王柳江，劉斯宏，朱 豪，吳 澎

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098;2.南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局，北京 100038;3.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

電滲法作為一種地基加固技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于邊坡、斜坡、水壩加固以及土體開挖穩(wěn)定、提高樁基承載力等巖土工程中［1-5］。然而，由于其復(fù)雜的作用機(jī)制及影響因素，使該技術(shù)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)無(wú)人問(wèn)津。隨著我國(guó)港口的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，采用水力吹填進(jìn)行圍海造陸的工程不斷涌現(xiàn)，由于大部分吹填形成的超軟黏土具有高含水率、高黏粒含量以及低滲透性的特點(diǎn)，導(dǎo)致地基固結(jié)排水速率緩慢而亟需處理，電滲法重新引起了巖土界的關(guān)注和研究。

近幾年，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者從不同方面對(duì)電滲法進(jìn)行了研究:王協(xié)群等［6］研究了電極轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)電滲排水的影響;Micic等［7］對(duì)海相淤泥采用間歇電滲法進(jìn)行加固處理，并確定了合理的間歇通電時(shí)間;Fabien等［8］研究化學(xué)注漿方法改善陽(yáng)極和土體之間的接觸來(lái)提高電滲處理效果;胡俞晨等［9］采用電動(dòng)土工合成材料(EKG)作為電極來(lái)抑制電極反應(yīng);Rittirong等［10］研究不同電極排布方式對(duì)沉箱周圍土體加固效果的影響，結(jié)果表明優(yōu)化電極布置形式可以有效提高電滲的加固效果;Shang［11］和王柳江等［12］分別研究了電滲法與堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓的組合效果;汪俊波等［13］和李瑛等［14］研究了電流密度和電壓對(duì)電滲的影響，以此確定合理的電滲電流密度和電壓;儲(chǔ)旭等［15］研究了電滲中含水量和電勢(shì)梯度對(duì)土體電阻率的影響。在理論上，莊艷峰等［16］從電學(xué)的角度對(duì)電滲進(jìn)行了理論分析和研究，推導(dǎo)出了界面電阻的計(jì)算式;徐偉等［17］推導(dǎo)了真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法加固軟基的固結(jié)方程。綜上所述，電滲法的研究雖已達(dá)到了較全面的程度，但電滲法的加固效果與電場(chǎng)強(qiáng)度之間關(guān)系緊密，因此工程中電極材料和電極布置形式的選取尤為重要。

為研究電極布置形式對(duì)電滲法加固效果的影響，筆者在自制的模型箱中同步進(jìn)行了3組不同電極布置形式下的電滲排水試驗(yàn)，通過(guò)排水量、沉降量、孔壓、電流、含水率以及土體強(qiáng)度之間的對(duì)比分析確定電極布置形式對(duì)電滲排水、加固軟土的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自大連港大窯灣港區(qū)三期工程19～22號(hào)泊位堆場(chǎng)泥塘區(qū)，為開挖港池的吹填海相淤泥土，以流泥、淤泥為主，其物理性質(zhì)指標(biāo)如下:液限為50.3%，塑限為24.3%，壓縮系數(shù)為1.66 MPa-1，滲透系數(shù)為5.2×10-8cm/s，體積含水率為92.3%，黏粒所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.4%。

1.2 試驗(yàn)裝置及過(guò)程

試驗(yàn)在自制的頂部開敞的模型箱內(nèi)進(jìn)行。模型箱長(zhǎng)×寬×高為40cm×40cm×60cm，由鋼化玻璃制成。陽(yáng)極和陰極的材料均為長(zhǎng)45 cm、直徑1 cm的鋼筋，為防止進(jìn)入陰極的電流過(guò)大而導(dǎo)致其溫度過(guò)高，陰極由2根鋼筋綁扎而成。選擇鋼筋作為電極主要是考慮到鋼筋在實(shí)際情況下具有如下優(yōu)點(diǎn):(a)強(qiáng)度高，便于布置;(b)成本低廉，容易獲取;(c)與其他電極材料相比，無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題;(d)即使在被氧化的情況下，導(dǎo)電性仍然較強(qiáng)。為將匯集到陰極的水排出，將截面尺寸為100 mm×4 mm的塑料排水板由陰極邊上插入土體，然后采用硬質(zhì)皮管將其與真空泵連接。試驗(yàn)共分3組，分別為1根陰極對(duì)應(yīng)1根陽(yáng)極(方案1)、1根陰極對(duì)應(yīng)4根陽(yáng)極(方案2)和1根陰極對(duì)應(yīng)8根陽(yáng)極的情況(方案3)。各組試驗(yàn)布置情況如圖1所示，電極間距為15 cm。裝土前，先在模型箱內(nèi)壁涂抹凡士林，而后貼上保鮮膜，以抵消側(cè)壁摩擦力的作用;然后將土樣裝至高度40 cm，并在土樣表面設(shè)置厚度3 mm的有機(jī)玻璃板，以便于沉降觀測(cè)，同時(shí)防止水分蒸發(fā)。有機(jī)玻璃板經(jīng)預(yù)打孔處理，可將電極和排水板插入土體，且將與孔壓計(jì)相連的數(shù)據(jù)線引出。

