(1.浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023；2.浙江大學(xué) a.軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058)

經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使得土地資源短缺日趨嚴(yán)重，圍海造陸工程因此得以蓬勃發(fā)展，但由此產(chǎn)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(tǒng)地基處理方法，如堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓，受限于軟土的水力滲透系數(shù)，往往難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，所以，尋求有效的新工藝或新方法對(duì)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(jié)，被認(rèn)為是處理高含水量、低滲透性軟土地基很有效的方法[1-4]。研究電滲法對(duì)吹填土或疏浚土等軟土的加固作用成為熱點(diǎn)之一[5-7]。

綜上，研究電滲過程中土體孔隙結(jié)構(gòu)變化是從細(xì)觀尺度上對(duì)土體變形機(jī)制和加固機(jī)理的揭示，已有文獻(xiàn)在這方面少有報(bào)道。因此，本文采用杭州軟土開展室內(nèi)電滲試驗(yàn)和細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)了電滲中土體孔隙結(jié)構(gòu)分布特征和含水量變化，研究電滲作用下軟土細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，探索土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)的關(guān)聯(lián)機(jī)制，目的是基于細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)揭示電滲法對(duì)軟土的加固機(jī)理。

1 電滲試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的互為佐證，分別采用鐵和銅電極開展兩組電滲試驗(yàn)(記為T1和T2)。試驗(yàn)土取自杭州市董家路一基坑工程，其基本物理力學(xué)參數(shù)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(xiàn)[1-7]中的數(shù)據(jù)，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)為：T1和T2試驗(yàn)土體初始含水量分別為99.7%和99.2%,電源電壓30 V，相應(yīng)的電勢(shì)梯度為1.58 V/cm,通電到29 h時(shí)，排水量已連續(xù)5 h低于總排水量的5%，故設(shè)置通電時(shí)間29 h。試驗(yàn)后分別在離陽極板、陰極板5 cm處取土，作為含水量監(jiān)測(cè)和細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)試樣。

表1 原狀土的基本物理指標(biāo)Table1 Physical parameters of original soil in this research

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主體設(shè)備如圖1所示，主要由試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?、直流電源、電線等組成。模型箱(圖1)為一有機(jī)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(yàn)土體，內(nèi)部尺寸為190 mm×100 mm×100 mm；輔槽用來收集試驗(yàn)排出的水，其下設(shè)有一小孔，在小孔下放一燒杯，試驗(yàn)時(shí)匯聚到小槽的水會(huì)通過小孔流到燒杯中而排出。試驗(yàn)采用板狀電極，其尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，陰極板上均勻打設(shè)若干直徑5 mm的小孔以利于排水。試驗(yàn)采用GW SPD—3606型電源提供穩(wěn)壓直流電。

圖1 電滲裝置示意圖Fig.1 The device diagram for

關(guān)于電滲中土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)變化，前者通過土體孔隙結(jié)構(gòu)體現(xiàn)，后者通過含水量體現(xiàn)。土體細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)通過細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，需要用到的設(shè)備軟件有：日立S-3500N掃描電子顯微鏡、孔隙分析軟件(PCAS)。土壤含水量測(cè)試遵照《土工試驗(yàn)教程》(SL 237—1999)，需要用到的試驗(yàn)設(shè)備有：土樣盒、烘箱、電子天平。

1.3 試驗(yàn)步驟

電滲試驗(yàn)步驟為：1)取適量原狀土和水，用電動(dòng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆?，制成重塑土樣，靜置一晝夜后測(cè)量重塑土樣含水量；2)連接導(dǎo)線、電源和電極，在陰極包裹土工布，潤(rùn)濕電極后放入試驗(yàn)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(diào)節(jié)電源輸出到所需電壓，接通電路，開始試驗(yàn)；5)通電29 h，停止試驗(yàn)，斷開電源，停止試驗(yàn)；6)對(duì)試驗(yàn)后土體取樣進(jìn)行含水量監(jiān)測(cè)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；7)試驗(yàn)結(jié)束，拆除裝置。

2 土體細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)由電鏡掃描和孔隙分析兩部分構(gòu)成。首先，利用掃描電鏡監(jiān)測(cè)土體孔隙結(jié)構(gòu)得到孔隙結(jié)構(gòu)放大SEM圖像，然后，采用孔隙分析軟件對(duì)孔隙形態(tài)進(jìn)行定性和定量分析，得到孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，用于土壤細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析比較。其中，孔隙分析采用劉春等[13]開發(fā)的PCAS軟件，該軟件采用細(xì)觀定量測(cè)試技術(shù)，利用分形幾何學(xué)有關(guān)理論對(duì)土體孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，其實(shí)用性已得到眾多文獻(xiàn)[8-10,14-15]的驗(yàn)證。

