宗夢繁，李傳勛，吳文兵,4*，田 乙，梁榮柱，梅國雄

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué) 浙江研究院，浙江 杭州 311305；3.江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

吹填造陸是解決沿海城市土地資源短缺的重要措施，也是合理疏浚和清潔沿海水環(huán)境的新途徑。其中，吹填淤泥的有效處理是工程中必須要解決的技術(shù)難點(diǎn)。如果采用單一的堆載預(yù)壓排水固結(jié)法加固高飽和、細(xì)顆粒、低滲透的吹填土地基，則存在固結(jié)時(shí)間長，尤其是固結(jié)后期固結(jié)速率特別緩慢的問題。故十分有必要對常規(guī)堆載預(yù)壓進(jìn)行改良以加快土體的固結(jié)速率。工程實(shí)踐表明，堆載-電滲聯(lián)合作用下，吹填土的固結(jié)速率及加固效果均會有明顯提高。同時(shí)，吹填土與原有土層往往構(gòu)成雙層地基，故深入研究堆載-電滲聯(lián)合作用下雙層地基1維固結(jié)問題具有重要的理論和實(shí)際意義。

Esrig最早建立1維電滲固結(jié)方程，并得到該方程的解析解。Wan和Mitchell進(jìn)一步考慮堆載作用的影響，并證明了電極轉(zhuǎn)換的有效性。在此基礎(chǔ)上，李瑛等考慮堆載-電滲聯(lián)合作用，建立了軸對稱模型的耦合固結(jié)方程。王柳江等以超靜孔隙水壓力作為變量，得到堆載-電滲聯(lián)合作用下1維非線性大變形固結(jié)方程，再進(jìn)一步對模型簡化后獲得解析解答。Wu等根據(jù)不同的土體非線性模型，在進(jìn)一步簡化假定的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出非線性堆載-電滲1維固結(jié)解析解。Wang等利用Laplace變換技術(shù)，獲得了堆載作用下非飽和土電滲固結(jié)半解析解。豎井排水加固地基是一種常用的地基處理方法，胡亞元和張?bào)A等分別研究了半透水邊界和連續(xù)排水邊界對豎井地基固結(jié)的影響。周亞東等對豎井地基電滲排水法進(jìn)行了研究，獲得了豎向軸對稱堆載-電滲耦合非線性固結(jié)解答。以上堆載形式均被假定為瞬時(shí)堆載，而工程中更多情況為線性堆載?；诖?，王軍等推導(dǎo)出線性堆載下軟黏土1維電滲固結(jié)解析解。然而以上關(guān)于電滲固結(jié)的研究均假定地基為單層地基，對實(shí)際中的成層地基在堆載-電滲聯(lián)合作用下的固結(jié)計(jì)算問題不再適用。

雙層地基是天然層狀地基中最簡單的形式。Gray最先對瞬時(shí)加載下雙層地基固結(jié)問題進(jìn)行了研究。Schiffman和Stein在Gray工作的基礎(chǔ)上，針對一系列邊界條件和復(fù)雜應(yīng)力歷史，給出了成層地基固結(jié)問題的解答。欒茂田等利用分離變量法得到了外載沿深度分段線性分布的雙層地基1維固結(jié)解析解。Lee等得到了瞬時(shí)荷載下成層地基1維固結(jié)解析解。隨后，有學(xué)者研究了變荷載對層狀地基固結(jié)的影響：謝康和等給出了單級加載下雙層及成層地基1維固結(jié)問題完整的解析解答；楊峻等求解了循環(huán)荷載作用下雙層地基的1維固結(jié)。此后，一些學(xué)者進(jìn)一步考慮非線性、非達(dá)西及大變形等因素，研究了雙層地基1維固結(jié)特性。但需注意的是，目前對層狀地基電滲固結(jié)理論的相關(guān)研究仍較少，雖然Zhao等在Esrig的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雙層地基1維電滲固結(jié)解析解，但仍然沒有考慮堆載-電滲的聯(lián)合作用效果以及按沉降定義的平均固結(jié)度與按孔壓定義的平均固結(jié)度的區(qū)別。