試驗(yàn)電源采用KDF可控式電析降水儀，為穩(wěn)壓直流電源，能夠提供最大50 V的輸出電壓和最大10 A的輸出電源。試驗(yàn)所用真空泵額定功率為180 W，抽氣速度為10 L/min，氣水分離裝置采用ZK-270型真空飽和缸，將其放置在電子秤上通過(guò)稱量測(cè)定排水量。每組試驗(yàn)中各安裝1個(gè)電流表和孔壓計(jì)以及2支位移計(jì)，沉降結(jié)果分析時(shí)按均值處理。試驗(yàn)開始前土樣先自重固結(jié)24 h，待排除由自重固結(jié)產(chǎn)生的自由水后，通過(guò)陰、陽(yáng)極施加5 V的穩(wěn)壓，然后每隔2 h測(cè)量1次電流、排水量、沉降量和孔壓，試驗(yàn)共持續(xù)335 h。試驗(yàn)過(guò)程中由于儀器故障暫停了2次，暫停時(shí)間分別為25 h和51 h。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)方案2和方案3中的土體分層分區(qū)域取樣，測(cè)定其體積含水率和強(qiáng)度。

圖1 電滲排水試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Layout and setup of electroosmosis drainage test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 排水量、沉降量和孔隙水壓力

根據(jù)Esrig［18］電滲理論可知排水量與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，而電場(chǎng)強(qiáng)度的大小與電壓和電極布置形式關(guān)系密切。單位體積排水量表示排出水的體積Q與土樣初始體積Vs0之比(Q/Vs0)，圖2單位體積排水量隨時(shí)間的變化曲線說(shuō)明了電滲排水量隨陰極周圍陽(yáng)極布置數(shù)量的增加而增大，且方案2和方案3的排水量分別為方案1的3倍和6倍。圖2還表明方案1和方案2的排水進(jìn)入不排和排水速率減緩階段時(shí)，方案3的排水速率基本保持不變，說(shuō)明增加陰極周圍的陽(yáng)極數(shù)量可延長(zhǎng)電滲穩(wěn)定排水階段的時(shí)間。沉降方面，試驗(yàn)結(jié)束后3組試驗(yàn)土體的最終沉降量分別占土樣初始高度的7.47%，13.40%和18.90%，且由圖3可見電滲引起的土體表面沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律與排水量的變化規(guī)律基本接近，說(shuō)明電滲引起的土體體積變化主要由排水引起。圖4表示孔壓計(jì)埋設(shè)點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律。由圖4可見，由于電滲帶動(dòng)陽(yáng)極水往陰極移動(dòng)，從而導(dǎo)致陽(yáng)極周圍土體中產(chǎn)生負(fù)孔壓(吸力)，進(jìn)而有效加固該區(qū)域的土體，且隨著電滲的持續(xù)，吸力持續(xù)增大直至達(dá)到穩(wěn)定值;在間歇通電期，由于陰極周圍土體水頭大于陽(yáng)極，根據(jù)達(dá)西定律可知水由陰極往陽(yáng)極流動(dòng)，因此陽(yáng)極周圍土體的孔壓有所回彈;在陰極周圍布置的陽(yáng)極數(shù)量越多，由電滲引起的土體吸力增量越大，說(shuō)明土體的加固效果越明顯。

圖2 單位體積排水量隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Variation of drainage discharge per unit volume over time

圖3 沉降量隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation of settlement over time

2.2 電流、排水速率和排水量之間的關(guān)系

圖5為3組試驗(yàn)得到的單位體積排水速率與電流的關(guān)系。由圖5可見單位體積排水速率與電流間呈較好的線性關(guān)系，且從3組試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看該特性具有普遍規(guī)律性。上述規(guī)律可從電滲中土體的導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行解釋:土體導(dǎo)電主要靠離子運(yùn)動(dòng)，電流大則離子遷移速率快，帶動(dòng)極化水分子的運(yùn)動(dòng)速率和數(shù)量也相應(yīng)增大，由此排水速率增大。由圖6可以發(fā)現(xiàn)在3種不同電極布置形式的電滲過(guò)程中，電流通常隨單位體積排水量的增大而減小，且兩者之間也能較好地滿足線性關(guān)系。這是由于在恒定電壓下電流與土體的電阻成反比，而黏土的電阻又受含水率的影響，同時(shí)單位體積排水量決定了土體的含水率變化，因此土體中電流隨著單位體積排水量的增加逐漸減小。

