電解減飽和法處理可液化地基的波速特性

何森凱，陳育民，方志

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電解減飽和法處理可液化地基的波速特性

何森凱1, 2，陳育民1, 2，方志1, 2

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京，210098；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京，210098)

采用壓電式加速度傳感器對壓縮波速進(jìn)行檢測，開展飽和砂土地基在恒定電流下的電解減飽和模型試驗(yàn)，并分析飽和砂土地基在電解過程中的波速特性。研究結(jié)果表明：壓電式加速度傳感器不僅滿足電解減飽和法對測試儀器的基本要求，而且符合大模型波速試驗(yàn)的精度要求。在電解減飽和初期，壓縮波速的降幅隨著電流的增大而增大；之后電流對壓縮波速的影響逐漸減弱，波速逐漸趨于穩(wěn)定；最后，波速維持在0.33 km/s，不受電流的影響。

減飽和法；電解；電流；飽和砂土地基；波速試驗(yàn)

減飽和法是通過工程措施減小飽和砂土地基中的飽和度，將飽和砂土地基變成不飽和的砂土地基，從而提高地基的抗液化強(qiáng)度，減輕地震所產(chǎn)生液化震害的一種抗液化方法[1?2]?，F(xiàn)有研究表明，只要輕微減小砂土地基的飽和度，其抗液化強(qiáng)度就能明顯提高[3?10]，并且壓縮波速也會(huì)顯著降低。ESELLER-BAYAT 等[6?7, 11]的研究表明，當(dāng)砂土地基的飽和度從100%減少到90%時(shí)，其壓縮波速迅速減小，最大降幅可以達(dá)到砂土飽和狀態(tài)時(shí)的1/4。因此，可以用壓縮波速來評價(jià)砂土地基的減飽和狀態(tài)。然而，目前實(shí)驗(yàn)室測壓縮波速的主要設(shè)備為彎曲元[12?15]，其雖然具備高精度的優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)備昂貴，無法普及使用。而且在電解試驗(yàn)的高壓和高電流作用下，彎曲元會(huì)發(fā)生銹蝕而影響測試精度。因此，亟需使用新的檢測設(shè)備進(jìn)行電解減飽和法的波速試驗(yàn)研究。本文作者采用防水壓電式加速度傳感器作為新的波速檢測設(shè)備，開展電解減飽和法處理可液化砂土地基的波速試驗(yàn)，研究電解過程中飽和砂土地基的波速特性。

1 電解減飽和法的波速試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理和方法

電解減飽和法的波速試驗(yàn)原理是根據(jù)波的振動(dòng)和傳播理論得出砂土地基的壓縮波速。在測試中，利用激振器在飽和砂土地基中產(chǎn)生振動(dòng)并激發(fā)壓縮波，通過高頻率的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀來監(jiān)測該壓縮波傳至不同間距拾振器(加速度傳感器)的時(shí)間差Δ，從而獲得砂土地基中壓縮波波速p。試驗(yàn)過程如圖1所示。為確保電解減飽和法處理可液化砂土地基的波速試驗(yàn)中加速度傳感器所接收的信號為壓縮波，將激振器和所有防水壓電式加速度傳感器均豎直布置在砂土地基的相同高程處，試驗(yàn)裝置和傳感布置示意圖如圖2所示。若加速度傳感器和激振器的布置形式和高程不同，其中一個(gè)為水平布置，另一個(gè)為豎直布置，則測得的波形不再是壓縮波，而是剪切波。

數(shù)據(jù)單位：mm

制樣前在模型箱中布置3個(gè)加速度傳感器，其中2個(gè)加速傳感器沿著模型箱的長度方向布置(與激振器處于同一直線和相同高程)，且二者與相鄰的模型箱邊界及模型箱底部的距離均為10.0 cm，同時(shí)與激振器的距離分別為12.9和33.1 cm。另外1個(gè)加速度傳感器沿著模型箱的寬度方向布置，激振器也處于相同高程，且距離激振器12.9 cm。電極和加速度傳感器布置完成后，向模型箱內(nèi)注入13 cm高的無氣水，采用空中砂雨法進(jìn)行制樣，裝樣高度為20 cm(圖2)。裝樣飽和后，以恒定電流進(jìn)行電解減飽和法的波速試驗(yàn)，并連續(xù)記錄電解過程中不同時(shí)刻的排出砂土地基表面的孔隙水量和壓縮波速。

