電滲法軟基加固現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

于健，諸葛愛軍，劉建軍，李衛(wèi)，劉愛民

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222； 2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

電滲法軟基加固現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

于健1，諸葛愛軍1，劉建軍2，李衛(wèi)1，劉愛民1

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222； 2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

對(duì)超軟土采用真空預(yù)壓法加固后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)電滲法加固試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了電滲法的能耗情況。通過加固效果檢測(cè)證明電滲法可以使土體強(qiáng)度在短期內(nèi)有較大幅度的增長(zhǎng)，達(dá)到真空預(yù)壓所達(dá)不到的加固效果。

超軟土；電滲法；耗能；加固效果

0 引言

吹填造陸時(shí)常常在局部形成一定厚度的流泥和浮泥，通常采用常規(guī)的真空預(yù)壓法進(jìn)行加固。在加固前期地基沉降量顯著，土體強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，但后期強(qiáng)度增加不明顯。這主要是由于真空預(yù)壓排水固結(jié)作用產(chǎn)生的水力梯度只能夠?qū)⑼林械淖杂伤懦?，而?duì)于土中的結(jié)合水在排水固結(jié)作用下則很難排出。結(jié)合水是指受雙電層影響吸附于土粒表面的水，可分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。強(qiáng)結(jié)合水性質(zhì)已接近固體，因此不對(duì)土體加固產(chǎn)生影響；弱結(jié)合水因?yàn)槭芡亮ｌo電場(chǎng)的影響，一般的排水固結(jié)法很難將其排出，但在外加直流電場(chǎng)的作用下，部分弱結(jié)合水可以擺脫靜電場(chǎng)的束縛被排出，因此電滲不僅可以排出自由水，還可以排出弱結(jié)合水[1]。

從理論上講，電滲法加固速度與孔隙比有關(guān)，與土顆粒的大小無關(guān)，因此黏粒含量較高的流泥、浮泥中結(jié)合水含量較高，用電滲法來加固是比較理想的[2]。但由于電滲法需要消耗大量的電能，因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)電滲法的研究以室內(nèi)試驗(yàn) 研究 為 主[3-4]， 而現(xiàn) 場(chǎng) 試驗(yàn)[5]和 應(yīng) 用 卻 不 多見。依托 2008 年中交股份特大研發(fā)項(xiàng)目“大面積超軟黏土地基處理技術(shù)研究”，進(jìn)行了電滲法軟土加固現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

電滲法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)位于天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)，加固面積為 20 m × 20 m。先采用常規(guī)真空預(yù)壓法進(jìn)行地基加固，插板間距為 60 cm，插板深度為3.5 m，真空壓力約為 80 kPa，預(yù)壓 6 個(gè)月后卸載，卸載時(shí)地表平均沉降量為 969.1 mm，固結(jié)度超過 80%。卸載后在加固區(qū)中心選擇一塊區(qū)域進(jìn)行電滲現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)面積約為3 m×3 m。

2 地質(zhì)條件

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)真空預(yù)壓加固前為新近吹填高含水率軟土，表層土基本為流泥，吹填土深度為4 m左右。在真空預(yù)壓加固前采用薄壁取土器取土，取土樣本為 15 個(gè)，取土深度最深為 3.5m，室內(nèi)土工試驗(yàn)分析結(jié)果見表1。

表1 加固前試驗(yàn)區(qū)取土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Laboratory test resultsof the soil in test sitebefore reinforcement

從加固前的檢測(cè)結(jié)果看，加固區(qū)初始含水率很高，平均含水率大于 85%，最大含水率達(dá)到104.0%；十字板強(qiáng)度低，平均值為 2.0 kPa；黏粒含量高，均值為52%，屬于典型的超軟土。

3 電滲試驗(yàn)方案及實(shí)施

3.1 電滲試驗(yàn)方案

3.1.1 電極整體布置

電滲試驗(yàn)區(qū)電極平面布置見圖 1，設(shè)置 6排電極，每排6個(gè)，共36個(gè)電極，正方形布置，間距為 0.6m，電極入土深度 2.0m。

圖1 電極接線整體布置圖Fig.1 The overall layoutof electrode connection

3.1.2 電極制作

電滲的陰陽極均采用 φ20mm 鋼管，入土部分鋼管梅花形布置 φ8mm 小孔 （上端留 15 cm 不打孔，以保證抽氣時(shí)管內(nèi)有一定的真空度），外包無紡布，以便采用真空泵抽出陰極附近的水，如圖2所示。

圖2 電極示意圖Fig.2 Sketchmap of electrodes

3.2 試驗(yàn)實(shí)施

電極入土深度為 2.0m，在土體表面覆蓋 1 層塑料薄膜，以防止土中水分蒸發(fā)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響。用電纜將每列電極串聯(lián)起來，按照陰陽相間的原則布置，分別將陰陽極連接到整流器的陰陽極上。