為了解電滲過(guò)程中電流的變化規(guī)律，可采用圖5和圖6中的擬合關(guān)系式進(jìn)行推導(dǎo):

圖4 孔壓隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation of pore water pressure over time

圖5 排水速率與電流的關(guān)系Fig.5 Relationship between drainage rate and current

圖6 電流與單位體積排水量的關(guān)系Fig.6 Relationship between current and drainage discharge per unit volume

將式(2)代入式(1)后得到一階微分方程:

則電流與電滲時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系式為

式中:v——單位體積排水速率，h-1;q——單位體積排水量;t——時(shí)間，h;a，b——擬合參數(shù);I0——初始電流，A。

由式(4)可知電流隨電滲時(shí)間呈指數(shù)衰減趨勢(shì)。圖7表示電滲過(guò)程電流實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比情況，可以發(fā)現(xiàn)3組試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值基本相等，表明該模型能夠預(yù)測(cè)電滲過(guò)程中電流的變化情況。

2.3 試驗(yàn)結(jié)束后土體體積含水率和強(qiáng)度

圖7 實(shí)測(cè)電流與預(yù)測(cè)電流對(duì)比Fig.7 Comparison of measured and predicted current

圖8為電滲結(jié)束后土體的體積含水率分布曲線。從圖8可以看出，大部分試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相同，水平方向陽(yáng)極周圍土體體積含水率最低，豎向則是土體表面最低。方案2和方案3的土體體積含水率分布規(guī)律有所不同，方案2中最高含水率不在陰極周圍，而是在兩極中間。這與電場(chǎng)強(qiáng)度的大小及其在土體中的不均勻分布有關(guān)，當(dāng)陰極周圍布置的陽(yáng)極數(shù)量增加時(shí)土體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，且在陽(yáng)極到陰極之間趨向于均勻分布，此時(shí)兩極間土體中的水可持續(xù)均勻地往陰極流動(dòng);當(dāng)陰極周圍的陽(yáng)極數(shù)量較少時(shí)兩極間的電場(chǎng)強(qiáng)度較小，且根據(jù)Zhuang等［16］的試驗(yàn)可知電場(chǎng)強(qiáng)度呈不均勻分布，通常陽(yáng)極和陰極周圍土體中的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，根據(jù)電滲流計(jì)算公式可知此時(shí)兩極中間土體中水的流速最小，結(jié)果導(dǎo)致部分水分在此積累，同時(shí)電滲條件下土體導(dǎo)電率不均勻分布也是導(dǎo)致其含水率異常分布的部分原因。文獻(xiàn)［19］表明只要電滲時(shí)間足夠長(zhǎng)，土體體積含水率分布將恢復(fù)到一般情況。

試驗(yàn)后分別選取不同層、不同區(qū)域的土樣進(jìn)行不排水無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)在小型三軸儀上進(jìn)行，試樣直徑3.65 cm，高度10 cm。圖9為試驗(yàn)中所測(cè)得的試樣不排水剪切強(qiáng)度～應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖9可見陽(yáng)極周圍土體強(qiáng)度最大，兩極中間次之，陰極最小，且土體抗剪強(qiáng)度隨深度的增大而減小。方案3的加固效果比方案2顯著，進(jìn)一步說(shuō)明電極布置形式對(duì)加固效果的

圖8 電滲結(jié)束后土體的體積含水率分布Fig.8 Distribution of water content after electroosmosis

圖9 電滲后土體不排水無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Undrained and unconfined compression test for soils after electroosmosis

2.4 能量消耗

為評(píng)價(jià)電滲的工程經(jīng)濟(jì)效益，能量消耗是電滲研究中的重點(diǎn)。將3組試驗(yàn)的累積排水量與能量消耗之間的關(guān)系反映于圖10，累計(jì)耗電量計(jì)算根據(jù)公式W=UI dτ計(jì)算。由圖10可見，土體單位體積排水量與能量消耗之間基本呈線性關(guān)系，若將排水量換算為平均含水率，則可以根據(jù)處理后要求的土體含水率計(jì)算耗電量。

圖10 單位體積排水量與能量消耗的關(guān)系Fig.10 Relationship between drainage discharge per unit volume and energy consumption

3 結(jié) 語(yǔ)

a.電滲法的排水與加固效果隨電極布置形式變化，其效果隨陽(yáng)極數(shù)量的增多而變好，試驗(yàn)結(jié)果表明土體強(qiáng)度和含水率以1根陰極對(duì)應(yīng)8根陽(yáng)極的電極布置形式效果最佳。

b.通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知電滲持續(xù)過(guò)程中電流隨時(shí)間呈指數(shù)衰減形式;提出了電流的預(yù)測(cè)模型。

c.由于電滲時(shí)土體單位體積排水量與能量消耗呈線性關(guān)系，據(jù)此可大致計(jì)算土體處理到一定含水率時(shí)的耗電量。

［1］CASAGRANDE L.Electro-osmosis stabilization of soils［J］.Boston Soc Civ Eng，1952，39:51-83.