本文在Zhao等雙層地基1維電滲固結(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮瞬時(shí)堆載和線性堆載作用，求解出堆載-電滲聯(lián)合作用下雙層地基1維固結(jié)解析解。本文解在特定條件下可分別退化為堆載下雙層地基1維固結(jié)解析解及電滲作用下雙層地基1維固結(jié)解析解。最后，詳細(xì)討論了不同參數(shù)取值對堆載-電滲聯(lián)合下雙層地基1維固結(jié)的影響。

1 固結(jié)模型的建立與求解

1.1 堆載-電滲聯(lián)合作用下固結(jié)控制方程

雙層地基1維電滲固結(jié)分析模型如圖1所示。

圖1 雙層地基電滲固結(jié)模型示意圖Fig. 1 Sketch of electro-osmotic consolidation model for double-layered soil

圖1中，

l

為第

i

層土（

i

=1，2）的厚度，地基總厚度

L

=

l

+

l

。

m

、

k

和

k

分別為第

i

層土的體積壓縮系數(shù)、水力滲透系數(shù)和電滲滲透系數(shù)。

q

(

t

)為施加在土體上的變荷載，荷載形式如圖2所示，其表達(dá)式為：

圖2 荷載-時(shí)間關(guān)系Fig. 2 Relationship between loading and time

式中，

q

和

q

分別為初始荷載和恒載階段荷載，

t

為時(shí)間，

t

為加載完成時(shí)間。1） 當(dāng)

t

=0時(shí)，變荷載退化為瞬時(shí)堆載，此時(shí)：

2） 當(dāng)

q

c=0時(shí)，變荷載退化為線性等速堆載，此時(shí)：

諸多研究1維電滲固結(jié)的文獻(xiàn)均假定電勢隨深度線性變化，而不隨時(shí)間變化，在該情況下，雙層地基中的電勢沿深度分布為：

式中，

V

為第

i

層土的電勢（

i

=1，2），

V

為電源電壓，

L

為地基總厚度，

x

為土體的深度。由Darcy定律知水力坡降引起的滲透流速

v

=

k

I

，而Mitchell的研究表明，電勢引起的滲透流速

v

=

k

I

。Esrig認(rèn)為土中滲流可由水力坡降所引起的滲流與電勢差所引起的滲流進(jìn)行疊加，因此電滲作用下土體中的滲透流速表達(dá)式為：

式中：

v

為第

i

層土的總流速；

k

和

k

分別為第

i

層土水力滲透系數(shù)和電滲滲透系數(shù)；

I

和

I

分別為第

i

層土水力坡降和電勢坡降，

I

=grad(

V

)，因此滲透流速可進(jìn)一步表示為：

式中，

u

為第

i

層土的超靜孔隙水壓力，γ為水的重度。

不考慮熱滲透效應(yīng)、化學(xué)滲透效應(yīng)并忽略土體的流變特性，根據(jù)土體單元內(nèi)排出的水量等于土體體積壓縮量這一連續(xù)條件，可得：

式中，

m

為第

i

層土的體積壓縮系數(shù)，σ為第

i

層土的有效應(yīng)力。

根據(jù)飽和土有效應(yīng)力原理，有效應(yīng)力表達(dá)式為：

將式（6）和（8）代入式（7），可得變荷載下雙層地基1維電滲固結(jié)方程：

式中，

c

為第

i

層土的固結(jié)系數(shù)，

c

=

k

/(γ

m

)。

固結(jié)模型中初始條件為：

邊界條件分別為：

雙層地基的層間連續(xù)條件為：

為方便求解，做如下變量代換，令：

應(yīng)用以上變量代換，堆載-電滲聯(lián)合作用下的雙層地基固結(jié)控制方程可表達(dá)為：

其中，

對應(yīng)的求解條件可分別表達(dá)為：

式中，α為已知常數(shù)， α =(

k

/

k

-

k

/

k

)γ

V

。水力滲透系數(shù)與電滲滲透系數(shù)的比值是影響電滲固結(jié)效率的重要指標(biāo)之一，眾多學(xué)者分析了該比值對電滲固結(jié)的影響。Zhao等假定雙層地基上、下土層水力滲透系數(shù)與電滲滲透系數(shù)的比值相同（