數(shù)據(jù)單位：mm

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和條件

電解減飽和法處理可液化砂土地基的波速試驗(yàn)主要設(shè)備包括：1) 防水YD系列壓電式加速度傳感器，其底座為六邊形，各邊長為20 mm，高度為20 mm。該加速度傳感器靈敏度高，具備良好的防水性、穩(wěn)定性和耐久性，適宜在飽和砂土中長期檢測壓縮波。 2) 可編程的大功率穩(wěn)壓直流電源，其長×寬×高為428 mm×89 mm×505 mm，輸出電壓為0~500 V，電流為0~4.8 A，最大輸入功率為2.4 kW。

選用顆粒級配不良的7號硅砂作為電解減飽和法試驗(yàn)的砂樣，該砂被廣泛應(yīng)用于砂土地基液化問題的室內(nèi)試驗(yàn)研究[16?18]。其基本物理性質(zhì)為：限定粒徑60=1.750 0 mm，有效粒徑10=0.008 3 mm，平均粒徑為0.017 0 mm，不均勻系數(shù)u=2.11，土粒相對密度s=2.64，最大干密度d,max=1.65 g/cm3，最小干密度d,min=1.34 g/cm3。此外，人們還使用豐浦砂[4, 10, 19?20]來研究砂土地基的減飽和特性和抗液化性質(zhì)。顆粒砂和豐浦砂的顆粒級配曲線如圖3所示。由圖3可知：7號硅砂和豐浦砂的級配曲線相當(dāng)接近。因此，在研究砂土地基液化問題時(shí)，可以相互參照并比較試驗(yàn)結(jié)果。

1—豐浦砂；2—7號砂。

試驗(yàn)采用空中砂雨法進(jìn)行制樣，制樣過程用無氣水進(jìn)行飽和，以確保獲得高飽和的砂樣，提高波速試驗(yàn)所測砂土飽和度的精度。裝樣飽和后，以恒定電流對飽和砂土地基進(jìn)行電解，并記錄電解過程中不同時(shí)刻砂土地基的電壓、排出砂土地基表面的孔隙水量以及壓縮波速p。為更好地研究飽和砂土地基在電解過程中的波速特性，試驗(yàn)采用不同電流進(jìn)行分析：工況1，電流為0.6 A；工況2，電流為0.8 A；工況3，電流為1.0 A。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 地基飽和度的變化分析

在電解減飽和模型試驗(yàn)中，假定砂土地基的孔隙率保持不變，隨著電解的持續(xù)進(jìn)行，在砂土孔隙中產(chǎn)生越來越多的氣泡，使孔隙水逐漸排出砂土地基，在砂土表面形成自由水層[9]。土的三相體系如圖4所示。因此，可以通過量測砂土地基的排水量來獲得砂土的飽和度。

圖5所示為排水速率和通電時(shí)間的關(guān)系曲線。其中：為砂土孔隙率，r為相對密實(shí)度。從圖5可以看出：工況3在電解初期的60 min內(nèi)，其排水速率維持在最大值14.0 mL/min；而此時(shí)工況2和工況1的排水速率分別為11.0 mL/min和8.1 mL/min。由此可見，電解初期的排水速率和電流呈線性關(guān)系，且排水速率隨著電流的增大而增大。圖6所示為排水量和通電時(shí)間的關(guān)系。由圖6可知：在各工況電流保持恒定的情況下，在電解初期的60 min內(nèi)，工況3的排水量為860 mL，占總排水量的70.7%；而工況2和工況1的排水量僅為670 mL和520 mL，分別占總排水量的54.9%和42.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工況3的70.7%。由此可見，在電解初期，電流越大，排水效果越好。

