龔曉南，焦丹,

(1. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州，310058；2. 西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安，710055)

軟黏土廣泛分布于我國東南沿海和珠江三角洲地區(qū)，因其具有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度等性質(zhì)，給工程施工帶來了不便，因此，在施工前要對這種土質(zhì)的地基進(jìn)行處理。在諸多地基處理方法中，電滲法作為一種比較有效的方法，在許多工程中得到應(yīng)用。電滲法是在土體兩端通以直流電，使土體在短時(shí)間內(nèi)完成滲透排水，并逐漸固結(jié)的一種地基處理方法。自Casagrand[1]將電滲排水法成功運(yùn)用于鐵路挖方工程以來，電滲法逐漸應(yīng)用于實(shí)際工程，同時(shí)，相關(guān)的理論研究也不斷取得進(jìn)展，如：Esrig[2]提出了一維電滲固結(jié)理論；Lewis等[3]提出了二維電滲固結(jié)理論[3]，并給出了控制方程；Wan等[4]對電滲和荷載共同作用下土體電滲固結(jié)特性進(jìn)行了研究，并提出了電滲加固中的“電極轉(zhuǎn)換”技術(shù)；Shang[5]提出了電滲與堆載預(yù)壓聯(lián)合加固法的理論模型；Micic等[6]研究了間歇通電技術(shù)在電滲中的應(yīng)用效果，并指出間歇通電可以減少電滲過程中的電極腐蝕和電能消耗。與此同時(shí)，汪聞韶等[7-9]進(jìn)行了電滲相關(guān)的理論研究和室內(nèi)試驗(yàn)；Zhang等[10-14]從電極材料和界面電阻角度出發(fā)，研究了電滲固結(jié)，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬；房營光等[15-16]則研究了電滲和真空預(yù)壓的聯(lián)合作用。已有的研究結(jié)果表明，在滲透系數(shù)小于0.1 m/d的以黏粒為主的流泥、淤泥或淤泥質(zhì)土中，電滲法處理地基效果差[17]，且電極腐蝕嚴(yán)重、耗電量大，同時(shí)，在電滲過程中，土體物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律即電滲固結(jié)性狀尚不明確。針對以上問題，本文作者利用自制的試驗(yàn)裝置進(jìn)行軟黏土軸對稱邊界條件下的電滲固結(jié)試驗(yàn)，通過比較間歇通電和持續(xù)通電條件下的試驗(yàn)結(jié)果，得到間歇通電條件下土體電滲固結(jié)的一些試驗(yàn)規(guī)律，這對實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)土體取自杭州余杭地區(qū)軟黏土，天然狀態(tài)下土體各項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo)見表 1。試驗(yàn)使用原狀土體重塑后的重塑土樣，制作過程是：將烘干、磨碎、篩分后的干燥粉末加適量的水調(diào)勻，密閉靜置24 h，以保持土樣含水量均勻。

表1 天然狀態(tài)土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of natural soil

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在自制的電滲固結(jié)裝置上進(jìn)行。該裝置由主體部分、測量部分和電源3部分組成，如圖1所示。主體部分是1個(gè)有機(jī)玻璃桶，電極放置其中，上部有蓋板及桿件相連。其中有機(jī)玻璃桶底部中心處開有直徑為0.8 cm的小孔(試驗(yàn)過程中的排水通道)；陰極是直徑為1 cm、表面開有細(xì)縫的鐵管，土工布包裹后豎直放置于桶底中心處；陽極是高度為15 cm、外半徑為14 cm的白鐵皮圓環(huán)，緊貼于有機(jī)玻璃桶內(nèi)壁放置；上部有機(jī)玻璃蓋板和鐵蓋板，中心有直徑為1.2 cm的孔，沿徑向鉆有直徑為0.2 cm的小孔6個(gè)，作為試驗(yàn)中的電勢測試孔，鐵蓋板與下部掛有砝碼的橫桿相連。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram picture of test device

測量部分由百分表、量筒、電壓表、電流表及測針組成。百分表表頭與橫桿接觸，測量試驗(yàn)中土體表面平均沉降的變化、蓋板及下部重物對土體的影響很小，只起到穩(wěn)定橫桿和百分表讀數(shù)的作用，可忽略；土體排出的水由導(dǎo)管從有機(jī)玻璃桶底部引到燒瓶中，然后倒入量筒中進(jìn)行讀數(shù)；在電勢測試孔內(nèi)部依次插入6根直徑為0.1 cm細(xì)鐵絲制作的測針，用電壓表測量試驗(yàn)中測針上的電勢；電流表用來測量土體瞬時(shí)電流。試驗(yàn)所用電源為固緯SPD-3606穩(wěn)壓直流電源。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)包括2部分：① 在20 V輸出電壓下，間歇通電電滲固結(jié)試驗(yàn)；② 在20 V輸出電壓下，持續(xù)通電電滲固結(jié)試驗(yàn)。2次試驗(yàn)中土體初始含水量差別不大(試驗(yàn)①和②的土體實(shí)測初始含水量分別為 68.11%和 65.06%)，可認(rèn)為土體初始狀態(tài)相同，試驗(yàn)②主要起對比作用。2次試驗(yàn)過程中的通電時(shí)間見表2。

