劉巍巍 婁晨陽 陳博涵

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001)

真空預(yù)壓法是處理軟土地基的一種有效方法，在港口碼頭、機場和高速公路工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。但采用真空預(yù)壓法存在后期軟土處理效率低、加固效果不明顯，尤其是存在硬殼層、下部土體加固較差等問題，可能需要進行二次處理，造成大量人力物力浪費[2-3]。電滲法是在軟土的兩端通直流電，使土中的自由水和弱結(jié)合水隨水化陽離子一起向陰極移動，從而達到排水固結(jié)的一種地基處理方法[4-6]。但電滲具有能耗大、腐蝕嚴重、時間長等缺點[7-8]。對于天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高、滲透性差的軟土，采用這兩種方法通常難以達到預(yù)期的效果[9-10]。近年來開始將真空預(yù)壓與電滲二者相結(jié)合使用，利用真空預(yù)壓法和電滲法的優(yōu)勢，既能夠提高土體強度，也可以加快固結(jié)速度，提高施工效率[11-12]。本文對大連大窯灣港區(qū)軟土進行了真空預(yù)壓與電滲聯(lián)合作用試驗，通過試驗數(shù)據(jù)分析加固效果，探索加固機理，為工程施工提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗方案

1.1 試驗軟土特性

試驗用土樣來自大連大窯灣港區(qū)軟土，呈流動狀態(tài)，見圖1。表1為試驗用軟土主要物理力學(xué)指標(biāo)。從表1可以看出，該軟土具有含水率高、液限和塑限高、孔隙比大、滲透性低、壓縮性大等特點。

表1 試驗用軟土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 軟土形態(tài)

1.2 試驗裝置及儀器

主要試驗裝置及儀器：模型箱為10mm厚鋼化玻璃箱， 尺寸為800mm×400mm×600mm； 電極為直徑25mm的光面鋼筋；塑料排水板采用國產(chǎn)C型排水板，尺寸為100mm×5mm，濾膜等效孔徑為40～70μm；直流電滲儀為KDF-可控型電析降水儀；真空泵為SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵；水氣分離裝置為ZK-270型真空飽和缸；電子秤最大量程30kg，精度5g。

1.3 試驗步驟

試驗前先在模型箱的內(nèi)壁和箱底設(shè)置兩層土工薄膜，將土樣填至40cm高度，插入排水板和鋼筋電極，并在土體表面鋪設(shè)兩層土工布作為水平向排水系統(tǒng)，最后用土工膜包裹覆蓋土體并保持密封。模型箱、真空飽和缸和真空泵通過管路相連接，見圖2。試驗開始后6天內(nèi)，進行真空預(yù)壓法排水，真空度維持在80kPa左右，同時每隔24h進行1h電滲(第一階段)；第7天開始，每隔24h進行3h電滲，控制總電流大小不變，為6.4A，持續(xù)6天(第二階段)。當(dāng)出水量基本穩(wěn)定時關(guān)閉真空預(yù)壓和電滲的電源并停止試驗。試驗完成后，對測定的有關(guān)指標(biāo)并與試驗前土體的指標(biāo)進行比較分析。

圖2 試驗布置平面示意圖

2 試驗結(jié)果

2.1 土體變形

試驗結(jié)束后土體發(fā)生5cm的豎向位移，由于膜下真空度的存在，大氣壓近似于外加荷載作用在土體表面，使土體出現(xiàn)豎向變形；陽極附近的土體呈現(xiàn)黃褐色，土體相對干燥，且陽極周圍分布有往陰極方向擴張的環(huán)狀微裂縫，裂縫兩界面呈褐色，說明聚集有大量鐵離子。陽極發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的含鐵離子的化合物充填于軟土中，使土體的顏色沿徑發(fā)生由深至淺的變化(見圖3)。

圖3 試驗后軟土外觀

2.2 出水量及出水速率

圖4～圖5為整個試驗過程中出水量及出水速率的時程變化曲線。兩個階段的排水時間相同，均為144h。整個過程出水量為25.4kg，其中第一階段的排水量為19.8kg，第二階段的排水量為5.6kg。第一階段出水速率隨著含水率的下降急劇減小，通電時出水速率略有回升，說明電滲確實能夠增加排水的效果。第二階段出水速度很慢，其中一些時間段可能是由于排水系統(tǒng)淤堵甚至不排水，而在通電時出水速率能夠提高2～3倍，說明電滲在后期的排水效果比較明顯。