然而，隨著電解的繼續(xù)進(jìn)行，3種工況的排水速率均開始逐漸減小，直至減小到0 mL/min，此時(shí)砂土停止排出孔隙水。這是因?yàn)樵谀Ｐ驮囼?yàn)中，圍壓始終處于較低狀態(tài)，氣泡只能存在于淺層的砂土中，因此，保留在砂土孔隙中的氣泡總體積有限。電解作用雖然持續(xù)進(jìn)行，但產(chǎn)生的氣體將全部排出砂土，不會(huì)存留在砂土孔隙中。因此，不能繼續(xù)排出孔隙水和降低砂土的飽和度。

(a) 固?液相；(b) 固?液?氣相

1—工況1，電流為0.6 A；2—工況1，電流為0.8 A；3—工況1，電流為1.0 A。

1—工況1，電流為0.6 A；2—工況1，電流為0.8 A；3—工況1，電流為1.0 A。

2.2 地基壓縮波速的變化分析

2.2.1 波速的計(jì)算

為提高加速度傳感器測壓縮波速的精度，分別對每個(gè)工況進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。以工況1為例，當(dāng)電解時(shí)間為30 min時(shí)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集儀的濾波處理，獲得3組波速實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。從第1組試驗(yàn)的整體波形圖(見圖7(a))和局部波形圖(見圖7(b))中可以看出：加速度傳感器3首先接收到壓縮波震動(dòng)信號，而加速度傳感器2則在150 μs后才感應(yīng)到。又由于激振器與加速度傳感器2和3的間距分別為33.1和 12.9 cm，結(jié)合壓縮波速的計(jì)算公式，可以得出砂土地基在該情形下的壓縮波速p為1.35 km/s。在第2組和第3組試驗(yàn)所得的波形圖(見圖7(c)~(d))，也可以得到相同的結(jié)果，其所測得的壓縮波速均約為1.35 km/s。因此，通過分析并比較3組平行試驗(yàn)的波速結(jié)果，可驗(yàn)證加速度傳感器測量壓縮波速的精確性。

2.2.2 壓縮波速與時(shí)間的關(guān)系

圖8所示為電解減飽和過程中加速度傳感器所測得的壓縮波速度p和通電時(shí)間的關(guān)系。從圖8可以看出：電解初期，在各工況電流保持恒定的情況下，隨著電解時(shí)間的增加，3種工況下的壓縮波速p均以恒定速率減小，從初始的1.50 km/s減小至0.50 km/s，且下降所需時(shí)間隨著電流的增大而減小，分別為105，75和60 min。之后，隨著電解時(shí)間的推移，壓縮波速雖然繼續(xù)減小，但減小的速率逐漸變緩。最后，3種工況下的壓縮波速均減小至0.33 km/s，且最終壓縮波速與電流無關(guān)。以上結(jié)果表明，在電解減飽和模型試驗(yàn)中，電流越大，砂土地基中壓縮波速的降速越快，且越先達(dá)到穩(wěn)定值0.33 km/s，其電解效果越好。

(a) 第1組整體波形圖；(b) 第1組局部波形圖；(c) 第2組局部波形圖；(d) 第3組局部波形圖

2.2.3 壓縮波速與飽和度的關(guān)系

圖9所示為在電解減飽和過程中加速度傳感器所測得的壓縮波速度和飽和度的關(guān)系。從圖9可以看出：壓縮波速與飽和度呈明顯的單值函數(shù)關(guān)系；隨著飽和度減小，砂土地基的壓縮波速也迅速減小；當(dāng)飽和度從100%逐漸減小到90%時(shí)，壓縮波速的響應(yīng)非常靈敏，從最大值1.50 km/s銳減至0.33 m/s。該試驗(yàn)結(jié)果不僅證實(shí)了采用電解法減小砂土地基飽和度的可行性，而且表明壓縮波速是評價(jià)砂土地基減飽和狀態(tài)的重要指標(biāo)。

1—工況1，0.6 A；2—工況2，0.8 A；3—工況3，1.0 A。

圖9 壓縮波速隨飽和度的變化

此外，將前面7號硅砂所得的壓縮波速試驗(yàn)結(jié)果與豐浦砂所得的壓縮波試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較可知：2種砂所表現(xiàn)出的壓縮波速度和飽和度的單值函數(shù)關(guān)系幾乎一致；當(dāng)飽和度從100%減小至90%時(shí)，壓縮波速度均從最大值1.50 km/s減小到0.30 km/s左右，對飽和度的變化非常靈敏。上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了使用7號硅砂進(jìn)行電解減飽和法處理可液化砂土地基的波速試驗(yàn)研究的可靠性。