k

/

k

=

k

/

k

），獲得雙層地基1維電滲固結(jié)解析解。根據(jù)Zhao等提出的假定可得：

1.2 堆載-電滲固結(jié)模型的求解

為便于求解和固結(jié)性狀分析，定義如下無量綱參數(shù)：

根據(jù)雙層地基1維固結(jié)解答，固結(jié)方程式（15）的解答可表示為：

其中：

式（28）～（30）中，β、μ、λ

、

A

、

B

和

C

為未知的待定系數(shù)，

T

(

t

)為關(guān)于

t

的未知函數(shù)。當(dāng)這些待定系數(shù)及未知函數(shù)確定后，固結(jié)模型的解便可以確定。將層間連續(xù)條件式（19）和（21）代入式（28），可得求解λ的特征方程為：

在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步得到

A

的表達(dá)式：

將式（28）代入電滲固結(jié)方程式（15），可得：

由如下的三角函數(shù)正交關(guān)系：

結(jié)合式（36）和（37），可求得

C

的表達(dá)式：

將初始條件式（22）代入式（28），可得：

式（39）結(jié)合正交關(guān)系式（37），可得

B

為：

1）瞬時(shí)堆載情況

當(dāng)堆載形式為瞬時(shí)堆載時(shí)，由式（2）和（16）可知：

此時(shí)，式（28）退化為：

式中，

g

(

x

)表 達(dá)式為式（29）和（30），β、μ 、λ

、

A

和

B

表達(dá)式分別為式（33）、（34）、（31）、（32）和（40）。由式（14）可進(jìn)一步求得瞬時(shí)堆載下，超靜孔隙水壓力

u

的表達(dá)式。

2）線性堆載情況

此條件下電滲固結(jié)式（15）解答為：

式中，

T

由式（35）和（43）可求得：

B

為：

式（44）中，

C

計(jì)算方式見式（38），其他參數(shù)表達(dá)式與瞬時(shí)堆載情況相同。由式（14）可進(jìn)一步求得線性堆載下超靜孔隙水壓力

u

的表達(dá)式。

1.3 固結(jié)度解答

土體平均固結(jié)度可分為按沉降定義的平均固結(jié)度和按孔壓定義的平均固結(jié)度，前者反映土體沉降速率，后者反映超靜孔隙水壓力消散速率。實(shí)際工程中用哪種平均固結(jié)度取決于研究的問題是側(cè)重土體沉降還是超靜孔隙水壓力消散。

1）瞬時(shí)堆載情況

按孔壓定義的雙層地基平均固結(jié)度

U

可表示為：

按沉降定義的雙層地基平均固結(jié)度

U

可表示為：

式中，β、μ、λ

、

A

和

B

表達(dá)式分別為式（33）、（34）、（31）、（32）和（40）。

2） 線性堆載情況

按孔壓定義的平均固結(jié)度

U

可表示為：

按沉降定義的平均固結(jié)度

U

可表示為：

式中，

q

(

t

)表達(dá)式為式（3），

u

表達(dá)式由式（14）和（44）確定。

1.4 沉降解答

1）瞬時(shí)堆載情況

瞬時(shí)堆載下的雙層地基沉降表達(dá)式為：

式中，β、μ、λ

、

A

和

B

表達(dá)式分別為式（33）、（34）、（31）、（32）和（40）。

2）線性堆載情況

線性堆載下的雙層地基沉降表達(dá)式為：

式中，

q

(

t

)表達(dá)式為式（3），

u

表達(dá)式由式（14）和（44）確定。

2 解答的驗(yàn)證

當(dāng)外荷載為0時(shí)，本文解答退化為Zhao等提出的雙層地基1維電滲固結(jié)解。為驗(yàn)證本文解的正確性，采用表1中的參數(shù)分析了本文退化解答與Zhao等所得解答下土層相對滲透性