將陽極管和陰極管用塑料軟管串聯(lián)起來，接到主管上，主管接到抽真空設(shè)備上，見圖3。

圖3 電滲電極、電纜、管路連接、塑料膜鋪設(shè)Fig.3 Electroosmosiselectrode，cable，pipeline connection，p lastic laying

加固過程中進(jìn)行真空抽水，真空度控制在30 kPa左右，目的是電解產(chǎn)生的、聚集于電極處的氫氣和氧氣更容易逸出，從而減小界面電阻，減少在界面電阻上所消耗的電能。

電滲加固實(shí)際通電時(shí)間為 10 d，采用間歇通電方式，每通電 8 h，間歇 4 h，利用整流器提供直流電。

4 電流、電壓監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

為研究電極間電勢(shì)能的分布情況，在 Y3排的相鄰電極之間等間距 （間距為 15 cm） 布置 3個(gè)測(cè)頭，測(cè)頭埋入土中 50 cm，見圖 1，測(cè)頭采用銅芯絕緣電線，上下兩端露出銅芯。

每隔2 h測(cè)量1次總電流、總電壓、各支路電流、相鄰電極列之間電壓以及 Y3排相鄰測(cè)頭之間電壓。

4.1 電流、電壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

整流器輸出總電流隨時(shí)間變化見圖 4，整流器輸出總電壓隨時(shí)間變化見圖 5，X1～X6 各列電極的支路電流隨時(shí)間變化見圖 6，Y3 排相鄰電極之間的電壓隨時(shí)間變化見圖7，圖中每點(diǎn)的數(shù)據(jù)為當(dāng)天測(cè)量的平均值。

圖4 整流器輸出總電流隨時(shí)間變化圖Fig.4 The variation of totaloutputcurrentof rectifier w ith tim e

圖5 整流器輸出總電壓隨時(shí)間變化圖Fig.5 The variation of totaloutputvoltageof rectifier w ith tim e

圖6 X1～X6 單排電流隨時(shí)間變化Fig.6 X1~X6 single currentchangeover time

圖7 Y3排相鄰電極間的電壓隨時(shí)間變化Fig.7 The variation ofvoltagebetween ad jacent electrodeof Y3w ith time

4.2 能耗分析

根據(jù)上述各支路電流和Y3排相鄰電極之間的電壓，統(tǒng)計(jì)出整流器輸出的總電流、總電壓和試驗(yàn)區(qū)內(nèi)有效總電流、總電壓，見表 2，表中的電流、電壓值為當(dāng)天所測(cè)的平均值。

可以看出電極排之間的電壓明顯小于整流器輸出的總電壓，根據(jù)表中的有效電壓、有效電流可知加固土體的總電阻在 （3.12～4.51）× 10-2Ω 之間，計(jì)算可知電纜總電阻 （5.00～5.98）× 10-2Ω，可見有很大一部分電能消耗在進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)之前的電纜上。

根據(jù)對(duì)電流和電壓的監(jiān)測(cè)結(jié)果，用下式可以推算出總耗能和有效耗能，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 電流、電壓統(tǒng)計(jì)Table 2 Statisticsof cu rren tand voltage

表3 電滲試驗(yàn)耗能量Table 3 Energy consum ption by electroosm osisexperim ent

從表3可以看出有效耗能只占總耗能的38.6%，也就是說整流器和試驗(yàn)區(qū)之間的電纜耗能占總耗能的 61.4%。

本次試驗(yàn)在整流器與試驗(yàn)區(qū)之間的主電纜采用的是四芯 25 mm2的銅芯電纜，總截面積為100 mm2，長(zhǎng)度約為 30 m，銅芯電阻率為 1.75 × 10-8Ωm （20 ℃）， 計(jì)算可知電纜理論電阻約為 5.25×10-3Ω，遠(yuǎn) 小于實(shí)際 值 （5.00 ～5.98）× 10-2Ω。其主要原因是損失在電纜的能量轉(zhuǎn)化為熱能，造成在通電試驗(yàn)過程中電纜溫度很高，增大了銅芯的電阻率，另外電纜的老化等都造成電纜的電阻變大，因此應(yīng)通過減小整流器與試驗(yàn)區(qū)之間的距離或增加主電纜銅芯截面積等方法來減小電纜電阻，降低電纜部分損失的電能。

4.3 電極間電勢(shì)分布規(guī)律分析

Y3排電極之間等間距布置了3個(gè)測(cè)頭（間距為 15 cm），各相鄰電極之間相同位置測(cè)頭之間的電壓統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 Y3排電極間相鄰測(cè)頭之間的電壓Tab le 4 The voltagebetween ad jacentmeasuring head of Y3 electrodes V

