電滲法在軟土路基處理中的應(yīng)用

王志勇

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

電滲法是指在軟土地基中插入陰陽電極并施加低壓直流電,通過產(chǎn)生電動及電蝕等效應(yīng),提高軟土地基強(qiáng)度的一種軟土加固方法。

電滲法具有加固速率快、效果明顯及對周圍環(huán)境污染少等優(yōu)點。1939年德國卡薩格蘭德首次將電滲法應(yīng)用于薩爾茲告脫鐵路路基的開挖工程中[1]；在20世紀(jì)60～70年代,電滲法在理論和實踐上都得到了長足的發(fā)展,其處理效果的長久性也在工程實踐中得以證明[2]。近年來,電滲法在建筑物、構(gòu)筑物基礎(chǔ)施工中使用廣泛,并取得了良好的加固效果,而在軟土路基中該方案使用較少。針對這種情況,通過對廣州地區(qū)某電滲法處理軟土路基的試驗段施工實例,總結(jié)了電滲的設(shè)計參數(shù)、施工經(jīng)驗,以及地下水、電流與電極間距關(guān)系和電極電蝕情況,為該法在軟基加固處理中的推廣運(yùn)用積累實踐經(jīng)驗。

1 電滲加固軟土的機(jī)理

電滲法在地基中插入金屬電極并通以直流電,在直流電場作用下,土中水將從陽極流向陰極形成電滲[3]。采用不讓水在陽極補(bǔ)充而從陰極的井點用真空抽水的方式,使地下水位降低,土中含水量減少,從而使地基得到固結(jié)壓密,強(qiáng)度提高。

電滲法產(chǎn)生電動及電蝕等效應(yīng)。電動效應(yīng)主要表現(xiàn)為電滲及電泳。電滲作用表現(xiàn)為：帶正離子的極性水分子在直流電的作用下,由陽極附近移向陰極,通過陰極管排水加快軟土固結(jié)速率；電泳指帶有負(fù)電荷的土粒,在電場作用下移向陽極,在陽極附近沉積,從而使陽極附近的土體加密,土體的強(qiáng)度增加[4](如圖1所示)。

圖1 電滲設(shè)計剖面

電蝕效應(yīng)是指帶Fe3+的陽極在電流的作用下發(fā)生電解,形成難溶性沉積物,加密了周圍的土體,強(qiáng)度增加[4]。

2 設(shè)計參數(shù)

(1)電極采用 φ22 mm鋼筋作為陽極,φ48 mm鋼花管作為陰極,鋼筋(鋼花管)長均為10 m。

(2)陰(陽)極通過用 φ22 mm鋼筋連接通電；電極橫向間距2～3 m,縱向間距4 m(如圖2)。

(3)采用可控硅整流器作為電極電源,陰陽電極之間恒定工作電壓為38 V；每天電滲10 h,并同時抽水。

(4)沿陰極布設(shè)抽水管,射流泵與抽水管連接將水抽出。

圖2 電極埋設(shè)平面布置(單位：m)

3 施工工藝及安全控制

3.1 施工工藝

(1)利用袋裝砂井施工機(jī)械埋設(shè)電極。機(jī)架高度為導(dǎo)管長度2倍,當(dāng)導(dǎo)管下沉到設(shè)計深度后,將振動錘轉(zhuǎn)離管口,將電極放入后振動錘復(fù)位。拔出導(dǎo)管時電極留在地下。每根電極露出地面10 cm,以搭接電源。

(2)每排電極用 φ22 mm鋼筋焊接起來,接電線連通電源。

(3)沿陰極(鋼花管)布設(shè)排水管,將抽水管插入陰極管內(nèi),連接射流泵將水抽出。

(4)采用可以保證恒壓的可控硅整流器作為電源。

(5)施工過程中,對整個電滲加固的地下水位變化情況進(jìn)行監(jiān)測,并安裝水表以記錄排水情況。

(6)施工過程中每隔7～10 d進(jìn)行一次靜力觸探試驗。

(7)停止電滲后再填砂載入預(yù)壓。

3.2 安全控制

電滲施工時整個場地遍布電流,而施工現(xiàn)場人員、機(jī)械較多,安全工作顯得尤其重要。根據(jù)本項目實踐經(jīng)驗,電滲安全施工主要控制以下幾點：

(1)正常情況下,安全電壓為36 V,工程實際的穩(wěn)定電壓為38 V,在地基土體中形成的電流強(qiáng)度僅為3 A左右。綜合考慮加固效果,電壓強(qiáng)度尚需提高。因此,當(dāng)電滲時施工人員需要進(jìn)入電滲施工場地時,務(wù)必穿防電膠鞋。