a

值對超靜孔隙水壓力的影響（圖3）。當(dāng)參數(shù)取值相同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)本文解和Zhao等解答完全相同，初步驗(yàn)證本文解的正確性。下層土中負(fù)超靜孔隙水壓力值隨

a

值增大而增大，而上層土中負(fù)超靜孔隙水壓力隨

a

值變化規(guī)律恰好相反。

a

值越大，表明下層土的電滲滲透系數(shù)和水力滲透系數(shù)相對上層土的電滲滲透系數(shù)和水力滲透系數(shù)更大，即下層土超靜孔隙水消散速率更快，從而表現(xiàn)出下層土負(fù)孔隙水壓力隨

a

值的增大而增大。在上層土中，

a

值越大，表明上層土的滲透性越小，孔隙水消散速率越慢，從而表現(xiàn)出上層土負(fù)孔隙水壓力隨

a

值的增大而減小。圖3說明相對滲透性越高的土層其超靜孔隙水壓力消散能力越大。

圖3 僅考慮電滲作用時(shí)的超靜孔隙水壓力曲線Fig. 3 Excess pore water pressure curves when only electro-osmotic action is considered

表1 雙層土參數(shù)
Tab. 1 Parameters of a double-layered soil

土層i li/m kei/(m2·s-1·V-1) khi/(m·s-1) mvi/kPa-1 1 5 4×10-10 2×10-10 1×10-3 2 c·l1 a·ke1 a·kh1 b·mv1

劉飛禹等針對單層土在堆載-電滲聯(lián)合作用下進(jìn)行了1維固結(jié)試驗(yàn)，并獲得了不同荷載與電滲電壓組合下的沉降曲線。表2為試驗(yàn)的土樣基本物理參數(shù)。將本文瞬時(shí)荷載下的雙層地基沉降解答退化為單層地基的沉降解答，圖4對比了本文解析解得到的沉降曲線與固結(jié)試驗(yàn)得到的沉降曲線。

表2 土樣基本物理參數(shù)
Tab. 2 Basic physical parameters of soil samples

含水率w/%比重Gs重度γ/(kN·m-3)孔隙比e試樣厚度/mm 46.00 2.76 16.70 1.57 30

圖4 理論沉降曲線與試驗(yàn)沉降曲線的對比Fig. 4 Comparison between theoretical settlement curves and experimental settlement curves

由于表2中，堆載-電滲聯(lián)合作用固結(jié)試驗(yàn)給定的土體基本物理參數(shù)沒有體積壓縮系數(shù)

m

、水力滲透系數(shù)

k

和電滲滲透系數(shù)

k

，而這3個(gè)參數(shù)是本文解答必不可少的，因此需要先反演出這3個(gè)參數(shù)。根據(jù)單純50 kPa荷載作用下的固結(jié)試驗(yàn)的最終沉降值，可以反演出體積壓縮系數(shù)

m

為1.249×10，由50 kPa荷載作用下的固結(jié)試驗(yàn)的沉降曲線可以反演出水力滲透系數(shù)

k

為6×10。進(jìn)一步，由“3 V+50 kPa”的荷載-電滲聯(lián)合作用下的固結(jié)試驗(yàn)的最終沉降值反演出電滲滲透系數(shù)

k

為1.6×10。通過本文解答與100 kPa荷載作用下和“3 V+100 kPa”荷載-電滲聯(lián)合作用下的固結(jié)試驗(yàn)對比可知，解析解與試驗(yàn)曲線有一定差距，但總體上較為吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文解答的合理性。此外，由圖4可以看出，考慮堆載-電滲聯(lián)合作用的土體沉降值最大，說明電滲聯(lián)合堆載作用能有效提高地基強(qiáng)度。增加電滲的環(huán)節(jié)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)堆載作用的影響，其作用效果類似于超載預(yù)壓，更有利于減小工后沉降并且加快堆載作用下的地基處理速率。

