電滲土體裂縫試驗研究

張 恩

(上海地礦工程勘察有限公司， 上海 200072)

電滲土體裂縫試驗研究

張 恩

(上海地礦工程勘察有限公司， 上海 200072)

為研究電滲過程中土體裂縫的發(fā)展趨勢，以上海典型淤泥質(zhì)軟黏土為研究對象，用加工改進的Miller Soil Box進行電滲土體裂縫試驗。通過改變外加電壓的大小，觀察記錄土體裂縫的發(fā)展趨勢，測量土體表面沉降量以及土體排水速率。試驗研究表明：電滲試驗中土體裂縫的發(fā)展分為四個階段：細微裂縫階段、細微裂縫消失出現(xiàn)主裂縫階段、主裂縫發(fā)展階段、主裂縫收縮端裂縫發(fā)展階段；外加電壓為45 V時，土體總排水量最大，土體表面沉降最大。

電滲；軟黏土；裂縫發(fā)展；排水速率；沉降量

目前，電滲排水法是處理高含水率軟黏土地基的一個比較可行也比較成熟的方法。早在1809年，俄國著名學者Reuss第一次對土體施加電壓，并得出結(jié)論：土中水向陰極移動。1939年，德國學者Casagrande I L[1]將電滲排水法運用于鐵路路基的開挖及加固工程中，這是人類歷史上第一次將電滲排水法加固軟黏土地基運用于實際工程，成功的擺脫室內(nèi)試驗的束縛并取得了良好的效果。目前為止，已經(jīng)有許多國內(nèi)外學者對電滲排水法從各個方面進行了大量的室內(nèi)外試驗研究，包括電極材料、電極布置、電極腐蝕、通電條件、添加化學試劑等等。1996年，英國學者Jones C J F P等[2]第一次提出了Electro-Kinetic Geosynthetics(EKG)在電滲排水加固軟黏土地基中的應用；2003年，Bergado D T等[3]對銅、鐵、鋁、石墨等不同電極材料進行了室內(nèi)試驗研究，發(fā)現(xiàn)銅質(zhì)電極對電滲排水法加固軟黏土地基的效果最佳；1999年，Alshawabkeh A N等[4]第一次提出了通電后土體中有效電場的概念，并采用多種電極排布方式對有效電場的大小進行了試驗研究；2001年，Micic S等[5]通過改變對土體的通電方式對軟黏土的排水速率以及電極腐蝕程度進行了試驗研究，試驗結(jié)果顯示間歇通電可以減少能耗、減輕電極腐蝕；2005年，Paczkowska B[6]將化學試劑加入軟黏土中，采用電滲排水法對該種土體的排水速率等進行室內(nèi)試驗，試驗結(jié)果表明：加入含有有機陽離子的化學試劑的土體的電滲排水速率是正常土體的4倍。

影響電滲效果的因素很多，電極材料[7]、電勢梯度[8]、電極間距[9]、通電模式[10-11]等，學者們對電滲排水法加固軟黏土地基研究已經(jīng)非常透徹，成功的應用于實際工程的案例也越來越多。然而，電滲過程中土體的開裂現(xiàn)象沒有得到學者們的密切關(guān)注。隨著電滲試驗的進行，土體中的水不斷排出，土體干縮開裂，土體裂縫的不斷增加也是影響最終電滲效果的一個重要因素。對土體失水干縮產(chǎn)生裂縫的研究在黃土高原、華北平原一帶研究的已經(jīng)非常深入，但是很少學者對電滲過程中土體產(chǎn)生的裂縫進行研究。2014年，宋忠強等[12]對活性炭處理過的電滲試驗中的土體裂縫進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)采用活性炭處理后提高了電滲過程中土體的排水速率、減小了電極的腐蝕程度；為了研究土體收縮對土體開裂及建筑物沉降的影響，張瑞敏等[13]通過對不同干密度、不同含水率的原狀殘積紅土與重塑土進行了收縮對比特性試驗，試驗結(jié)果表明玄武巖殘積紅土的收縮與初始含水率、干密度有關(guān)，不同含水率對應的收縮性指標均不一樣，且收縮性指標與干密度關(guān)系幾乎接近直線變化。