可以看出電極管附近區(qū)域電勢(shì)差明顯大于較遠(yuǎn)的區(qū)域，并且陽極附近電勢(shì)差明顯高于陰極附近電勢(shì)差。這說明電極與土體接觸位置電阻率明顯高于土體電阻，也就是存在界面電阻[6]。在離陽極較近的位置，電滲作用使陽極附近的水分很快被疏干，陽極周圍土體的電阻增大，因此該區(qū)域的電能消耗量較大，并且現(xiàn)場(chǎng)在陽極周圍發(fā)現(xiàn)了大量的干縮裂縫，也說明了電滲作用對(duì)陽極附近土體加固效果最快、最明顯。

5 加固效果檢測(cè)及分析

為對(duì)加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)前后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)十字板強(qiáng)度檢測(cè)、鉆孔取土及室內(nèi)土工試驗(yàn)。電滲加固前進(jìn)行了6組現(xiàn)場(chǎng)十字板強(qiáng)度測(cè)試、3組取土和室內(nèi)試驗(yàn)。加固后分別進(jìn)行了 12組現(xiàn)場(chǎng)十字板強(qiáng)度測(cè)試（陽極附近3組，陰極附近3組，陰陽極之間中點(diǎn)位置3組，相鄰4個(gè)電極中心位置3組）、8組取土和室內(nèi)試驗(yàn) （陽極附近2組，陰極附近2組，陰陽極之間中點(diǎn)位置 2組，相鄰4個(gè)電極中心位置2組），試驗(yàn)位置見圖8。

圖8 電滲前后取土及現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)位置圖Fig.8 Location of field vane shear test and the soil beforeand after electroosmosis

5.1 室內(nèi)土工試驗(yàn)

加固前進(jìn)行了3組取土和室內(nèi)土工試驗(yàn)，電滲前后土體主要指標(biāo)均值見表5。

由表5可見，電滲前土體平均含水率為44.1% ， 濕 密 度 1.77 g/cm3， 干 密 度 1.23 g/cm3，電滲后土體含水率和干密度稍有降低。

電滲后取土試驗(yàn)點(diǎn)分別位于陽極附近、陰極附近、陰陽極連線中點(diǎn)以及4個(gè)電極中心位置。為更好地分析數(shù)據(jù)，分別將相同位置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)取平均值，見表6。

含水率變化：電滲前平均含水率為 44.1%，電滲后陰極附近含水率增長(zhǎng)為 45.9%，陽極附近含水率降低為 40.8%，陰陽極中間及 4 個(gè)電極中心位置含水率稍有降低，分別為 43.8%、43.3%。這說明土體在電滲作用下，水分在陰極匯集，而陽極對(duì)土體有疏干作用，土體在陽極附近加固效果最為顯著。

表5 電滲加固前后土體主要指標(biāo)均值Tab le5 M ean-valueofmain indicatorsofsoilbeforeand after electroosmosis reinforcement

表6 電滲加固后不同位置土體主要指標(biāo)均值Tab le 6 M ean-value ofmain indicatorsof soil in different position after electroosmosis reinforcement

濕密度變化：在陰極附近濕密度較電滲前1.77 g/cm3降低為 1.75 g/cm3，陽極附近較電滲前增長(zhǎng)到 1.80 g/cm3，陰陽極中間及 4 個(gè)電極中心位置濕密度較電滲前變化不大。

其它指標(biāo)，如孔隙比、液性指數(shù)等表現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)。

5.2 電滲前后十字板強(qiáng)度

電滲前進(jìn)行了6組十字板檢測(cè)，電滲后進(jìn)行12組十字板檢測(cè)。電滲后十字板檢測(cè)的位置分別位于陽極附近、陰極附近、陰陽極中間位置和4個(gè)電極中間位置。電滲前后所有十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果平均值統(tǒng)計(jì)見表7，根據(jù)十字板剪切試驗(yàn)位置統(tǒng)計(jì)見表8。

表7 電滲加固前后十字板強(qiáng)度平均值Table7 Average vane strength beforeand after electroosmosis reinforcement

根據(jù)表 7，電滲后土體平均十字板剪切強(qiáng)度由 18.7 kPa 增加到 23.0 kPa，增長(zhǎng)幅度為 23.2%；根據(jù)表 8，不考慮深度因素，陽極附近十字板強(qiáng)度增長(zhǎng)為均值 27.2 kPa，相對(duì)于電滲前強(qiáng)度平均值增長(zhǎng)幅度為 45.5%，陰極附近、陰陽兩極中間和4個(gè)電極中心位置的增長(zhǎng)幅度分別為13.9%、20.3%、12.3%?？梢婋姖B加固后，土體強(qiáng)度得到進(jìn)一步改善，尤其是在陽極附近土質(zhì)加固效果最為明顯。