3 固結(jié)性狀分析

采用表1中的參數(shù)，分別分析土體參數(shù)、堆載參數(shù)及電滲參數(shù)對堆載-電滲聯(lián)合或單獨(dú)作用下的雙層地基固結(jié)性狀的影響。

3.1 超孔隙水壓力分析

圖5描述了固定電源電壓

V

為10 V時(shí)，雙層地基的土層分界面的超靜孔隙水壓力隨

a

值的變化。

圖5 a值對土層界面超靜孔隙水壓力的影響Fig. 5 Influence of a value on the excess pore water pressure at the interface of soil layer

為進(jìn)一步驗(yàn)證解析解程序的正確性，采用差分法對超靜孔隙水壓力進(jìn)行求解，可以看出，采用差分法計(jì)算得到的超靜孔隙水壓力與解析解所得超靜孔隙水壓力一致，說明本文解析解程序是可靠的。從圖5中可以看出：當(dāng)

a

>1時(shí)，會出現(xiàn)超靜孔隙水壓力在固結(jié)初期上升的現(xiàn)象，且

a

值越大，超靜孔隙水壓力增大幅度越大，孔壓上升現(xiàn)象越明顯；當(dāng)上層土的滲透系數(shù)保持不變時(shí)，

a

值越大則下層土的滲透系數(shù)（包括水力滲透系數(shù)和電滲滲透系數(shù)）越大。電滲固結(jié)的滲流由水力梯度和電勢兩種作用引起，在固結(jié)初期土體超靜孔隙水壓力等于堆載值，土體內(nèi)部超靜孔隙水壓力不能消散，因此，水力梯度引起的滲流量接近于0。而由式（6）可知，固結(jié)過程中電滲引起的滲流是恒定的，當(dāng)下層土的電滲滲透系數(shù)大于上層土的電滲滲透系數(shù)時(shí)，在土層分界面附近區(qū)域，土層下方的滲透流速大于土層上方的滲透流速。此時(shí)，取土體微單元進(jìn)行分析，

a

值越大，則土體單元底部和頂部的流速差值越大。土體單元流入的水量多，流出的水量少，從而造成固結(jié)初期超靜孔隙水壓力上升，其根本原因在于電勢而非外荷載。

為進(jìn)一步說明該現(xiàn)象，圖6描述了不同時(shí)間因數(shù)下，堆載-電滲聯(lián)合作用和單純堆載作用的滲透流速沿土層深度分布情況。圖6中，滲透流速為負(fù)值表示滲透流速方向豎直向上。單純堆載作用下，在固結(jié)初期土體內(nèi)部超靜孔隙水值等于外荷載值，土體內(nèi)部孔隙水來不及消散，從而在圖6中表現(xiàn)為土體內(nèi)部滲透流速幾乎為0；隨著時(shí)間因數(shù)的增大，土體內(nèi)部孔隙水逐漸消散，滲透流速逐漸增大。而堆載-電滲聯(lián)合下，在土層分界面附近區(qū)域，土層下方的滲透流速大于土層上方的滲透流速，說明圖5中土層分界面處超靜孔隙水壓力在固結(jié)初期上升是由土層下方流入的水量大于流出的水量引起的。隨著時(shí)間因數(shù)的增大，電滲作用下土體內(nèi)部滲透流速的差異逐漸減小，最終上層土的滲透流速更大，表現(xiàn)為時(shí)間因數(shù)較大時(shí)土體內(nèi)部的超靜孔隙水壓力逐漸消散。

圖6 滲透流速沿土層深度方向的分布曲線Fig. 6 Distribution curves of flow velocity along the direction of soil depth