鑒于電滲排水法加固軟黏土地基過程中土體出現(xiàn)的裂縫對電滲最終的效果影響較大，目前對該方面的研究較少，本文以土體裂縫為突破口，設計室內(nèi)電滲裂縫試驗，以上海軟黏土為研究對象，研究電滲過程中土體裂縫的發(fā)展趨勢以及土體裂縫對電滲效果的影響。

1 裂縫試驗設計

1.1 試驗目的

將已配置好的土樣裝到Miller Soil Box中，在裝置兩端接入變壓直流電源對土樣進行通電，通電后土體中產(chǎn)生電場，在電場作用下土中水產(chǎn)生定向移動從陰極排水口排出，電滲試驗原理圖如圖1所示。通過改變土體的外加電壓，從排水速率、陰陽極溫度等方面對土體裂縫的發(fā)展趨勢進行研究。

圖1 室內(nèi)電滲試驗原理圖

1.2 試驗裝置及材料

本文所用試驗裝置為自主研制的Miller Soil Box，模型尺寸為L=20 cm，B=10 cm，H=10 cm；還有變壓直流電源、萬用表、溫度計、探針、銅質(zhì)電極板、燒杯、電子秤等試驗儀器，具體如圖2所示。

圖2 電滲室內(nèi)試驗操作圖

土樣采用的是上海典型的淤泥質(zhì)軟黏土，取自上海某深基坑工程，其基本物理力學性質(zhì)如表1所示。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標

1.3 試驗步驟

1.3.1 制備土樣

按照《公路土工試驗規(guī)程》[14](JTG E40—2007)，將從工地取回的原狀淤泥質(zhì)軟黏土烘干、粉碎、篩分(篩取粒徑在0.075 mm～2 mm之間的土顆粒)、再烘干(長達24 h)。稱取適量烘干后的土，按照原狀土的含水率(52.7%)進行配置，需要土2.7 kg、水1.42 kg，將配置好的土樣放在聚乙烯袋中密封靜置48 h，待試驗使用。

1.3.2 試驗過程

(1) 剪兩片邊長為10 cm厚度為0.5 mm的正方形銅片，將銅片放于Miller Soil Box兩端，在陰極銅板跟試驗裝置之間放置一塊土工布，防止泥土流失。

(2) 電極板放好之后，將已經(jīng)制備好的土樣分三層裝到試驗裝置Miller Soil Box中，每層土均為土樣總質(zhì)量的1/3，用擊錘擊實，每層均勻擊25次，每層擊完后將試樣頂面“拉毛”后再裝土，頂層除外。

(3) 將探針、溫度計插入土樣中，插入具體位置如圖3所示。

(4) 將變壓直流電源的輸出電壓調(diào)至35 V，將正負極輸出端接入試驗裝置的兩端，左端接正極，右端有排水口一端接負極。

圖3 土體表面裂縫發(fā)展趨勢圖

(5) 通電后，t=0時記錄陰陽極銅板間電壓U0AB、流過土體電流I0、陽極溫度T0+、陰極溫度T0-、排水量Q0，然后每隔15 min記錄一次數(shù)據(jù)。

