劉志濤，莊艷峰，黃運蘭，柳菲菲，鄒維列，李子優(yōu)

(武漢大學 土木建筑工程學院, 湖北 武漢 430072)

近幾十年，隨著經濟的發(fā)展，可繼續(xù)開發(fā)的土地越來越少，特別是經濟高度發(fā)達的沿海城市，各國開始大力發(fā)展圍海造陸工程。而造陸所用材料多為吹填淤泥土，要使其變成一塊可使用的土地，必須對吹填淤泥土進行固結。此外，在許多天然土體中經常夾有軟弱土層，這些土層具有高含水率、高壓縮性、承載能力低等特點，直接在這種土層的地基上建造構筑物，會造成地基沉降過大或沉降差過大，影響上部建筑物的結構安全，易引發(fā)工程事故，需事先對土體進行處理。常用的軟土處理方法是排水固結法，比如真空預壓法、井點法、堆載法等，但這些方法都存在一定的局限性。例如真空預壓法，是現在比較常用的一種排水固結法，有較好的排水固結效果，但是它存在對邊界條件要求高，后期加固效果較差等缺點，在工程應用中受到一定限制。電滲排水法是一種有效的軟土加固方法[1]，多用于處理軟黏土和淤泥質土。

電滲排水法是在土中插入電極并施加電壓，孔隙水中的離子在電場力的作用下定向運動并帶動水分子的移動，隨著土中水的排出，土體逐漸產生固結。電滲排水法對滲透系數很低的土(kh<10-6cm/s～10-7cm/s)加固效果較好[2]，相比預壓法，電滲排水法有排水速率快、噪音小等優(yōu)點，還可以在一定程度上治理污染的土體。電滲法為高含水率、低滲透性的巖土材料的脫水處理提供了新的可行方法。但是電極腐蝕問題一直限制了電滲法的發(fā)展，直到電動土工合成材料[3-4]的出現才較好地解決了這一問題。

電滲理論經過多年的研究取得了豐富的成果。最早在1897年，Helmholtz提出了雙電層模型，并于1914年由Smoluchowski加以修正[5]，該模型認為黏土顆粒帶負電荷，并在土顆粒表面形成雙電層結構，同時分析了擴散層中的離子分布規(guī)律。這個理論是最早用于描述電滲過程的理論之一，一直廣泛被接受。1953年，汪聞韶[6]對電滲降水和加固進行研究，提出電滲和水力滲透混合流公式，并闡述電滲加固機理。1968年，Esrig[7]基于一系列的假定建立了電滲一維固結理論，認為土中水的運移是電勢梯度和負孔壓引起的反向水力梯度共同作用的結果，推導出孔隙水壓力與施加電壓的關系式，并給出四種邊界條件下的解析解。1976年，Wan等[8]繼承和完善了Esrig的電滲理論，分析電滲與堆載聯合作用下的固結，并給出一維解答。1998年，Shang[9]推導出電滲與堆載聯合作用下的二維解析式，并與純電滲進行對比分析。2004年，Su等[10]利用分塊處理方法建立了二維固結理論。以上所有的固結理論均是Esrig的電滲理論的延伸和發(fā)展。Esrig的電滲理論是在飽和土力學的基礎上建立的，但往往電滲中后期土體已不再處于飽和狀態(tài)，另外忽略了電滲過程中電學參數的分析。2004年—2005年，莊艷峰等[11]從電學的角度提出能級梯度理論和電荷累積理論[12]，并用能量法[13]對電滲的固結過程進行較詳細的分析，從而取消了Esrig理論中“電滲過程總土體處于飽和狀態(tài)”這一隱含假定，并給出了電滲過程中各種電學參數的分布及變化情況。但是對于基于現場的試驗研究，相對來說可以參考的數據較少，而且現場試驗更能驗證電滲排水法的有效性。所以本文引入新型的電動土工合成材料(EKG)[3]進行大型的現場試驗，該現場試驗在之前的論文[14-15]中已經進行部分分析，本次主要針對試驗的過程、數據來源以及具體數據進行更詳細的分析，通過各項物理力學指標來說明電滲法對軟土的處理效果同時驗證新型電極的可靠性。