表2 試驗(yàn)通電時(shí)間Table 2 Current time during test

通電后，每間隔1 h測量1次土體的排水量、土體中瞬時(shí)電流、每根測針上的電勢及百分表讀數(shù)；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測試土體表面不同位置的最終沉降、土體的最終含水量及抗剪強(qiáng)度等。試驗(yàn)中各步驟可參照土工試驗(yàn)規(guī)程SL237—1999進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 排水量及能耗變化

試驗(yàn)中累計(jì)排水體積隨時(shí)間變化關(guān)系曲線見圖2。從圖2可見：試驗(yàn)①和②累計(jì)排水體積均隨通電時(shí)間的增大而增大，其中在通電前16 h內(nèi)，即間歇通電試驗(yàn)第1次斷電前，試驗(yàn)①和②累計(jì)排水量基本相同；隨著通電時(shí)間的延續(xù)，因受間歇斷電的影響，試驗(yàn)①的累計(jì)排水體積比試驗(yàn)②的略小。其原因是：間歇通電時(shí)，在斷電時(shí)間段內(nèi)，水分子因其自由擴(kuò)散作用而重新分布，致使剛剛聚集到陰極的水分子再次分布到土體中各處，從而降低了累計(jì)排水體積。

圖2 排水體積變化曲線Fig.2 Curves of effluent volume variation

電滲的效率是指排出單位體積的水或產(chǎn)生單位沉降所消耗的電能，電滲中電能的利用率則是指消耗在土體固結(jié)上的電能占總電能的百分?jǐn)?shù)，二者存在本質(zhì)區(qū)別。

為研究電滲的效率，引入能耗系數(shù)C，它反映了排出單位體積水所需要消耗的電能：

式中：U為電源電壓，V；It1t2為t1到t2時(shí)間內(nèi)土體中的平均電流，A；Vt1和 Vt2分別表示土體在 t1和 t2時(shí)排出水的累計(jì)體積，mL；t1和t2為通電時(shí)間，h。

能耗系數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系見圖3。從圖3可以看出：試驗(yàn)①和②能耗系數(shù)均隨通電時(shí)間的延長而不斷增大，通電前16 h，二者能耗系數(shù)曲線均比較平緩，且變化不大；當(dāng)通電時(shí)間超過16 h后，試驗(yàn)①和②能耗系數(shù)均快速增大，此時(shí)通電效率較低，尤其在通電進(jìn)行50 h后能耗系數(shù)急劇增大，繼續(xù)通電已不經(jīng)濟(jì)，此時(shí)即可以斷電，并結(jié)束試驗(yàn)。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，間歇通電下的能耗系數(shù)一直都比持續(xù)通電下的略大，這也是土中水分子重新分布后再被移動(dòng)需要二次消耗能量所致。

圖3 能耗系數(shù)變化曲線Fig.3 Curves of energy coefficient

2.2 電勢分布

試驗(yàn)中從陽極到陰極依次布置6根電勢測針，不同時(shí)間下對應(yīng)的各點(diǎn)電勢與點(diǎn)到陽極距離關(guān)系曲線見圖 4?？紤]到電極與土體接觸處界面電阻對電源電壓的消耗，對土體電滲固結(jié)起有效作用的電勢可以等效為最靠近陰極和最靠近陽極處2根測針間的電勢差，這部分電勢差稱為土體有效電勢。

由圖4可知：試驗(yàn)①和②中各個(gè)測針處的電勢均隨時(shí)間的延長而降低，且試驗(yàn)①和②中不同時(shí)間下土體有效電勢變化均不大；在通電時(shí)間相同時(shí)，間歇通電下的土體有效電勢明顯大于持續(xù)通電下土體有效電勢。這是因?yàn)殚g歇通電下水分子的重新分布致使陽極處水分得到補(bǔ)充，從而致使土體與電極接觸導(dǎo)電性能良好，界面電阻消耗電壓降低。綜上可知：間歇通電能起到提高土體電能利用率的作用，在一定程度上比持續(xù)通電下的效率高。