(2)電滲需要穩(wěn)定的直流電壓,一般都需要變壓設(shè)備將電壓較高的交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電,在選用變壓設(shè)備時,必須把好質(zhì)量關(guān)。同時,在操作時,必須避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)換電壓超出設(shè)計電壓的情況,以防觸電。

(3)電滲排水措施必須完善,將電滲水排出場地以外,避免增加場地的潮濕性。

(4)施工期間碰到雨水天氣,在電滲電壓大于24 V的情況下,停止電滲施工；在電壓小于24 V的情況下,可根據(jù)供電、變壓設(shè)備的具體情況確定是否需要停止施工。

(5)在施工場地外圍設(shè)置安全警示線、警示牌,避免閑雜人員進(jìn)入。

4 電滲加固對地下水的影響

為掌握電滲過程中整個電滲區(qū)地下水位的變化情況和了解電滲對地下水位的影響,進(jìn)而分析電滲對地基土層滲透性的增加效應(yīng),在電滲區(qū)共布置了8個水位孔(如圖3所示),每個水位孔的深度為7 m。

圖3 電滲區(qū)水位孔布置平面(單位：m)

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,電滲抽水約2 h后,整個電滲區(qū)域的地下水位有不同程度下降(如圖4所示),其中路基中間位置下降的幅度最大,可達(dá)2 m左右。繼續(xù)抽水過程中,隨著水位的下降,電滲區(qū)與四圍的水頭差逐漸增大,當(dāng)抽水與來自四圍的補(bǔ)給達(dá)到一個動態(tài)平衡后,電滲區(qū)的地下水位就基本保持不變。此時的地下水位線形成了一種盆狀曲線。

圖4反映出路基右邊地下水位下降的幅度相對左邊要大。據(jù)分析,左半幅地層的軟土層中細(xì)砂層較右半幅厚,同一斷面左半幅滲透系數(shù)高,地下水補(bǔ)給快,因此,右半幅地下水位下降的幅度相對就大一些。

圖4 電滲抽水前后水位變化曲線

從電滲的加固機(jī)理可知,電滲的加固作用主要表現(xiàn)在兩個方面：一是增加地基軟土層的滲透性,提高孔隙水的排出速率,從而達(dá)到壓密軟土層,增加其強(qiáng)度的作用；二是通過一系列化學(xué)作用,在土體孔隙內(nèi)產(chǎn)生新的化合物,從而達(dá)到提高軟土層力學(xué)性質(zhì)的加固目的。假設(shè)電滲過程中,土體的滲透性有所增加,則在抽水及停止抽水過程中,其水位的下降及上升情況將和不電滲時有所區(qū)別。針對這一想法,選擇相鄰兩日的相同時間分別測試了電滲或不電滲時,抽水過程中或停止抽水過程中地下水位的變化情況。測試結(jié)果見表1。

表1 抽水/不抽水過程中電滲區(qū)水位變化

據(jù)表1,對比電滲與不電滲兩種狀況下地下水位的變化情況,可以發(fā)現(xiàn)除個別水位孔存在較小的誤差外,電滲時水位下降速率較小,平均比不電滲時小9.1 cm/h,電滲時水位上升速率較快,平均比不電滲時快8.6 cm/h。這表明,電滲可以加速地基土層的排水速率,可使土體的滲透系數(shù)大幅增加。

5 電流與電極間距關(guān)系

電滲成功與否,其中最主要的一點就是能否在軟土層中形成有效的電流。這取決于電極的布設(shè)參數(shù)、電壓的大小。為了研究電流與電極間距、電壓的相互關(guān)系,項目單獨(dú)打設(shè)了三根電極,中間為陽極管,兩側(cè)為陰極鋼管,間距分別為1 m、2 m。其試驗結(jié)果見表2。

表2 不同情況下電極之間電流變化一覽

由表2可知,電極之間的電流隨電壓的增加成正比例增長,隨著間距的增大而減小,并且電壓越大,間距對電流的影響也越大。此外,相同電壓條件下,1 m和2 m的電流強(qiáng)度相差較大,而2 m和3 m的電流強(qiáng)度相差很小,這主要是由于3 m間距時兩根電極均為陰極鋼管,其截面面積(直徑4.8 cm)大于陽極鋼筋的截面面積(直徑2.2 cm),也就是說,電極面積越大,電極之間的電流也越大。因此,在設(shè)計電滲加固方案時,就要充分考慮電極間距、截面大小與電壓的大小。電壓越大,間距越小,截面面積越大,電流也越大。但總體來說,電壓的影響要大于間距及截面面積的影響。