1 現場試驗概況

1.1 試驗土樣

試驗土樣選取江蘇省江陰市華宏村池塘附近的淤泥，現場原狀土的性質見表1。

表1 原狀土的物理力學性質

1.2 試驗場地布置

試驗場地位于江蘇省江陰市華宏村。場地處理范圍長20 m，寬16 m，淤泥土層厚度為5.8 m。場地的北面是一個小池塘，西面距離場地邊緣10 m處有一條公路，東面和南面均是菜地，見圖1。由于場地上待處理淤泥的含水率過高，土體承載力幾乎為零，于是在淤泥上鋪一層厚約30 cm的普通黏土，以便進行插板、連接電線等操作。電極長度為6 m左右，垂直插入待處理的土體中。電極按矩形排布，同性電極和異性電極之間的間距均為1 m，電極個數為16×20共320個，四周外沿各留出半米，具體布置詳見圖2。將電極板布置完畢，在場地四周挖出排水溝，場地中間也挖出縱橫兩條排水溝，場地中間的兩條排水溝鋪上碎石至地面高度，作為排水通道，并在整個場地均勻鋪上50 mm厚的細砂，作為排水層將電極板排上來的水引至排水溝，現場布置情況如圖3所示[14]。

圖1 試驗場地的位置

圖2現場電極布置圖

上述操作完成后，再用電線將電極板連接起來，將同一排的20個電極板串聯，共16排。相隔一排的電極極性相同，相鄰的電極極性相反，圖中豎線代表的電極板作為初始陽極，每一排并聯接到電源的正極上；而圖2中加號代表電極板作為初始陰極，同樣每一排并聯接到電源的負極上。

現場試驗中共使用了兩臺電源，分別是WYK80V/2000A-RS直流穩(wěn)壓電源和100V/300A-RS自控直流電源。電源上裝有自動轉換電流輸出方向的按鈕，并帶有遠程控制程序，可在電腦上用軟件對電源進行控制。

(a) 插入電極板[14](b) 鋪砂層/設排水溝

圖3插入電極板后的場地

1.3 現場監(jiān)測點位布置

整個現場試驗中監(jiān)測了電流、電壓和沉降。電流和電壓主要通過電源上的顯示器或電腦的遠控程序讀取；沉降通過在場地上布置監(jiān)測點，每隔一段時間用水準儀讀取每個監(jiān)測點的標高，共布置9個沉降監(jiān)測點，具體位置見圖4。

試驗軟土電滲處理后，采用薄壁取土器?、窦壴瓲钔翗?。試驗場地內共布置5個鉆孔，依次標號為1#、2#、3#、4#和5#，具體位置見圖5。

圖4 沉降監(jiān)測點布置位置

圖5取樣點布置位置

取出鉆孔原狀土樣后，將鉆孔土樣沿深度方向進行分段并對原狀土樣進行一系列的物理力學參數測試詳見表2。說明：各鉆孔土樣中，深度0.4 m～0.6 m范圍均為地基頂層的人工填土及排水砂墊層，并非原地基土，故取樣時不取該部分土樣，以場地表面為坐標原點，每個鉆孔沿豎向共取4個點。

表2 各土樣所對應實驗項目

2 現場試驗通電方案

整個試驗共持續(xù)40 d。在試驗開始階段，受限于電源功率，先采用100V/300A的電源通電，穩(wěn)流輸出295 A。在電壓過大時轉成穩(wěn)壓模式，恒定輸出電壓為50 V。然后斷電一段時間，之后換成80V/2000A的電源，重新通電，改成穩(wěn)壓80 V輸出，具體見表3。

表3 通電歷程

試驗期間一直采用電極轉換的方式進行通電。轉換方式采用之前課題組室內試驗結果，設定為不對稱轉換，即：先進行每10 min轉換通電幾個周期，可以觀察到反向電流會有一個維持穩(wěn)定的時段，待反向電流開始下降后，轉成正向通電，正向電流很快衰減，達到一定數值后下降速度明顯減緩，選擇正向電流減緩的時間作為正向通電時間。然后按照試出的這個時間作為轉換頻率?？偟膩碚f，小功率電源通電采用長時間反向+短時間正向的通電模式，間歇一段時間后，轉為大功率電源通電，改為長時間正向+短時間反向的通電模式。

