注入溶液情況下軟土的強(qiáng)度、pH和排水量的變化。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，注入的CaCl2溶液濃度多為1mol/L［14.18］;實(shí)驗(yàn)二為真空預(yù)壓－電動加固軟土，每隔0.5 h從陽極注入5 mL濃度為1mol/L CaCl2溶液，實(shí)驗(yàn)時間60 h，主要探討在注入溶液情況下軟土的強(qiáng)度、pH和排水量等的變化，并與實(shí)驗(yàn)一做對比;實(shí)驗(yàn)三同樣為真空預(yù)壓－電動加固軟土實(shí)驗(yàn)，每隔2.5 h從陽極注入25 mL濃度為1mol/L CaCl2溶液，但實(shí)驗(yàn)時間延長為120 h，主要探討實(shí)驗(yàn)時間及注入溶液方式對實(shí)驗(yàn)效果的影響。三個實(shí)驗(yàn)所使用的均為直流電壓，強(qiáng)度為55 V，并保持穩(wěn)定不變。三組實(shí)驗(yàn)都使用相同的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)土樣近似當(dāng)作均一連續(xù)，初始條件基本相同。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沉降量

實(shí)驗(yàn)完畢后連續(xù)測量離陽極不同位置的沉降量，如圖3所示，可以得出如下結(jié)論:

1)三組實(shí)驗(yàn)都呈現(xiàn)土體中部沉降量最大，陽極附近次之，陰極附近沉降最小的特征，且從實(shí)驗(yàn)一到實(shí)驗(yàn)三，沉降量逐漸增大;

2)實(shí)驗(yàn)一在沒有注入溶液情況下，土樣在離陽極9～15 cm處沉降量最大，為1.4 cm，沉降率為9.3%;

3)實(shí)驗(yàn)二在注入CaCl2溶液并且實(shí)驗(yàn)時間同樣為60 h條件下，土樣在離陽極15～25 cm處沉降量最大，最大沉降量為2.3 cm，沉降率為15.3%;

4)實(shí)驗(yàn)三將實(shí)驗(yàn)時間延長至120 h時，最大沉降量出現(xiàn)在離陽極約25 cm處，最大沉降量為2.8 cm，沉降率為18.7%。

圖3 軟土沉降量Fig.3 Settlement of soft soil

由上可知，通過在真空預(yù)壓－電動加固實(shí)驗(yàn)中注入CaCl2溶液，軟土整體沉降量增大，相對于真空預(yù)壓－電滲加固實(shí)驗(yàn)，最大增幅達(dá)64%，而延長實(shí)驗(yàn)時間后，軟土的沉降量進(jìn)一步增大，最大增幅達(dá)120%，這說明了注入的CaCl2溶液能極大的促進(jìn)軟土的沉降，這可能主要有兩方面的原因，一方面注入的CaCl2溶液能有效提高軟土的導(dǎo)電性，提升電滲排水的效率和進(jìn)程，因而軟土固結(jié)沉降更好。同時注入的Ca2+能夠與黏土顆粒中的其他離子發(fā)生交換或者聚合，使得雙電層變薄，黏土顆粒排列更緊密，宏觀上就表現(xiàn)為沉降量增大。

2.2 含水量及排水量變化

2.2.1 含水量變化 實(shí)驗(yàn)過后對土樣不同部位含水量進(jìn)行測量。土樣原始含水量為43.13%，可以看到，實(shí)驗(yàn)過后，土樣的含水量都有不同程度的減小。實(shí)驗(yàn)一土樣在B1、M1、M2處含水量最小，相對于原始含水量分別減少 38.81%、44.77%、54.90%;實(shí)驗(yàn)二土樣在M2、T2、B2處含水量最小，相對于原始含水量分別減少 35.08%、42.41%、42.45%，但在實(shí)驗(yàn)二中，陽極棒附近(A)含水量反而增加了3.13%，這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時間過短，注入的溶液來不及排出去所致;實(shí)驗(yàn)三土樣在B1、B2、T2處含水量最小，相對于原始含水量分別減少39.67%、41.83%、42.17%?？偟膩碚f，整個土樣三個實(shí)驗(yàn)過后，含水量最大降幅達(dá)到54.90%，平均降幅為24.53%，這說明實(shí)驗(yàn)起到了很好的排水作用。

三組實(shí)驗(yàn)沿土樣的平均含水量分布如圖4所示。實(shí)驗(yàn)一在沒有注入溶液條件下，含水量從陽極到陰極逐漸升高，這一方面顯示了真空預(yù)壓－電滲的良好排水作用，也說明了實(shí)驗(yàn)時間不夠，導(dǎo)致從陽極流向陰極的水沒來得及排出去。而在注入1 mol/L CaCl2溶液后 (實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三)，均在土樣中部 (離陽極25 cm處)測得最低含水量，且隨著實(shí)驗(yàn)時間的延長，土樣整體含水量降低更大，說明了注入溶液使得土樣孔隙溶液電導(dǎo)率增加，加快了排水過程以及排水量，土樣固結(jié)更加好。

2.2.2 排水量變化 實(shí)驗(yàn)過程中，使用錐形瓶將從軟土排出的溶液 (水)分離出來用于測量其體積和離子濃度等參數(shù)，通過這些參數(shù)我們可以分析實(shí)驗(yàn)的處理效果。排水量是指實(shí)驗(yàn)過程中的累積排水量，其隨時間的變化如圖5(a)所示。由圖5可以得出如下推論:

1)對比真空預(yù)壓－電動加固實(shí)驗(yàn) (60 h)與真空預(yù)壓－電滲加固實(shí)驗(yàn) (60 h)，兩者實(shí)驗(yàn)時間相同，但是前者累積排水量卻比后者多出1.82倍，說明了注入溶液后能大幅提高排水效率;對比真空預(yù)壓－電動加固實(shí)驗(yàn) (120 h)與真空預(yù)壓－電動加固實(shí)驗(yàn) (60 h)，兩者所有實(shí)驗(yàn)條件均相同，只是溶液注入方式不同，但后者的累積排水量在前60 h內(nèi)竟比后者多出57.8%，且比真空預(yù)壓－電滲加固實(shí)驗(yàn) (60 h)多出346%，這說明每隔2.5 h注入25 mL溶液的這種注入方式能更有效提高排水效率。當(dāng)延長實(shí)驗(yàn)時間至120 h，其排水量僅占總排水量的約5%，說明實(shí)驗(yàn)后期排水效果不佳，效率大幅下降。

2)分析排水量的變化忽略了真空預(yù)壓－電動實(shí)驗(yàn)中注入溶液的影響，為了更科學(xué)的分析排水的變化，圖5(b)顯示了三組實(shí)驗(yàn)排水速率隨時間的變化。三組實(shí)驗(yàn)排水速率均隨時間的增加而減小，從真空預(yù)壓－電滲實(shí)驗(yàn)至真空預(yù)壓－電動實(shí)驗(yàn)，排水速率越來越高，單次注入5 mL CaCl2溶液后 (實(shí)驗(yàn)二)，排水速率增加約2倍。改變注入方式，即單次注入25 mL CaCl2(實(shí)驗(yàn)三)后，排水速率比實(shí)驗(yàn)二增加約40%～60%，說明注入CaCl2溶液對于增加排水量以及排水速率是快速有效的，這直接加快了軟土的固結(jié)過程。

圖4 平均含水量分布圖Fig.4 Distribution of average water content

圖5 排水量及排水速率隨時間變化圖Fig.5 Variation of drained water volume and rate with time

2.3 抗剪強(qiáng)度

土體的抗剪強(qiáng)度是表征土體力學(xué)性質(zhì)的一個重要參數(shù)，直接反映了軟土的處理效果，本文采用便攜式十字板剪儀對實(shí)驗(yàn)前后土體不排水抗剪強(qiáng)度的變化進(jìn)行測試。

三組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，均使用便攜式十字板剪切儀于圖2所示位置對土樣進(jìn)行原位不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測定。未經(jīng)任何處理的原狀土的平均抗剪強(qiáng)度為14 kPa。實(shí)驗(yàn)一中軟土的不排水抗剪強(qiáng)度為17 kPa(B3) ～115 kPa(B1)，增長幅度從21% ～721%不等，抗剪強(qiáng)度由陽極向陰極逐步降低 (見等值線圖)。實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三后，軟土的不排水抗剪強(qiáng)度分別從14 kPa增長到最高的102 kPa(M2)和197.6 kPa(M2)，增長幅度從 64% ～629%和79%～1311%不等，兩個實(shí)驗(yàn)均出現(xiàn)中部強(qiáng)度最高，陽極次之，陰極最弱的規(guī)律 (見等值線圖)。三個實(shí)驗(yàn)各個部分土樣抗剪強(qiáng)度增長百分比及等值線圖詳見圖6。

經(jīng)過真空預(yù)壓－電動加固實(shí)驗(yàn) (60 h)處理后的軟土比真空預(yù)壓－電滲加固實(shí)驗(yàn) (60 h)處理后的土樣抗剪強(qiáng)度更大，而且增加真空預(yù)壓－電動加固實(shí)驗(yàn)時間能進(jìn)一步的促進(jìn)其強(qiáng)度的增大。

圖6 土樣抗剪強(qiáng)度增長百分比和等值線圖(a、b、c圖分別為實(shí)驗(yàn)一，實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三，左側(cè)圖數(shù)字為強(qiáng)度增長百分比，右側(cè)字母代表取樣位置)Fig.6 Percent increase and contour of shear strength(fig.a，b，c separately represent experiment first，second and third，left figures represent percent increase of shear strength，right letters represent sampling locations)

3 結(jié)論

1)注入的Ca2+能夠與黏土顆粒雙電子層中的陽離子進(jìn)行交換作用，使得黏土顆粒雙電層厚度減薄，顆粒間排列更加緊密，宏觀上表現(xiàn)為沉降量增大。

2)注入溶液使得軟土中孔隙溶液電導(dǎo)率增大，排水量和排水速率增加，直接加快了軟土的固結(jié)速率，同時固結(jié)效果更好。

3)真空預(yù)壓－電動加固實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均比真空預(yù)壓－電滲加固實(shí)驗(yàn)要好，而且當(dāng)延長真空預(yù)壓－電動加固實(shí)驗(yàn)的時間及改變?nèi)芤鹤⑷敕绞?，土樣抗剪?qiáng)度將進(jìn)一步提高，處理效果更好。

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