(6) 將變壓直流電源的輸出電壓調(diào)至40 V、45 V、50 V、55 V，再重復步驟(1)～(5)。

2 裂縫發(fā)展趨勢分析

土體失水開裂是一種非常普遍的現(xiàn)象。通常土體失水以水分蒸發(fā)為主，溫度是一個重要因素，施斌等[15]對不同溫度下黏性土龜裂的發(fā)生及發(fā)展規(guī)律進行了研究，研究表明溫度越高，龜裂形貌越簡單，龜裂條紋越寬，而在較低的溫度下，龜裂的形貌比較復雜；周東等[16]對不同環(huán)境溫度、濕度下黏土干縮裂縫的結(jié)構(gòu)形態(tài)與變化規(guī)律進行試驗研究，隨環(huán)境溫度升高，土樣失水穩(wěn)定時裂縫率、分維數(shù)、塊區(qū)個數(shù)增大，而濕度對黏土裂縫的影響與溫度相反。電滲排水法加固軟土地基加快了土體中水分的排出，試驗過程中土體裂縫的發(fā)展除了受溫度影響外還受外加電壓大小影響。

2.1 裂縫宏觀發(fā)展趨勢

在電滲試驗進行的過程當中，每隔30 min拍一次裂縫開裂的照片，記錄裂縫開裂情況，如圖3所示。

從裂縫的開裂情況來看，裂縫的發(fā)展分為四個階段：細微裂縫階段、細微裂縫消失出現(xiàn)主裂縫階段、主裂縫發(fā)展階段、主裂縫收縮端裂縫發(fā)展階段。

圖3為外加電壓為45 V的電滲排水法加固軟黏土試驗各個時間段的土體裂縫開裂情況。試驗剛開始短時間內(nèi)，土體表面的水分會迅速移到陰極。在t=0.5 h時，土體表面出現(xiàn)大量細微裂縫，稱0 h～0.5 h為細微裂縫階段。隨著試驗的進行細微裂縫逐漸消失，大概在t=2 h時，土體的中間位置出現(xiàn)主裂縫，也稱縱向裂縫，靠近陽極位置出現(xiàn)斜裂縫，稱0.5 h～2 h為細微裂縫消失出現(xiàn)主裂縫階段?？v向裂縫是指平行于電極板方向的裂縫，橫向裂縫是指與電極板方向垂直的裂縫。t=5 h時，土體中間主裂縫寬度增至3 mm，陽極裂縫逐漸清晰，陰極開始出現(xiàn)裂縫，稱2 h～5 h為主裂縫發(fā)展階段。稱t=12 h時，土體中間主裂縫寬度收縮至1 mm，而兩端裂縫寬度逐漸增大。t>12 h時后，因土體中大部分水分已經(jīng)排出，土體裂縫開裂寬度也越來越大，稱5 h以后到試驗結(jié)束這段時間為為主裂縫收縮端裂縫發(fā)展階段。

2.2 土體表面沉降

外加電場作用下，土體中的水分產(chǎn)生定向移動，移向陰極并從排水孔排出。電滲試驗初期，靠近陰極的水會迅速排出，從而導致靠近陰極的土體表面沉降量比較大。隨著試驗的進行，土體陽極附近以及中部的水在電場作用下逐漸移向陰極，直至從排水孔排出。在試驗長達5 h時，陽極的水分還沒有移動到陰極，陰極板附近的水來不及排出，導致距離陰極板1/3處的土體表面的沉降量最大，也是在通電后的4 h～6 h內(nèi)靠近陰極1/3處的土體的沉降速率最大，直至8 h后已基本不再變化。此時，陽極板附近的土體中的水分還在繼續(xù)向陰極移動，土體也在繼續(xù)沉降，當t>24 h后，土體中的大部分水已經(jīng)被排出，土體表面的沉降變化不再明顯。圖4所示為試驗過程中土體表面沉降變化比較明顯的時間段。

lx表示x軸方向測量位置到陽極板的距離，土體表面沉降量隨時間的變化趨勢如圖5所示。在lx=6.67 cm時，土體表面的最終沉降量最大，最大沉降量為9.2 mm。除了在電場作用下陽極土體中的水分移到陰極被排出以外，陽極沉降量比陰極大的另外一個重要因素就是：在通電的過程中，陽極溫度遠遠大于陰極，由于溫度較高蒸發(fā)的水分也較多，從而導致陽極沉降量比陰極大得多。