3 現場試驗結果與分析

3.1 穩(wěn)流階段電壓變化

在這個階段以穩(wěn)流295 A輸出。場地上總共16個回路，每個回路的電流約為18.4 A，電流密度為0.17 A/m2。電流是決定排水速率的關鍵因素，而在穩(wěn)流輸出的情況下，電壓越小，就越節(jié)能。

先進行10 min+10 min的通電后，發(fā)現反向電壓變化幅度較小，更穩(wěn)定，這與室內模型試驗的結果一樣。于是延長反向通電的時間，待電壓出現增大趨勢后轉換電極，直至正向電壓增大的趨勢減緩再將通電方向轉成反向。根據電壓變化在轉向反向通電的一瞬間，電壓值小于轉換前的值，隨后電壓在很短的時間內下降至一個較低的值，并維持一段時間的穩(wěn)定，最后再緩慢增大。在從反向轉回正向的一瞬間，電壓值同樣小于轉換前的值，但很快電壓就超過了轉換前的值，升高到一個較高的值后變化速度減慢或者維持不變。

根據轉換調試的結果，得出一個較適合的轉換周期為2 h+14 h，這個周期約為模型試驗結果的13倍。

最開始電壓不高于20 V，在通電的前200 h，反向電壓的變化幅度很小，基本維持在20 V左右。在這個時間段，正向電壓的峰值是緩慢增大。但是在200 h后，兩個方向的電壓均急速升高，在30 h后電壓峰值超過了80 V，這時的通電形勢很差，電壓很快就要超過量程，如果不改變通電方式就只能被迫停止通電，所以后續(xù)將通電方式改成穩(wěn)壓50 V。

3.2 穩(wěn)壓80 V階段電流變化

結束穩(wěn)流295 A和穩(wěn)壓50 V這兩個階段后，斷電一段時間，再繼續(xù)通電。將輸出方式改成穩(wěn)壓輸出，在輸出電壓一定的情況下，電流越大，對排水越有利。正向電流大于反向電流，說明延長正向時間更有利。正向電流可分為兩個階段：下降階段和上升階段。

在轉向正向的一瞬間，電流值遠大于轉換前的值，在短時間內快速下降，但下降幅度較小。上升階段，正向電流短暫地下降后，逐漸升高，在通電幾個周期后，約80 h時達到了初始電流的4倍。80 h后，考慮到線路的承受極限問題，將電壓降至60 V，在接下來的一個周期內，電流下降了0.15 kA，但電流仍然存在一個上升的過程；而在轉向反向的一瞬間同樣電流值變大，但在快速線性下降至一個很低值后，改變輸出電壓，對反向電流的影響不明顯。

這個階段能看到明顯的排水，排水量也明顯多于穩(wěn)流階段，這主要歸結于電流值變大的原因。間歇一段時間后，土體原本已難以排水的情況得到了改善，排水能力得到了進一步的提高，這說明間歇后，土體里由于電滲產生的電荷累積消散了，pH值的不平衡也慢慢被中和了，同時陽極附近土體被毛細作用重新潤濕，界面電阻降低，土體的電滲能力得到了恢復。

在通電120 h后，反向電流的變化規(guī)律不變，但正向電流不再出現上升的趨勢，在轉向瞬間快速下降后緩慢減小。說明在通電120 h后，穩(wěn)流階段長時間反向通電產生的阻礙作用已經被現階段長時間正向通電完全抵消。繼續(xù)長時間正向通電，電滲的阻礙作用會越來越大，電流開始逐漸衰減。

3.3 電滲前后土體性質的變化

通電結束后，根據表2進行取樣并測定了幾種指標，主要是：含水率、密度、抗剪強度、壓縮指數和水力滲透系數等。所有指標的測定均按照《公路土工試驗規(guī)程》[16](JTG E40—2007)進行。

(1) 含水率與密度。土樣的含水率與密度測量結果見表4，經過一個多月的電滲處理后，土體的含水率有大幅度的降低，降低了初始含水率的一半左右，土體密度也在一定程度上提高了。從深度分布上看，表層土體含水率較低，干密度較大，說明處理效果較好；同時含水率并不是隨著深度逐漸遞增的趨勢，最大的位置不是出現在土層最深處，而是在中下部，但從整體上看差別并不大?？偟膩碚f，電滲排水固結使土體的平均含水量從62%降低到36%。