2.2 試樣制備

試驗(yàn)前取重塑土、試驗(yàn)后分別在各試驗(yàn)距陽極和陰極板5 cm處取土開展電鏡掃描試驗(yàn)。由于T1和T2試驗(yàn)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(yàn)僅對(duì)T1試驗(yàn)前重塑土取樣開展孔隙結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。

取樣時(shí)，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(zhǎng)度)的樣品，放入鋁盒內(nèi)并加入液氮在-190 ℃下冷凍，在液氮揮發(fā)完之前將土樣移入真空干燥儀內(nèi)，在-44 ℃下進(jìn)行抽真空干燥24 h，直接升華土中非結(jié)晶冰。凍干后，小心將土樣掰斷，盡量保持?jǐn)嗝嫫秸?，并作為電鏡掃描的觀察面。

2.3 電鏡掃描

對(duì)制備好的試樣觀察面進(jìn)行噴金鍍膜，以增強(qiáng)其導(dǎo)電性、方便掃描；然后將試樣放在掃描電鏡觀察臺(tái)上，先在500倍的較低放大倍數(shù)下觀察，選取合適區(qū)域；再提高放大倍數(shù)至適合值，得到代表性SEM圖像，作為孔隙結(jié)構(gòu)分析對(duì)象。

2.4 定量分析

采用PCAS軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行二值化和矢量化分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)土體孔隙結(jié)構(gòu)的定量評(píng)價(jià)。特別指出，軟件參數(shù)輸入對(duì)分析結(jié)果具有較大影響，試驗(yàn)通過統(tǒng)一輸入?yún)?shù)控制各試驗(yàn)分析過程。具體定量評(píng)價(jià)過程主要從3個(gè)方面展開：

1)對(duì)結(jié)構(gòu)單元體或孔隙尺度及其分布特征的評(píng)價(jià)，如結(jié)構(gòu)單元體或孔隙面積、周長(zhǎng)、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(duì)結(jié)構(gòu)單元體或孔隙排列特征的定量評(píng)價(jià)，如方向角、定向角、定向頻率、概率熵及定向分維數(shù)。

3)對(duì)結(jié)構(gòu)單元體或孔隙形態(tài)特征的定量評(píng)價(jià)，如圓形度、各項(xiàng)異性率、形狀系數(shù)及孔隙形態(tài)分形維數(shù)等。

針對(duì)以上3個(gè)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(tài)分形維數(shù)4個(gè)典型指標(biāo)，以研究土體孔隙大小變化、孔隙結(jié)構(gòu)的有序性以及孔隙形態(tài)變化情況，實(shí)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)的定量分析。表2給出了各指標(biāo)的定義。

表2 土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Quantitative evaluation indices for the soil mesostructure

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)定性分析

圖2 SEM圖像Fig. 2 Schematic diagram of the SEM

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)定量分析

通過電鏡掃描得到T1試驗(yàn)前重塑土樣、T1和T2試驗(yàn)后陽極和陰極處土樣SEM圖像，采用PCAS軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)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(tài)分維數(shù)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(xiàn)類似的變化規(guī)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(yàn)陰極土體數(shù)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(huì)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(tài)分維數(shù)較重塑土小，說明經(jīng)電滲處理后，土體孔隙的空間形態(tài)有變光滑的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)復(fù)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(duì)土體孔隙結(jié)構(gòu)有序性的影響并不明顯。

圖3 表觀孔隙比Fig. 3 Apparent void ratio

圖5 孔隙形態(tài)分維數(shù)Fig.5 Pore fractal dimension

圖6 孔隙概率熵

3.3 表觀孔隙比與計(jì)算孔隙比

通過孔隙結(jié)構(gòu)分析得到表觀孔隙比，所得數(shù)據(jù)反映了一定面積上孔隙集度情況，可視其為實(shí)測(cè)孔隙比。另外，可根據(jù)土體3項(xiàng)指標(biāo)換算關(guān)系，通過含水量計(jì)算孔隙比，其計(jì)算式為

(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(duì)實(shí)測(cè)表觀孔隙比和計(jì)算孔隙比進(jìn)行比較。

為了得到電滲后土體含水量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)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(shù)值平均值作為該處含水量數(shù)值，得到T1試驗(yàn)陽極和陰極處含水量分別為40.2%和64.0%，T1試驗(yàn)分別為49.0%和69.7%。若假設(shè)試驗(yàn)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(jù)上述含水量數(shù)據(jù)和式(1)計(jì)算孔隙比，將計(jì)算結(jié)果與表觀孔隙比進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖7 表觀孔隙比與計(jì)算孔隙比Fig. 7 Apparent and calculated void

