楊建貴 徐小平 馬昌龍

摘 要：為了改善電滲法處理軟土地基出現(xiàn)陰陽(yáng)極加固效果嚴(yán)重不均勻的現(xiàn)象，該文利用自制的試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了3組不同邊界條件下的電滲加固高嶺土室內(nèi)模型試驗(yàn)。分別對(duì)比分析并探討了試驗(yàn)過(guò)程中電流、排水量、能耗、沉降、電勢(shì)分布及試驗(yàn)后不排水抗剪強(qiáng)度和含水率等參數(shù)指標(biāo)，結(jié)果顯示陰極抽真空的電滲試驗(yàn)相比其他兩組試驗(yàn)，在更少的時(shí)間內(nèi)排水更多，沉降更大；且試驗(yàn)結(jié)束后土體的不排水抗剪強(qiáng)度更高，水平方向上的不排水抗剪強(qiáng)度較為均勻?？偨Y(jié)試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了陰極抽真空結(jié)合電滲法對(duì)于陰陽(yáng)極加固不均勻的現(xiàn)象顯著改善。

關(guān)鍵詞：高嶺土 電滲 邊界條件 陰極抽真空 固結(jié) 抗剪強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（a）-00-06

電滲法可以顯著提高軟土的不排水抗剪強(qiáng)度，然而加固后的土體呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。如何改善電滲后土體的不均勻性值得深入研究。為了改善土體電滲加固的不均勻性，該文在常規(guī)二維電滲固結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行一定的改進(jìn)，對(duì)比分析改進(jìn)后的二維電滲固結(jié)試驗(yàn)與常規(guī)二維固結(jié)試驗(yàn)各參數(shù)在電滲過(guò)程中的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒塾勺髠?cè)的試樣盒和右側(cè)的集水箱組成。試樣盒的內(nèi)徑尺寸為370mm×200mm×210mm，集水箱的內(nèi)徑尺寸為100mm×200mm×210mm，在集水箱底部中央開(kāi)有一直徑為2cm的小孔用于排水。在試樣盒與集水箱交界處對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)插槽，插入有孔有機(jī)玻璃板可變?yōu)槌Ｒ?guī)二維電滲固結(jié)試驗(yàn)，插入無(wú)孔有機(jī)玻璃板可進(jìn)行陰極抽真空的電滲固結(jié)試驗(yàn)。

陽(yáng)極采用直徑為3mm的銅絲，陰極采用直徑為3mm的銅絲結(jié)合塑料排水板（陰極抽真空試驗(yàn)時(shí)采用銅絲結(jié)合帶孔的塑料管）。采用兩對(duì)電極呈長(zhǎng)方形布置形式。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了更好地模擬現(xiàn)場(chǎng)工程情況，進(jìn)行了3組對(duì)比試驗(yàn)，采用長(zhǎng)方形電極布置形式?？紤]到電極會(huì)對(duì)其周圍土體的影響，電極應(yīng)與槽壁有一定的距離，此外，一般同性電極間距b比異性電極間距L小得多，故采用L×b為320mm×120mm的電極間距進(jìn)行模型試驗(yàn)。

從最常規(guī)的二維電滲加固試驗(yàn)出發(fā)，在試驗(yàn)過(guò)程中，加固區(qū)土體表面會(huì)出現(xiàn)較大裂縫，土體裂縫會(huì)使土體的電阻率增大，這樣就會(huì)導(dǎo)致電能的利用率大大降低。為了更好地限制裂縫發(fā)展，在土體表面進(jìn)行一定的堆載，采取堆載聯(lián)合電滲的方式進(jìn)行第二組試驗(yàn)。由于土體表面堆載主要是為了限制試驗(yàn)過(guò)程中的裂縫發(fā)展，所以只是采用簡(jiǎn)單的砝碼直接加荷，施加的荷載也比較小，僅為1.0kPa。

經(jīng)過(guò)前兩組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盡管試驗(yàn)中采用了一定的堆載，但是加固后的土體不均勻性較大，陽(yáng)極附近土體加固效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于陰極附近土體。為了改善加固后土體的不均勻性，在堆載聯(lián)合電滲加固的同時(shí)對(duì)陰極進(jìn)行抽氣，施加30kPa的真空負(fù)壓。

1.3 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土采用的是南京江寧方山的高嶺土，原狀土是已經(jīng)磨碎制好的極細(xì)粉末，可以直接按照一定的含水率配置成飽和土樣。土的基本物理性質(zhì)經(jīng)測(cè)定如下：Gs=2.48，wL=41.75%，wP=23.62%，初始含水率w=58%。