3 結(jié)論

1) 防水壓電式加速度傳感器具備良好的穩(wěn)定性、防水性和耐久性，可以長期預(yù)埋在飽和砂土地基中進(jìn)行高壓或高電流的電解試驗(yàn)；除滿足電解減飽和法對測試儀器的基本條件外，該加速度傳感器的精度還符合大模型波速試驗(yàn)的要求。

2) 在電解減飽和初期，飽和度以恒定的速率減小，其下降速率與電流呈正比，并且在該階段，砂土地基的飽和度大幅度減小，從100%減小到93%以下；隨后，飽和度繼續(xù)下降，但降低速率逐漸變緩；最后，飽和度減小到90%且不再變化，并且最終飽和度與電流無關(guān)。因此，在實(shí)際工程中，可以通過高電流加快初期飽和度的降低，而后期則可以減弱電流，這樣不僅可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保的目的，而且可以有效保護(hù)加速度傳感器的靈敏性，并且保證所測波速具備較高的 精度。

3) 在電解減飽和初期，電解時(shí)間相同的情況下，隨著電流的增大，砂土地基中壓縮波速的減小幅度也越大，即電解減飽和效果越好；之后，隨著電解時(shí)間的推移，電流對壓縮波速的影響逐漸減弱，波速逐漸趨于穩(wěn)定；最后維持在0.33 km/s，且與電流無關(guān)。

4) 本文所用7號硅砂與豐浦砂所表現(xiàn)出的波速特性幾乎一致。當(dāng)砂樣的飽和度從100%逐漸減小到90%時(shí)，壓縮波速已經(jīng)從最大值1.50 km/s減小至大約0.30 km/s，對飽和度的變化非常的靈敏，從而表明壓縮波速是評價(jià)砂土地基減飽和狀態(tài)的重要指標(biāo)。

[1] 陳育民, 何森凱, 吳海清, 等. 電解減飽和法處理可液化地基的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2016, 38(4): 726?733.CHEN Yumin, HE Senkai, WU Haiqing, et al. Modeling test on liquefaction resistance of desaturation measure of electrolysis[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(4): 726?733.

[2] 何森凱, 陳育民, 方志. 可液化地基電解減飽法處理的電學(xué)特性分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2016, 38(8):1434?1441. HE Senkai, CHEN Yumin, FANG Zhi.Analysis of electrical characteristics of the electrolytic desaturation method for the liquefiable foundation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(8):1434?1441.

[3] YOSHIMI Y, TANAKA K, TOKIMATSU K. Liquefaction resistance of a partially saturated sand[J]. Japanese Society of Soil Mechanical and Foundation Engineering, 1989, 29(3): 157?162.

[4] Pande G N, Pietruszczak S. Assessment of risk of liquefaction in granular materials and it's mitigation[C]. The 12th International Conference of International Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics (IMCMAG), 2008: 2619?2627.

[5] OKAMURA M, NOGUCHI K. Liquefaction resistances of unsaturated non-plastic silt[J]. Japanese Geotechnical Society, 2009, 49(2): 221?229.

[6] ESELLER-BAYAT E, YEGIAN M K, ALSHAWABKEH A, et al. Liquefaction response of partially saturated sands . I: experimental results[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2013, 139(6): 863?871.

[7] YANG J, SAVIDIS S, ROEMER M. Evaluating liquefaction strength of partially saturated sand[J]. Journal of Geotechnical Engineering Division, 2004, 130(9): 975?979.

[8] OKAMURA M. Shaking table tests to investigate soil desaturation as a liquefaction countermeasure[J]. Seismic Performance and Simulation of Pile Foundations, 2006, 132(2): 282?293.

[9] YEGIAN M K, ESELLER-BAYAT E, ALSHAWABKEH A, et al. Induced-partial saturation for liquefaction mitigation: experimental investigation[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(4): 372?380.