表8 電滲后不同位置十字板強(qiáng)度平均值Table8 Average vane strength in different position after electroosmosis

6 結(jié)語

1）對(duì)于超軟土，在真空預(yù)壓后采用電滲法可以使土體強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)得到進(jìn)一步的增長(zhǎng)，達(dá)到長(zhǎng)期真空預(yù)壓所不能達(dá)到的效果。

2）由于吹填土的含鹽量較高，土體間電阻很小，因此在整流器和試驗(yàn)區(qū)之間的導(dǎo)線損失的電能比較大，因此應(yīng)盡量減少整流器與試驗(yàn)區(qū)之間的距離或增加主電纜銅芯的截面積，降低在電纜線上的電能損失。

3）根據(jù)電滲原理，陰陽兩極產(chǎn)生的電勢(shì)差與土體電滲透流速的大小是成正比的，陰陽兩極的電勢(shì)梯度直接影響到土體加固效果。陽極附近的電勢(shì)差較大，根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽極附近的土含水率較小，強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯。

4） 由于電滲法能耗較大，對(duì)于高含水率、極細(xì)顆粒的新近吹填土可采用傳統(tǒng)真空預(yù)壓進(jìn)行初步加固，排掉土中大部分自由水，再采用電滲法二次加固，進(jìn)一步排出部分弱結(jié)合水，降低含水率，提高土體強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)且工期較短。

[1]曹永華，高志義.電滲法中排水固結(jié)理論與實(shí)踐的若干問題[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2010（6）：22-24. CAOYong-hua，GAOZhi-yi.Some problemson theory and appli-cation of drainage consolidation in electroosmotic for ground improvement[J].China Harbour Engineering ，2010（6）：22-24.

[2]曹永華，高志義，劉愛民.地基處理的電滲法及其進(jìn)展[J].水運(yùn)工程，2008（4）：92-95. CAOYong-hua，GAOZhi-yi，LIUAi-min.Characteristicsand development of elctro-osmotic treatment for ground improvement[J]. Port&Waterway Engineering，2008（4）：92-95.

[3]高志義，張美燕.真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2000（5）：58-61. GAO Zhi-yi，ZHANG Mei-yan.Laboratory model test of vacuum preloading in combination with electro-osmotic consolidation[J]. China Harbour Engineering，2000（5）：58-61.

[4]房營(yíng)光，徐敏，朱忠偉.堿渣土的真空-電滲聯(lián)合排水固結(jié)特性試驗(yàn)研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，34（11）：70-75. FANGYing-guang，XUMin，ZHUZhong-wei.Experimental investigation into draining consolidation behavior of soda residue soil under vacuum preloading-electro-osmosis[J].Journal of South China University of Technology （ Natural Science Edition），2006，34（11）：70-75.

[5]程慶臣，孫永軍.電滲技術(shù)在吹填泥袋壩固結(jié)中的應(yīng)用研究[J].東北水利水電，2001，19（9）：14-16. CHENGQing-chen，SUN Yong-jun.Application ofelectroosmosis technology to concretion hydraulic fillmud bagdam[J].Water Resources&Hydropower of Northeast，2001，19（9）：14-16.

[6]莊艷峰，王釗.電滲固結(jié)中的界面電阻問題[J].巖土力學(xué)，2004（1）：117-120. ZHUANGYan-feng，WANG Zhao.Study on interface electric resistanceof electro-osmotic consolidation[J].Rock and SoilMechanocs，2004（1）：117-120.

Field experimental study on electro-osm otic treatment for ultra-soft soil

YU Jian1，ZHUGEAi-jun1，LIU Jian-jun2，LIWei1，LIUAi-min1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.，Ltd.，Key Laboratory ofPortGeotechnical Engineering of the Ministry ofCommunications，Key Laboratory of PortGeotechnicalEngineeringof Tianjin，Tianjin 300222，China；2.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China）

The foundation is improved using electro-osmotic treatment for ultra softsoilafter using vacuum preloading.The paperanalyzesenergy consumption ofelectro-osmotic treatmentaccording to the test resultsand proves thatelectro-osmotic treatment ofultra-softsoil canmake the soil strength increases obviously to achieve the desired effect beyond vacuum preloading by reinforcementeffectdetection.

ultra-soft soil；electro-osmotic；energy dissipation；strengthening effect

U655.544；TU472.99

A

1003-3688（2014）01-0026-06

10.7640/zggw js201401005

2013-05-16

2013-12-09

天津市自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目 （13JCQNJC 07700）

于健 （1984 — ），男，山東乳山人，助理工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)以及巖土工程方面的試驗(yàn)研究工作。E-mail：yujian5241@126.com