2.3 土體沉降的變化

試驗(yàn)結(jié)束后土體表面沉降不均，試驗(yàn)①和②中土體表面沉降對比曲線見圖5。從圖5可以看出：間歇通電與持續(xù)通電相比有利于減小土體表面差異沉降；間歇通電下土體表面沉降比持續(xù)通電下更加均勻。這是由于間歇通電時(shí)土體中水分子重新分布，填充已有孔隙，減緩了排水固結(jié)速度。由此可見：間歇通電與持續(xù)通電相比更有利于減小土體表面沉降差，有利于電滲結(jié)束后土體的后期施工建設(shè)。

圖4 電勢分布關(guān)系曲線Fig.4 Curves of potential distribution

圖5 沉降關(guān)系曲線Fig.5 Curves of surface settlement

2.4 抗剪強(qiáng)度變化

使用室內(nèi)微型十字板剪切儀對試驗(yàn)①和②試驗(yàn)前、后土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測試，土體抗剪強(qiáng)度變化曲線見圖6。從圖6可以看出：隨陽極距離的增大，抗彎強(qiáng)度提高倍數(shù)減小，但試驗(yàn)①和②結(jié)束后土體的抗剪強(qiáng)度均明顯提高，間歇通電下土體強(qiáng)度提高了3～5倍，持續(xù)通電下提高了3～9倍，持續(xù)通電下強(qiáng)度提高得更多；試驗(yàn)①和②結(jié)束時(shí)陽極附近土體強(qiáng)度均要高于陰極處強(qiáng)度，頂部強(qiáng)度要高于底部強(qiáng)度，且間歇通電時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度的差異比持續(xù)通電時(shí)的低，這同樣是間歇通電下水分子重新分布所致。綜上可知：間歇通電下土體頂部與底部強(qiáng)度差別比持續(xù)通電時(shí)的小，土體強(qiáng)度變化更加均勻。

2.5 含水量分布

圖6 抗剪強(qiáng)度變化曲線Fig.6 Curves of shear strength

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)取土體中上、中、下，左、中、右位置點(diǎn)進(jìn)行含水量測試，不同位置的含水量分布見圖7。從圖7可以看出：試驗(yàn)①和②土體底部含水量均比頂部的高，且陰極附近含水量也比陽極附近的略高，試驗(yàn)①土體頂部與底部含水量差別比②的小，這是因?yàn)殚g歇通電下土中水分子重新分布?？梢姡洪g歇通電下含水量分布相對均勻，土體性質(zhì)差異性小。

圖7 含水量分布曲線Fig.7 Curves of water content

2.6 其他試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)結(jié)束后，2組試驗(yàn)的電勢測針和陽極表面均有少量腐蝕，且持續(xù)通電比間歇通電腐蝕得嚴(yán)重，陰極表面有白色物質(zhì)沉淀，說明在電滲固結(jié)過程中伴有一定的化學(xué)反應(yīng)。陰、陽兩極處的化學(xué)反應(yīng)方程式如下。

陽極：

陰極：

其中：M表示陽極金屬，白色沉淀主要是Ca2+和Mg2+的碳酸沉淀物。

試驗(yàn)結(jié)束后，土體表面有裂縫出現(xiàn)，裂縫最大寬度可達(dá)0.5 cm，且持續(xù)通電下裂縫比間歇通電下裂縫數(shù)量略多，持續(xù)通電試驗(yàn)結(jié)束時(shí)裂縫及陰、陽兩極外觀見圖8。

圖8 試驗(yàn)結(jié)束后裂縫及電極外觀Fig.8 Appearances of cracks and electrodes after test

3 結(jié)論

(1) 間歇通電下土體累計(jì)排水量比持續(xù)通電下的略少，能耗系數(shù)卻比持續(xù)通電時(shí)土體的能耗系數(shù)略大，電滲的效率略小于后者，但差別不大。

(2) 在間歇通電下，對土體固結(jié)起作用的有效電勢比持續(xù)通電時(shí)的大，且電極腐蝕程度比持續(xù)通電下的電極腐蝕程度小；電滲試驗(yàn)降低了電能在界面電阻上的消耗，提高了電能的利用率；同時(shí)，間歇通電可以降低對電源等設(shè)備在長時(shí)間持續(xù)通電時(shí)的損害，提高了設(shè)備的使用壽命。

(3) 在間歇通電下，土體的表面沉降、抗剪強(qiáng)度變化及含水量變化都比持續(xù)通電時(shí)的均勻，即降低了土體的整體差異性，有利于電滲處理結(jié)束后進(jìn)行土體后期施工。

(4) 間歇通電下土體抗剪強(qiáng)度的提高量比持續(xù)通電時(shí)的略低，且所需時(shí)間較長，這也是間歇通電的不足之處。在實(shí)際電滲工程中，多利用電極轉(zhuǎn)換技術(shù)來減少電滲后期土體的性質(zhì)差異，間歇通電在節(jié)約電能損耗方面比持續(xù)通電時(shí)的小。

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