圖7描述了不同條件下土層分界面超靜孔隙水壓力和有效應(yīng)力隨時(shí)間因數(shù)的變化。從圖7中可以看出，電滲和堆載-電滲作用下的超靜孔隙水壓力在固結(jié)初期均有上升的現(xiàn)象，而在堆載作用下沒有該現(xiàn)象。電滲和堆載-電滲作用下的有效應(yīng)力在固結(jié)初期均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，且兩者完全重合，說明超靜孔隙水壓力上升及有效應(yīng)力降低是由電滲作用產(chǎn)生的，堆載對該現(xiàn)象沒有影響。綜合分析圖5和6可知，當(dāng)

a

>1時(shí)，中間土層超靜孔隙水壓力在固結(jié)初期上升是由于電滲作用使中間土層流入的水量大于流出的水量，孔隙中水發(fā)生擁擠，造成超靜孔隙水壓力上升和有效應(yīng)力降低。需要說明的是，曼德爾效應(yīng)也會產(chǎn)生超靜孔隙水壓力在固結(jié)初期上升的現(xiàn)象，但其原因是土體的環(huán)向收縮壓力，因此，本文中超靜孔隙水壓力上升的現(xiàn)象并不是曼德爾效應(yīng)，且與曼德爾效應(yīng)有本質(zhì)區(qū)別。

圖7 不同條件下超靜孔隙水壓力和有效應(yīng)力曲線Fig. 7 Excess pore water pressure and effective stress curves under different conditions

圖8描述了電滲聯(lián)合堆載作用下

b

值對土層分界面超靜孔隙水壓力的影響?？砂l(fā)現(xiàn)

b

值越小，超靜孔隙水壓力在固結(jié)初期上升幅度越小，超靜孔隙水壓力上升的現(xiàn)象越不明顯。反之，

b

值越大，超靜孔隙水壓力在固結(jié)初期上升幅度越大，超靜孔隙水壓力最大值出現(xiàn)的時(shí)間越滯后。在固定上層土壓縮系數(shù)不變的情況下，

b

值越大，則下層土的滲透系數(shù)越大，即下層土壓縮性越大。圖8說明土層相對壓縮性是超靜孔隙水壓力上升的影響因素，下層土的壓縮性越大，超靜孔隙水壓力上升越明顯。

圖8 b值對土層界面超靜孔隙水壓力的影響Fig. 8 Influence of b value on the excess pore water pressure at the interface of soil layer

3.2 固結(jié)度分析

圖9描述了固定荷載參數(shù)

T

=0.1，

q

=100 kPa，電源電壓

V

=10 V時(shí)，土層相對壓縮性

b

值對雙層地基平均固結(jié)度的影響。由式（47）和（48）可以看出：當(dāng)

b

=1時(shí)，按沉降定義的平均固結(jié)度

U

與按孔壓定義的平均固結(jié)度

U

相等；當(dāng)

b

≠1時(shí)，按沉降定義的平均固結(jié)度與按孔壓定義的平均固結(jié)度不再相等，原因是土體沉降與超靜孔隙水壓力的消散不同步。從圖9中可以看出：當(dāng)

b

>1時(shí)，按孔壓定義的平均固結(jié)度大于按沉降定義的平均固結(jié)度，即孔隙水消散速率比地基沉降速率更快，并且兩者區(qū)別主要在固結(jié)前期，固結(jié)后期兩者相等；當(dāng)

b

=1時(shí)，

U

與

U

完全相等；當(dāng)

b

<1時(shí)，按沉降定義的平均固結(jié)度大于按孔壓定義的平均固結(jié)度，但兩者差別非常小。此外，

U

和

U

均隨

b

值的增大而減小，說明減小下層土的壓縮性有利于地基固結(jié)。

圖9 b值對平均固結(jié)度的影響Fig. 9 Influence of b value on average degree of consolidation