孔隙水的排出伴隨著土體的沉降,因此電壓值的提高,也使得土體沉降量相應(yīng)增加[5]。

6 電極電蝕情況

40 d的電滲期后,在電滲區(qū)不同位置拔出幾根陽極鋼筋,觀察其電蝕情況。結(jié)果顯示：1 m間距的陽極鋼筋由于兩側(cè)陰極距離較近,電蝕程度最大,電蝕厚度約為3mm；2 m間距的陽極鋼筋稍有電蝕,電蝕厚度約為1 mm；3 m間距的陰極鋼筋電蝕程度很低。由此可見,陰陽極距離越近,電蝕程度就越高。因此,對于類似本工程地質(zhì)條件的軟基,建議電滲電極間距取1～1.5 m比較合理。

7 電滲加固產(chǎn)生的沉降變化

經(jīng)過電滲40 d后,電滲區(qū)開始填砂,累計填砂厚度為1.94 m,平均填砂速率為0.11 m/d。填砂后,采用1 m的填砂荷載加載。在整個加載及預(yù)壓期間,一直進(jìn)行路基穩(wěn)定性監(jiān)測。

電滲區(qū)每施加一級荷載,表面沉降速率都有明顯的增大,并且在隨后的兩三天內(nèi)迅速減小。在快速加載期間,最大沉降速率達(dá)到了15 cm/d,對應(yīng)的填砂厚度為194 cm。此外,經(jīng)過4個月的超載預(yù)壓,本區(qū)的沉降已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),平均總沉降量為23.9 cm。而相鄰填砂4.0 m厚的袋裝砂井區(qū)經(jīng)過5個多月的預(yù)壓期,其平均總沉降量僅為19.0 cm。在地質(zhì)條件差不多的情況下,這個監(jiān)測結(jié)果似乎和前面得到的電滲后軟土強(qiáng)度有明顯提高的結(jié)論相違背,但經(jīng)過仔細(xì)分析,認(rèn)為造成電滲區(qū)在堆載后沉降相對較大的原因可以從以下三個方面去解釋。

第一,雖然總體上本段的地質(zhì)條件比較穩(wěn)定,但軟土層內(nèi)交互沉積的許多微薄粉砂層的存在影響土層的固結(jié)強(qiáng)度[6]。因此,本段沉降大于袋裝砂井區(qū),軟土力學(xué)指標(biāo)的變化是其中一個原因。

第二,電滲期間,軟土中的部分孔隙水在電流的作用下排出,可能在土體中形成非飽和的孔隙,在沒有外界荷載作用的情況下,孔隙水排出后形成的孔隙很難閉合,電滲期間軟土層的壓縮變形很小。在施加填砂荷載后,軟土層的非飽和孔隙在附加應(yīng)力的作用下迅速縮小,導(dǎo)致表面沉降增加。

第三,電滲可能與真空預(yù)壓具有類似的特點,可以主動排水,固結(jié)速率加快。但是,單獨(dú)應(yīng)用時加快沉降的效果不顯著,與堆載聯(lián)合應(yīng)用時加快沉降的效果較好[7]。

8 結(jié)論與建議

電滲加固方案得到了一些有益的探索,并根據(jù)本次設(shè)計、施工經(jīng)驗,提出幾點具有借鑒意義的建議：

(1)電滲時地下水位普遍下降1.5～2.5 m,路基中間下降較多。抽水時,電滲狀況下水位變化與不電滲狀況下水位變化相差較明顯。電滲可以加速地基土層的排水速率,可使土體的滲透系數(shù)大幅增加。

(2)電流密度隨電壓增加而增大,隨電極間距增大而減??；電極直徑越大,電流密度越大[8]。

(3)經(jīng)過電滲加固后,軟土強(qiáng)度提高具有較明顯的空間效應(yīng)：越靠近陽極的位置,軟土力學(xué)性質(zhì)增幅越大。電極間距距離越小,軟土強(qiáng)度增幅越大[9]。對于類似本工程地質(zhì)條件的軟基,電滲電極間距取1～1.5 m比較合理。

(4)電滲后,土體強(qiáng)度和地基承載提高,路基填土(砂)可采用快速施工法。電滲可以加速沉降,但是不能減小沉降量。

(5)電滲屬于主動排水,堆載聯(lián)合應(yīng)用可取得更好的加固效果。

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