1.4 試驗(yàn)步驟

整套試驗(yàn)由3個(gè)小試驗(yàn)組成，試驗(yàn)條件匯總在表1中。

試驗(yàn)具體實(shí)施步驟如下。

試驗(yàn)1（常規(guī)二維電滲加固試驗(yàn)）：將有孔有機(jī)玻璃板插入插槽制成試樣盒，并在玻璃板表面包裹一層濾布，在試驗(yàn)盒中安裝電極，分層密實(shí)裝填土樣；連接線路和電表；靜置24h后，接通電源，開(kāi)始電滲。

試驗(yàn)2（堆載聯(lián)合電滲加固試驗(yàn)）：在試驗(yàn)1的基礎(chǔ)上在土體表面均勻施加1.0kPa的堆載。

試驗(yàn)3（陰極抽真空的堆載聯(lián)合電滲加固試驗(yàn)）：將試驗(yàn)2中的有孔玻璃板換成無(wú)孔有機(jī)玻璃板插入插槽制成四周封閉的試樣盒。將帶有銅絲的塑料管作為陰極插入土體，并將陰極塑料管連接真空抽氣裝置。通電進(jìn)行電滲，同時(shí)進(jìn)行陰極真空抽氣，直至各個(gè)測(cè)試量無(wú)明顯變化時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)連接示意圖如圖1所示。

1.5 試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容包括試驗(yàn)過(guò)程中土體不同部位的沉降量、土體電勢(shì)、排水量、電流值以及試驗(yàn)后土體不同位置處（如圖2所示）的不排水抗剪強(qiáng)度和含水量分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 電流變化分析

通過(guò)電流表得到了3種不同邊界條件下，高嶺土試樣在電滲過(guò)程中電流隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖3所示。

在電滲初始時(shí)刻，由于試驗(yàn)1與試驗(yàn)2的土體初始含水量相近，且電極材料也是相同的，即土體電阻及界面電阻理論上也該接近，所以在電流上表現(xiàn)為兩組試驗(yàn)初始電流相近；而在試驗(yàn)3中，陰極處帶有銅絲的塑料管相比試驗(yàn)1及試驗(yàn)2的帶有銅絲的塑料排水板，電極與土體連接處的空隙更小，界面電阻也會(huì)更小，這導(dǎo)致初始電流比前兩組試驗(yàn)大了30mA左右。

隨著電滲的進(jìn)行，3種不同邊界條件下的試樣在試驗(yàn)過(guò)程中電流都逐漸減小。在電滲的前40h內(nèi)，試驗(yàn)1與試驗(yàn)2中的電流幾乎以相同的速率減小，而試驗(yàn)3中的電流則迅速降低。造成這種現(xiàn)象的主要原因是試驗(yàn)3在陰極真空負(fù)壓的作用下，排水速率較快，含水量快速降低，導(dǎo)致電流較快減??；而試驗(yàn)1與試驗(yàn)2排水方式主要為自流，含水量減小的速率較慢，導(dǎo)致電流減小的速率也不顯著。

2.2 電滲排水量變化分析

由于電勢(shì)試驗(yàn)開(kāi)始前，3組試驗(yàn)土樣的體積不同，為了衡量不同邊界條件對(duì)電滲的影響，如果僅僅以電滲過(guò)程中排出水的體積總量則顯得不公平，若將評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)為電滲排水量與初始時(shí)試樣含水總量的比值則比較合理。圖4為通過(guò)3組電滲試驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)時(shí)間段的排水量與試樣開(kāi)始時(shí)的含水總量的比值得到的考慮土樣體積的電滲排水曲線。

從圖4中可以看出，3組試驗(yàn)排水量都出現(xiàn)了初期電滲排水速率較快而后期排水較慢的規(guī)律。在電滲聯(lián)合堆載試驗(yàn)2中，由于施加的堆載壓力較小，在整個(gè)電滲過(guò)程中，排水速率與排水總量都與試驗(yàn)1單純電滲相差較小，而在試驗(yàn)3中，利用真空泵不斷地在陰極進(jìn)行真空負(fù)壓抽氣，加快了出水速率，同時(shí)也起到了真空預(yù)壓的效果，因此在排水速率與排水總量上都比試驗(yàn)1和試驗(yàn)2大得多。其中，試驗(yàn)3在30h、60h和最終的排水量分別是試驗(yàn)1的1.6倍、1.5倍和1.4倍（見(jiàn)表2）。