［2］BJERRUM L，MOUM J，EIDE O.Application of electro-osmosis to a foundation problem in a Norwegian quick clay［J］.Geotechnique，1967，17:214-235.

［3］FETZER C A.Electro-osmotic stabilization of West Branch Dam［J］.Journal of Soil Mechanic and Foundation Division，1967，93(4):85-106.

［4］CHAPPELL B A，Burton P L.Electro-osmosis applied to unstable embankment［J］.Journal of Geotechnical Engineering Division，1975，101(8):733-740.

［5］WADE M H.Slope stability by electro-osmosis［C］//CGS.Process of 29th Canadian Geotechnical Conference.Vancouver，Canada:British Columbia，1976:44-66.

［6］王協(xié)群，鄒維列.電滲排水法加固湖相軟黏土的試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34(2):95-99.(WANG Xiequn，ZOU Weilie.Experimental research on electro-osmotic consolidation of lacustrine clay［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2007，34(2):95-99.(in Chinese))

［7］MICIC S，SHANG J Q，LO K Y，et al.Electrokinetic strengthening of a marine sediment using intermittent current［J］.Canadian Geotechnical Journal，2001，38:287-302.

［8］FABIEN B，GUY L，GILLES G.A case record of electroosmotic consolidation of soft clay with improved soil-electrode contact［J］.Canadian Geotechnical Journal，2004，41:1038-1053.

［9］胡俞晨，王釗，莊艷峰.電動(dòng)土工合成材料加固軟土地基試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(5):582-586.(HU Yuchen，WANG Zhao，ZHUANG Yanfeng.Experimental studies on electro-osmotic consolidation of soft clay using EKG electrodes［J］.Chinese Jounal of Geotechnical Engineering，2005，27(5):582-586.(in Chinese))

［10］RITTIRONG A，SHANG J Q，MOHANED E，et al.Effects of electrode configuration on electrokinetic stabilization for caisson anchors in calcareous sand［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2008，3:352-365.

［11］SHANG J Q.Electroosmosis-enhanced preloading consolidation via vertical drains［J］.Canadian Geotechnical Journal，1998，35(3):491-499.

［12］王柳江，劉斯宏，汪俊波，等.真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法處理高含水率軟土模型試驗(yàn)［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，39(6):671-675.(WANG Liujiang，LIU Sihong，WANG Junbo，et al.Model test for high-water-content soft soil treatment under vacuum preloading in combination with electroosmosis［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2011，39(6):671-675.(in Chinese))

［13］汪俊波，劉斯宏，徐偉，等.電滲法處理大連大窖灣超軟土室內(nèi)試驗(yàn)［J］.水運(yùn)工程，2010，437(1):15-19.(WANG Jun bo，LIU Sihong，XU Wei，et al.Laboratory test for electro-osmotic treatment of ultra-soft soil in Dayao Bay，Dalian［J］.Port＆Waterway Engineering，2010，437(1):15-19.(in Chinese))

［14］李瑛，龔曉南，張雪嬋.電壓對(duì)一維電滲排水影響的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32(3):769-714.(LI Ying，GONG Xiaonan，ZHANG Xuechan.Experimental research on effect of applied voltage on one-dimensional electroosmotic drainage［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(3):769-714.(in Chinese))

［15］儲(chǔ)旭，劉斯宏，王柳江，等.電滲法中含水率和電勢(shì)梯度對(duì)土體電阻率的影響［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，38(5):575-579.(CHU Xu，LIU Sihong，WANG Liujiang，et al.Influences of water content and potential gradient on electrical resistivity of soil in electro-osmosis method［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2010，38(5):575-579.(in Chinese))

［16］ZHUANG Yanfeng，WANG Zhao.Interface electric resistance of electroosmotic consolidation［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2007(12):1617-1621.

［17］徐偉，劉斯宏，王柳江，等.真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法加固軟基的固結(jié)方程［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，39(2):169-175.(XU Wei，LIU Sihong，WANG Liujiang，et al.Analytical theory of soft ground consolidation under vacuum preloading combined with electro-osmosis［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2011，39(2):169-175.(in Chinese))

［18］ESRIG M I.Pore pressure，consolidation，and electrokinetics［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1968，94(4):899-922.