由圖7可知，對(duì)于重塑土，表觀孔隙比與計(jì)算孔隙比相近，說明試驗(yàn)結(jié)果可靠，而各組試驗(yàn)，不管是陽極處還是陰極處，計(jì)算孔隙比均小于表觀孔隙比，即根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)所得孔隙比大于通過含水量計(jì)算結(jié)果。Bergado等[16]通過實(shí)驗(yàn)得到類似的結(jié)果，他們采用導(dǎo)電PVD材料開展兩種模型尺寸的室內(nèi)電滲試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)了土體沉降和含水量的變化情況，并分別根據(jù)沉降和含水量計(jì)算得到土體的孔隙比，結(jié)果表明，根據(jù)含水量計(jì)算的孔隙比數(shù)值比根據(jù)沉降計(jì)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(shí)為孔隙變化引起的宏觀尺度上的響應(yīng)，根據(jù)沉降計(jì)算結(jié)果和根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)分析結(jié)果均代表土體實(shí)際孔隙變化。此試驗(yàn)和Bergado等[16]從不同角度得到類似結(jié)果，即電滲過程中，根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)或沉降分析所得孔隙比較根據(jù)含水量計(jì)算結(jié)果大。

4 討論

以上分析結(jié)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(shí)，孔隙空間形態(tài)變光滑，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性減弱。同一組試驗(yàn)，陽極土體電滲作用比陰極土體明顯，宏觀上表現(xiàn)為含水量更小，細(xì)觀上表現(xiàn)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(diǎn)通過比較表觀孔隙比和計(jì)算孔隙比可以看出，根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)分析或沉降計(jì)算所得孔隙比較根據(jù)含水量計(jì)算結(jié)果大。因含水量和土顆粒比重固定，由式(1)分析可知，計(jì)算結(jié)果偏小唯一原因是飽和度偏大?？梢?，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(xiàn)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(zhì)息息相關(guān)。圖8給出了理想狀態(tài)下電滲法與重力式方法對(duì)土體孔隙結(jié)構(gòu)的影響。這里的理想狀態(tài)指的是不考慮二者互相作用。對(duì)于重力式加固方法，如堆載或真空預(yù)壓等，自由水和毛細(xì)水在超孔隙水壓力作用下被排出，土體孔隙產(chǎn)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(zhì)在于離子帶動(dòng)水分子的遷移運(yùn)動(dòng)，這種遷移運(yùn)動(dòng)的源動(dòng)力為施加在電極兩端的電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)力，因而，若假設(shè)土體自重為0，筆者認(rèn)為，電滲過程中土體孔隙將不產(chǎn)生壓縮，只表現(xiàn)為水分在孔隙中的穿梭運(yùn)動(dòng)(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(shí)際電滲過程中，土體自重不可忽略，水遷移同時(shí)土體孔隙在重力作用下產(chǎn)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(huì)降低。

從機(jī)理上看，電滲的本質(zhì)是離子帶動(dòng)水分子的遷移，與土骨架壓縮并無直接關(guān)聯(lián)。然而，土體收縮或沉降是地基處理的最終目的，如何實(shí)現(xiàn)電滲排水的同時(shí)土骨架有效收縮是電滲處理的關(guān)鍵之一。若將電滲法與外荷載聯(lián)合作用，利用電滲法主動(dòng)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(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”、“揚(yáng)長(zhǎng)避短”的作用。因此，實(shí)際工程中，電滲法需與堆載、真空預(yù)壓等聯(lián)合使用。

圖8 電滲和重力式方法對(duì)土體孔隙結(jié)構(gòu)的作用Fig. 8 Effects of electro-osmosis and mechanical technique on the soil pore

5 結(jié)論

采用杭州軟土開展電滲試驗(yàn)，研究電滲過程中土體細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)變化及其與土體宏觀變形之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，從細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)角度揭示電滲加固機(jī)理，得到以下結(jié)論：

2)電滲過程中，隨著水分的排出，孔隙收縮，孔隙比降低，同時(shí)，孔隙空間形態(tài)變光滑，結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)，即離子帶動(dòng)水分子的遷移運(yùn)動(dòng)。

4)實(shí)際工程中，電滲法需與堆載或真空預(yù)壓等工法聯(lián)合使用，以減少電滲排水量與土體收縮量的差值，實(shí)現(xiàn)電滲法“主動(dòng)排水”，堆載或真空預(yù)壓“壓縮土骨架”的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用。

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