排水量是電滲中的一個(gè)比較重要的參數(shù)，排水量的多少?gòu)囊欢ǔ潭壬峡梢苑从吵鲭姖B的加固效果，因此，對(duì)陰極進(jìn)行真空抽氣可以更快、更多地排出水電滲試樣中的水，大大提高了電滲的效率。

2.3 能耗分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，為了研究土體電滲排水所消耗的電量，利用以上公式（2）得出電滲耗電量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5中可以看出，3組不同邊界條件下的電滲試驗(yàn)用于土體電滲的耗電量基本呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即在電滲前期，土體耗電量隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，隨著電滲的繼續(xù)進(jìn)行，土體耗電量增加的速率逐漸減小。綜合比較3組試驗(yàn)的電滲耗電量，試驗(yàn)3的耗電量增加速率及總耗電量均大于試驗(yàn)1及試驗(yàn)2，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)3中在陰極結(jié)合真空抽氣提高了電滲的效率，使通過(guò)土體的電流較大，從而在相同電壓下耗電量最大；試驗(yàn)3的總耗電量為0.17kWh，分別為試驗(yàn)1的1.21倍、試驗(yàn)2的1.04倍。

然而，考慮到3組不同邊界條件下試樣土體體積有所不同且在電滲過(guò)程中的排水量也有大有小，為了排除此類影響，更加確切地研究在不同邊界條件下的電滲耗電量，根據(jù)公式（1）得出電滲的能耗系數(shù)，如圖5所示。

從圖6可以清楚地看到，試驗(yàn)3的能耗系數(shù)最低且在電滲過(guò)程中較穩(wěn)定，即單位體積的土體排出單位體積的水需要消耗更少的能量?？梢?jiàn)結(jié)合了真空抽氣后土體的電滲效率明顯得到了提高。相比于試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中在土體表面施加了堆載壓力，導(dǎo)致在前25h試驗(yàn)2的能耗系數(shù)小于試驗(yàn)1，而25h后的能耗系數(shù)逐漸大于試驗(yàn)1，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，兩者的能耗系數(shù)差值越來(lái)越大。由此可以得出，試驗(yàn)2中施加的堆載壓力僅僅在電滲前期的降低能耗上有一定的優(yōu)勢(shì)，而該試驗(yàn)堆載的主要目的是為了抑制橫向裂縫的發(fā)展，施加的荷載比較小，在實(shí)際工程中，堆載壓力設(shè)計(jì)值的大小也是值得關(guān)注的問(wèn)題，這同樣有助于在電滲過(guò)程中減少電能消耗，提高利用率。

為了更直觀地了解土體電滲耗能的大小，利用處理每立方土體所需要消耗的能量來(lái)比較3組不同邊界條件下試驗(yàn)的耗電量，并且在試驗(yàn)3中真空預(yù)壓的耗電量按照實(shí)際工程情況約為3kWh/m3。由于3組不同邊界條件下的試驗(yàn)最后通電時(shí)間不同，因此3組試驗(yàn)均按照120h處理時(shí)間比較土體電滲耗電量，如表3所示。

從表3可以直觀地看到各試驗(yàn)的耗電量。試驗(yàn)2消耗的電能最大，試驗(yàn)3次之，試驗(yàn)1耗電最少。聯(lián)系電滲過(guò)程中排出的水量來(lái)看，試驗(yàn)3的排水總量是試驗(yàn)1排水總量的1.4倍，而耗電量?jī)H僅增加了11.8%，這也從側(cè)面證實(shí)了陰極真空抽氣的有效性及經(jīng)濟(jì)性。

2.4 土體沉降變化分析

在電滲作用下，土體中的水會(huì)隨著電滲的進(jìn)行而不斷被排出，根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，在總應(yīng)力不變的條件下，土體中的孔隙水應(yīng)力減小，則有效應(yīng)力增大，土體孔隙比將減小，從而土體發(fā)生固結(jié)產(chǎn)生沉降。利用百分表測(cè)量了3組不同邊界條件下土體表面不同位置的沉降變化，如圖7所示。