[10] HE Jia, IVANOV V, CHU J. Mitigation of liquefaction of saturated sand using biogas[J]. Géotechnique, 2013, 63(4): 267?275.

[11] HATANAKA M, MASUDA T. Experiment study on the relationship between degree of saturation and P-wave[J]. Geotechnical Engineering for Disaster Mitigation and Rehabilitation, 2008: 346?351.

[12] 周燕國, 陳云敏, 黃博, 等. 利用彎曲元測量土體表層剪切波速的初步試驗(yàn)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008, 30(12): 1883?1887. ZHOU Yanguo, CHEN Yunmin, HUANG Bo, et al. Preliminary tests of measuring shear wave velocity on soil surface using bender elements[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(12): 1883?1887.

[13] 姬美秀, 陳云敏, 黃博. 彎曲元試驗(yàn)高精度測試土樣剪切波速方法[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2003, 25(06): 732?736. JI Meixiu, CHEN Yunmin, HUANG Bo. Method for precisely determing shear wave velocity of soil from bender elements tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(6): 732?736.

[14] 董全楊, 蔡袁強(qiáng), 徐長節(jié), 等. 干砂飽和砂小應(yīng)變剪切模量共振柱彎曲元對比試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013, 35(12): 2283?2289. DONG Quanyang, CAI Yuanqiang, XU Changjie, et al. Measurement of small-strain shear modulusmaxof dry and saturated sands by bender element and resonant column tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(12): 2283?2289.

[15] 劉瑜, 夏唐代. 砂土顆粒粗糙度對剪切波速影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2011, 33(2): 285?290. LIU Yu, XIA Tangdai. Experimental study on influence of particle roughness on shear wave velocity of sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(2): 285?290.

[16] TOKIMATSU K, UCHIDA A. Correlation between liquefaction resistance and shear wave velocity[J]. Soils and Foundations, 1990, 30(2): 33?42.

[17] BEHAVIOR P, SAND O F. Liquefaction and postliquefaction behavior of sand[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1995, 121(2): 163?173.

[18] OKAMURA M, NOGUCHI K. Liquefaction resistances of unsaturated non-plastic silt[J]. Soils and Foundations, 2009, 49(2): 221?229.

[19] DELLA N. Laboratory testing of the monotonic behavior of partially saturated granular[J]. Earth Sciences Research Journal, 2010,14(2): 1?8.

[20] OKAMURA M, ISHIHARA M, TAMURA K. Degree of saturation and liquefaction resistances of sand improved with sand compaction pile[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2006, 132(2): 258?264.

[21] YONGNAN H, HISASHI T, KENJI I. Estimation of partial saturation effect on liquefaction resistance of sand using P-wave velocity[C]. Symposium on Liquefaction Mechanism Prediction and Design Method, 1999: 430?434.

(編輯 伍錦花)

Wave velocity characteristics of liquefiable foundation using electrolytic desaturation method

HE Senkai1, 2, CHEN Yumin1, 2, FANG Zhi1, 2

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University, Nanjing 210098, China;2. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

The compression wave velocity was detected with piezoelectricity acceleration sensors. Desaturation model tests of saturated sand foundation in the condition of constant current intensity were carried out and the wave velocity properties of saturated sand foundation in the process of electrolysis were analyzed. The results show that piezoelectric acceleration sensor not only meets the basic requirements of electrolytic method for reducing the test apparatus, but also meets the accuracy requirements of the large model wave velocity test. At the initial stage of electrolytic desaturation process, the decreasing amplitude of the compression wave velocity increases with the increase of current intensity. The influence of current intensity on the compression wave velocity is gradually weakened, and the wave velocity tends to be stable. Finally, it maintains at 0.33 km/s, and is not affected by current intensity any more.

desaturation method; electrolysis; current intensity; saturated sand foundation; wave velocity test

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.02.028

TG111.3

A

1672?7207(2018)02?0472?06

2017?03?28；

2017?05?02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379067)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2015B17314)(Project(51379067) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015B17314) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

陳育民，教授，碩士生導(dǎo)師，從事土動(dòng)力學(xué)與土工抗震研究；E-mail：ymchenhhu@163.com