圖4 土體沉降變化趨勢圖

圖5 土體沉降變化趨勢圖

2.3 影響裂縫發(fā)展因素

受外加電場影響，土體排水速率明顯提高，試驗過程中土體裂縫的發(fā)展以及土體表面的沉降也受到影響。因此，除了溫度以外，土體裂縫的發(fā)展速度以及土體表面沉降量的主要影響因素為外加電壓。

外加電壓在土體中產(chǎn)生的電場強度影響土體的排水速率，排水速率的不同對土體裂縫、沉降量以及土體強度都有影響。圖6為施加不同外加電壓土體的總排水量隨時間的變化趨勢圖，從圖6中我們可以看出：外加電壓為45 V時，土體的總排水量最大，土體的排水速率在0 h～6 h內(nèi)較大，6 h之后較為緩慢，直至21 h后不再排水，總量不再變化。外加電壓為35 V、40 V時，通電后土體中電場較弱，對帶電離子的影響較小，排水速率從始至終一直落后于外加電壓為45 V時的排水速率。外加電壓為50 V、55 V時，在通電剛開始的2 h內(nèi)，土體的排水速率大于外加電壓為45 V時的排水速率；隨著電滲試驗的進行，陽極溫度不斷升高，水分蒸發(fā)量遠高于外加電壓為45 V時蒸發(fā)的水分的總量，從而出現(xiàn)圖6所示外加電壓為50 V、55 V時土體排水總量低于外加電壓為45 V時土體排水總量的現(xiàn)象。

圖6 土體總排水量隨時間變化圖

不同外加電壓土體表面最終沉降量如圖7所示，通電電壓為45 V、50 V、55 V時土體的最大沉降量都相差不大，在45 V的外加電壓下土體表面中間偏陽極一側(cè)的沉降量最大，但是圖6中所示三種不同通電電壓下的土體的總排水量卻相差較大，主要與前文所提到的溫度有關(guān)。

圖7 土體表面最終沉降圖

3 結(jié) 論

本文通過改變外加電壓對土體進行電滲試驗，試驗過程中觀察記錄土體裂縫的發(fā)展趨勢，測量土體表面沉降量以及土體排水速率，處理分析試驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論。結(jié)果表明：

(1) 電滲試驗中土體裂縫的發(fā)展分為四個階段：細微裂縫階段、細微裂縫消失出現(xiàn)主裂縫階段、主裂縫發(fā)展階段、主裂縫收縮端裂縫發(fā)展階段。

(2) 外加電壓為45 V時，土體的總排水量最大，土體的排水速率在0 h～6 h內(nèi)較大。

(3) 在45 V的外加電壓下，土體表面中間偏陽極一側(cè)的沉降量最大。但是，施加的電壓越大土體兩端的沉降量越大。

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Experimental Study on the Electro-osmosis Soil Cracks

ZHANG En

(ShanghaiGeological&MineralEngineeringInvestigationCo.,Ltd.,Shanghai200072,China)

In order to analyze the development trend of soil cracks in the process of electro-osmosis, this paper designed electro-osmotic soil crack test used the typical soft clay in Shanghai in the Miller Soil Box. By changing the size of the applied voltage, the development trend of soil cracks was observed and measured, and the soil surface settlement and soil drainage rate were measured. The results show that the development of soil cracks in the electro-osmosis test can be divided into four stages: the micro crack stage, the main stage of the cracks occurred and minor cracks disappeared stage, the main crack development stage, the main crack shrinkage and end crack development stage; When the applied voltage is 45 V, the total displacement of soil and the soil surface settlement reach to maximum.

electro-osmosis; soft clay; crack development; drainage rate; settlement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.045

2017-02-01

2017-03-04

張 恩(1986—)，男，江蘇海門人，工程師，主要從事巖土工程勘察工作。 E-mail:303459609@qq.com

TU47

A

1672—1144(2017)03—0218—05