土體的表面沉降在3組電滲試驗(yàn)中都出現(xiàn)了隨時(shí)間的增加而不斷增大的現(xiàn)象。從圖7中可以看到，3組試驗(yàn)最大沉降都出現(xiàn)在土體表面的中間位置，這主要是因?yàn)殛庩?yáng)極側(cè)的土體在沉降過(guò)程中受到了模型槽壁的阻力影響。其中最大的是試驗(yàn)3，達(dá)到了34.62mm，最小的為試驗(yàn)1，達(dá)到了22.20mm；另外，以出現(xiàn)沉降量最大的土體中間位置來(lái)看，在試驗(yàn)3中從第28h開(kāi)始沉降速率減緩，且沉降量已完成總沉降的67%；而試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中從第48h才開(kāi)始沉降速率減緩，且沉降量分別達(dá)到總沉降的67%及69%。由此可見(jiàn)，3組試驗(yàn)中，若要達(dá)到相同的沉降量，試驗(yàn)3耗時(shí)最少，試驗(yàn)2次之，試驗(yàn)1耗時(shí)略多于試驗(yàn)2。這主要還是取決于試驗(yàn)的邊界條件，試驗(yàn)3結(jié)合了真空抽氣使土體中的孔壓下降較快，沉降必然最快，而試驗(yàn)2相比試驗(yàn)1，在土體表面施加了堆載也同樣地加快了土體中孔壓的消散，從而加快沉降。

從陰陽(yáng)極的差異沉降來(lái)看，在試驗(yàn)1中，陰陽(yáng)極的最終沉降相差6.72mm；在試驗(yàn)2中差異沉降為2.98mm；而在試驗(yàn)3中，陰陽(yáng)極的差異沉降僅為0.46mm。這也顯示出陰極抽真空的電滲聯(lián)合堆載試驗(yàn)的優(yōu)越性。

2.5 土體中電勢(shì)變化分析

試驗(yàn)中以電源負(fù)極電勢(shì)為0，通過(guò)電勢(shì)探針測(cè)得與負(fù)極的電勢(shì)差從而求得不同位置處的電勢(shì)。圖8揭示了電滲試驗(yàn)中，土體在沿長(zhǎng)度方向上不同通電時(shí)間的電勢(shì)分布。

從圖8中的結(jié)果可以看到，在電滲前24h，除了在陰陽(yáng)兩極附近有明顯的“跳躍”現(xiàn)象外，試樣中土體之間各個(gè)測(cè)點(diǎn)的電勢(shì)基本呈線性分布且電勢(shì)變化較小、較穩(wěn)定。另外，可以清楚地看到，3組不同邊界條件下的試驗(yàn)都出現(xiàn)了陽(yáng)極處的電壓降大于陰極處的電壓降，這與之前的學(xué)者試驗(yàn)中的結(jié)果一致。

2.6 抗剪強(qiáng)度變化分析

電滲試驗(yàn)結(jié)束后，利用微型十字板剪切儀測(cè)定了土體的不排水抗剪強(qiáng)度。各試驗(yàn)的結(jié)果如圖9所示。

3組不同邊界條件下的試驗(yàn)由于土體的初始含水率較高，利用微型十字板剪切儀幾乎無(wú)法測(cè)得強(qiáng)度，可以認(rèn)為初始強(qiáng)度為零，在電滲結(jié)束后，土體的強(qiáng)度得到了顯著的提高。試驗(yàn)3土體加固后的強(qiáng)度明顯高于試驗(yàn)1及試驗(yàn)2，試驗(yàn)3的最大強(qiáng)度約為試驗(yàn)1中土體最大強(qiáng)度的1.8倍。

試驗(yàn)1與試驗(yàn)2不排水強(qiáng)度曲線揭示了土體表層強(qiáng)度最低而底部強(qiáng)度最高，這主要是因?yàn)樵谠囼?yàn)1與試驗(yàn)2中土體表面覆蓋了堆載板，僅僅通過(guò)堆載板上的若干小孔排出土體表面的水，排水措施效果較差，這就導(dǎo)致了底部不排水強(qiáng)度高于表層強(qiáng)度。

試驗(yàn)3電滲結(jié)束后，土體表層強(qiáng)度明顯高于底部不排水強(qiáng)度，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)3的陰極施加了真空負(fù)壓抽氣，促進(jìn)了土體表層水的排出，另外，真空度經(jīng)過(guò)塑料管由上到下傳遞時(shí)會(huì)有損失，即土體上層的真空度大于底部真空度，這也會(huì)導(dǎo)致底部強(qiáng)度優(yōu)于表層強(qiáng)度。