圖4 出水量時程曲線

圖5 出水速率時程曲線

通過前后兩個階段對比分析，說明在土體含水率高的情況下，真空預(yù)壓起主要排水作用；在土體含水率降到85%之后，電滲的排水效果相對明顯，體現(xiàn)了這兩種方法結(jié)合使用的優(yōu)勢。

2.3 含水率

試驗后測定兩極之間的含水率大小，沿深度方向在5個層面上取樣，每層取相同間距的4個土體單元(見圖6)，根據(jù)測得的含水率大小繪制含水率分布等值線圖，見圖7。試驗后土體平均含水率減小到70%左右，與初始含水率相比減少了37.4%。從圖7可以看出：最小含水率分布在土體表層和陰陽極附近，最大含水率分布在深度為0.25m以下的兩極中間；在同一深度處，陽極和陰極的土體含水率較低，中間最高；兩極中間的土體含水率沿深度方向依次遞增。由此可見，真空預(yù)壓的作用范圍主要集中在土體表層15cm范圍內(nèi)和排水板附近；電滲對陽極附近的土體排水起主要作用。

圖6 含水率測量取樣位置示意圖

圖7 試驗后土體含水率分布等值線圖(%)

2.4 抗剪強度

試驗結(jié)束后對兩極附近的土體進行了直剪試驗。采取分層取樣的方法，共分3層做6組直剪試驗，將其編號為YN1、YN2、YN3和 YG1、YG2、YG3，取樣位置見圖8，每組試驗取同一位置的4個土樣，試驗結(jié)果見圖9～圖10及表2。

圖8 直剪試驗取樣位置示意圖

圖9 陰極附近土體快剪強度

圖10 陽極附近土體快剪強度

表2 試驗后土體強度指標(biāo)

試驗前土樣呈流動狀態(tài)，無法進行直剪試驗。試驗后表層和兩極附近的土體抗剪強度明顯提高，其他位置的強度增加有限，主要因為表層土體和陰極(排水板)附近的土體在真空荷載的作用下排水固結(jié)，陽極附近的土體在電滲的作用下排水固結(jié)，而在兩極之間且位置偏下的土體受真空預(yù)壓和電滲的影響較小，強度增長有限。

由表2可知，土體抗剪強度陰極附近大于陽極附近，這是由于陰極附近的土體在真空荷載的作用下產(chǎn)生負的超靜孔壓，從而增大土體有效應(yīng)力，真空荷載維持在80kPa時土體強度會有大幅度提高；而在電滲的作用下由于裂隙的產(chǎn)生及電滲通電時間相對較少等原因，陽極附近土體的強度增長相對小一些。陽極附近底部土體的強度高于中層土體的強度，主要因為試驗中陰極只有20cm，且布置在模型箱底部，故電滲主要作用在土體底部，說明電滲法對土體強度的提高有一定的作用。

3 結(jié) 語

通過真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法處理軟土的模型試驗，研究了真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法處理軟土的原理及效果，得到如下幾點結(jié)論：

a.真空預(yù)壓主要是排水作用，而電滲兼有排水和電化學(xué)作用，兩者聯(lián)合使用的效果明顯，聯(lián)合作用后土體發(fā)生豎向位移，陽極附近的土體顏色改變。

b.聯(lián)合作用前期，出水量隨作用時間逐漸增大，出水速率較大，真空預(yù)壓的排水作用強于電滲；當(dāng)土體平均含水率小于85%左右之后，出水量減小，出水速率減小，電滲的排水作用明顯。因此，建議在含水率降到一定的標(biāo)準(zhǔn)時接直流電進行真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法處理。

c.聯(lián)合作用后，土體含水率減少了37.4%；真空預(yù)壓的作用范圍主要集中在土體表層和排水板附近；電滲對陽極附近的土體排水起主要作用。

d.聯(lián)合作用后，土體表層和兩極附近的抗剪強度明顯提高；陰極附近的土體抗剪強度大于陽極，電滲法對土體抗剪強度的提高有一定的作用。