表4 電滲前后土體含水率與密度

(2) 強度。電滲前后的淤泥土均采用不固結不排水試驗方法對土體進行抗剪強度的測定，不同含水率下土體的Cuu值見表5。并對電滲處理后的淤泥土進行現場十字板剪切試驗，實驗結果見表6。

表5 不同含水率下土體的Cuu值

表6 十字板剪切試驗結果

與現場十字板剪切試驗相比，室內快剪實驗得到的抗剪強度較小，這可能是由于快剪實驗的土樣發(fā)生了擾動。綜合現場十字板剪切試驗和室內快剪試驗的結果，經過電滲之后土體從之前沒有粘聚力的流塑狀態(tài)提高到不固結不排水抗剪強度為20 kPa左右的可塑狀態(tài)。

(3) 壓縮系數。將表2中的5#土樣進行固結實驗，得到各種荷載下的壓縮系數，采用壓力段由100 kPa增加到200 kPa時的壓縮系數來比較不同深度土層的壓縮性，并評定處理后土的壓縮性。結果如表7所示。

表7 電滲前后土體的壓縮系數

從試驗數據看，處理后的土體的壓縮系數有了大幅度的降低。而隨著深度的增加，壓縮系數是隨之增加的。這很可能是含水率的不同造成的，含水率越高，土的壓縮系數就越大，而含水率隨深度的變化規(guī)律恰好與之相同。從平均水平看，電滲后土的壓縮系數約為0.6，仍處于高壓縮性土的范疇，但已經很接近中壓縮性土了,這也體現出了處理的成效。

(4) 承載力?，F場靜力觸探試驗成果如表8所示。

表8 靜力觸探結果

根據靜力觸探確定黏性土承載力特征值fak的經驗公式[17]：fak=0.085ps+43，估算出fak=58.3～83.8 kPa，平均為71 kPa。

3.4 試驗能耗

根據輸出的電流、電源和通電的時間計算出每個過程的耗電量，結果如下表9。

表9 現場試驗耗電量

在使用小電源通電的階段，總耗電2 151 kw·h，平均沉降2.5 cm～4 cm，而在大電源通電階段，總耗電7 046 kw·h，平均沉降12.5 cm～16 cm。大電源通電階段能耗比小電源通電階段多2.3倍，沉降多3倍～4倍，總體上說，大電源通電階段的處理效率更高。

這是根據輸出情況估算的能耗，而實際中還會存在別的損耗，比如電纜的損耗和電源的損耗等，所以總的能耗值會比計算值9 197 kw·h多一些。平均單位排水能耗為17.8 kw·h/m3，而處理單位體積土體的所需能耗僅為5.6 kw·h/m3。

3.5 試驗后電極板變化

電滲結束之后，將EKG電極板挖出沖洗后，照片如圖6(b)所示。對比電滲前的電極板圖6(a)可以看出，電滲之后電極未被腐蝕，電極表面附著有白色物質，推測可能為鹽類沉淀物。李瑛[18]在采用金屬電極進行電滲試驗時同樣發(fā)現隨著電滲的進行，陰極設置的反濾土工布表面逐漸積累了一些白色難溶物。說明這并不是電極的析出物，而是兩極的化學反應的產物。通電結束后電極仍保持完好，說明這種EKG電極很好地解決了電極腐蝕的問題。

(a) 電滲前(b) 電滲后

圖6電滲結束前后的EKG材料電極板照片

4 結 論

(1) 在通電的前期，反向電壓較穩(wěn)定，延長反向通電時間更有利，這個特性與模型試驗結果相同；而經過一段時間的間歇后，原本難以排水的土體繼續(xù)排水，而且排水情況比間歇之前更好，這時反倒是正向電流在持續(xù)上升，反向電流衰減很快，延長正向通電時間有利。說明間歇通電能讓土體恢復排水能力。

(2) 電滲結束后，土體含水率從最初的62%降至36%，土體含水率明顯下降；土體的抗剪強度明顯地提高，根據現場靜力觸探試驗的結果，最終土體承載力達到了71 kPa，土體承載力明顯地提高；土體的壓縮系數隨著深度的增大而增大，主要受含水率分布的影響，但總體上都有明顯地降低。電滲法對軟土體處理效果明顯，土體的各項物理力學指標都明顯變好。

(3) EKG電極在使用后基本無腐蝕現象，說明這種電極在取得較好的電滲效果同時，也很好地解決了電極腐蝕問題。