在試驗(yàn)1中，在水平方向，出現(xiàn)陽(yáng)極附近土體加固后強(qiáng)度最高，中間次之，陰極附近土體加固后強(qiáng)度最差；而在試驗(yàn)2、3中，整體上出現(xiàn)中間土體強(qiáng)度低于陰極附近土體的強(qiáng)度，這是由于在電滲聯(lián)合堆載條件下，中間土體的沉降比試驗(yàn)1大且表面排水較差導(dǎo)致土體表面有部分水會(huì)在中間匯聚，使得中間土體的含水率較高而強(qiáng)度較低。

在試驗(yàn)1中，加固后土體沿長(zhǎng)度方向強(qiáng)度分布明顯不均勻，在同一水平面上，強(qiáng)度較高的陽(yáng)極附近土體分別是強(qiáng)度較低的陰極附近土體的5倍、3.9倍和5倍；在試驗(yàn)2中，施加堆載后土體各位置的強(qiáng)度都較試驗(yàn)1有所提高，但仍然出現(xiàn)陰陽(yáng)極加固效果極大的不均勻，在同一水平面上，強(qiáng)度較高的陽(yáng)極附近土體分別是強(qiáng)度較低的中間附近土體的5.8倍、5.5倍和4.3倍；試驗(yàn)3中，在電滲聯(lián)合堆載的情況下，陰極真空抽氣，這使得土體各位置的強(qiáng)度得到了很大的提高，同時(shí)，我們還可以發(fā)現(xiàn)相比較前兩組試驗(yàn)，試驗(yàn)3中土體加固后的強(qiáng)度顯得較均勻，且在同一水平面上，強(qiáng)度較高的陽(yáng)極附近土體分別是強(qiáng)度較低的中間土體的1.8倍、1.7倍和2.2倍，證明了在電滲聯(lián)合堆載的情況下陰極抽真空的有效性。

2.7 含水量變化分析

在電滲試驗(yàn)結(jié)束后，按照?qǐng)D2所示選取距離不同位置、不同深度的9個(gè)土樣進(jìn)行含水率試驗(yàn)。3組試驗(yàn)加固后土樣含水率變化已繪制在圖10中。

3組試驗(yàn)的土樣初始含水率均為58%，電滲結(jié)束后含水率都有顯著的降低。從含水率的曲線圖可以看到，試驗(yàn)后各個(gè)位置的含水率與加固后土體的不排水抗剪強(qiáng)度基本一一對(duì)應(yīng)，即有含水率越高，抗剪強(qiáng)度越低，含水率越低，抗剪強(qiáng)度越高。試驗(yàn)3中含水率降低幅度最大，降低幅度從31%～45%不等；而其他兩組試驗(yàn)最低降低幅度都在19%以下。

2.8 觀察到的其他現(xiàn)象

電滲試驗(yàn)結(jié)束后，從土體中取出銅絲電極。陽(yáng)極銅絲腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)了銅綠，這也會(huì)導(dǎo)致電滲過(guò)程中電流的減小而降低電滲效率。陰極銅絲雖然沒(méi)有受到腐蝕，但電極表面覆蓋了一層白色的沉淀物，這會(huì)增大陰極接觸電阻而使電滲效率降低。因此，在實(shí)踐工程中，要選用既經(jīng)濟(jì)又耐腐蝕的材料作為電極，從而達(dá)到提高電滲效率的作用。

3 結(jié)論

該文利用自制的試驗(yàn)裝置，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)邊界條件，進(jìn)行了3組試驗(yàn)方案不同的二維電滲加固軟土室內(nèi)模型試驗(yàn)，分別對(duì)比分析并探討了試驗(yàn)過(guò)程中電流、排水量、能耗、沉降、電勢(shì)分布及試驗(yàn)后不排水抗剪強(qiáng)度和含水率等參數(shù)指標(biāo)，主要結(jié)論如下。

（1）陰極抽真空的電滲聯(lián)合堆載試驗(yàn)?zāi)茉诟俚臅r(shí)間內(nèi)排水更多，沉降更大，最終排水量是單純電滲試驗(yàn)的1.4倍。

（2）陰極抽真空的電滲聯(lián)合堆載試驗(yàn)結(jié)束后土體的不排水抗剪強(qiáng)度更高，含水率更低，不排水抗剪強(qiáng)度約為單純電滲后土體強(qiáng)度的1.8倍。

（3）陰極抽真空的電滲聯(lián)合堆載試驗(yàn)結(jié)束后，土體水平方向加固效果較前兩組試驗(yàn)更加均勻。在同一水平面上，強(qiáng)度較高的陽(yáng)極附近土體分別是強(qiáng)度較低的中間土體的1.8倍、1.7倍和2.2倍。

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