圖10描述了固定電源電壓

V

=10 V，瞬時(shí)堆載條件下，瞬時(shí)堆載

q

值對按沉降定義的平均固結(jié)度

U

和按孔壓定義的平均固結(jié)度

U

的影響。

圖10 外荷載對平均固結(jié)度的影響Fig. 10 Influence of external load on average degree of consolidation

從圖10中可以看出，堆載-電滲聯(lián)合作用下，

U

隨

q

值的增大而增大，而

U

隨

q

值的增大而減小。說明電滲聯(lián)合堆載作用下，按沉降定義的平均固結(jié)度計(jì)算時(shí)，地基固結(jié)速率隨堆載值的增大而增大；按孔壓定義的平均固結(jié)度計(jì)算時(shí)，地基固結(jié)速率隨堆載值的增大而減小。單純堆載作用下，堆載大小對地基平均固結(jié)度沒有影響。當(dāng)按沉降定義的平均固結(jié)度計(jì)算時(shí)，考慮電滲作用的地基固結(jié)速率反而沒有單純堆載下的地基固結(jié)速率快，這是由于電滲作用下地基沉降量更大。當(dāng)按孔壓定義的平均固結(jié)度計(jì)算時(shí)，考慮電滲作用的地基固結(jié)速率比單純堆載下的地基固結(jié)速率快，說明電滲作用能夠加速超靜孔隙水壓力的消散。此外，堆載較小時(shí)，增大堆載對電滲固結(jié)速率影響明顯，而堆載較大時(shí)，增大堆載對電滲固結(jié)速率影響較小。不同堆載值對地基固結(jié)速率的影響主要在固結(jié)前期，而對固結(jié)后期的影響較小。

3.3 孔隙比分析

由體積壓縮系數(shù)的定義可知：

式中，

e

和

e

分別為第

i

層土的孔隙比和初始孔隙比。

固結(jié)過程中，體積壓縮系數(shù)不發(fā)生變化，因此由式（53）可得孔隙比的表達(dá)式為：

圖11為固定荷載參數(shù)

T

=0.1，

q

=100 kPa，電源電壓

V

=10 V，上層土的初始孔隙比

e

=1.5時(shí)，變荷載作用下固結(jié)過程中孔隙比隨時(shí)間的變化曲線。當(dāng)

a

=5.0時(shí)，靠近土層中部的孔隙比呈先增大后減小的趨勢，表明在固結(jié)初期土體表現(xiàn)為膨脹，之后轉(zhuǎn)為壓縮。當(dāng)

a

=0.5時(shí)，不同深度土體均隨時(shí)間的增大而逐漸壓縮。再次說明了只有

a

>1.0時(shí)，土體中部才會在固結(jié)初期出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，這與圖5和6的結(jié)論可以相互驗(yàn)證。

圖11 固結(jié)過程中孔隙比變化曲線Fig. 11 Variation curves of void ratio during consolidation

4 結(jié) 論

1）當(dāng)相對滲透性參數(shù)

a

>1時(shí)，電滲作用下地基中間土層的超靜孔隙水壓力在固結(jié)初期會出現(xiàn)高于初始超靜孔壓的現(xiàn)象，該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是中間土層流入的水量多而流出的水量少，造成超靜孔隙水壓力上升和有效應(yīng)力降低。2）電滲作用下，

a

>1時(shí)，相對壓縮性參數(shù)

b

值越大，超靜孔隙水壓力上升幅度越大，超靜孔隙水壓力最大值出現(xiàn)的時(shí)間越滯后。

3）堆載-電滲聯(lián)合作用下，按沉降定義的平均固結(jié)度計(jì)算時(shí)，地基固結(jié)速率隨堆載的增大而增大，按孔壓定義的平均固結(jié)度計(jì)算時(shí)，地基固結(jié)速率隨堆載的增大而減小。

4）與單純電滲固結(jié)相比，電滲聯(lián)合堆載作用不僅能提高地基沉降速率，還能提高固結(jié)后的地基強(qiáng)度，能有效減小工后沉降和加快地基處理速率。