電滲法加固軟土地基影響因素試驗(yàn)研究

王 耀

(蒙城縣水利局建筑工程隊(duì)，安徽 蒙城 233500)

0 引 言

隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度逐漸加快，基坑工程建設(shè)環(huán)境日益復(fù)雜，尤其是軟土地區(qū)基礎(chǔ)工程。軟土地基性質(zhì)復(fù)雜，施工之前需要對(duì)軟土進(jìn)行加固處理[1-2]。電滲法利用電場(chǎng)作用下溶液陰陽(yáng)離子的運(yùn)移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土地基的加固處理。目前，電滲法在地基處理方面已經(jīng)取得豐碩進(jìn)展。龐寬等[3]分別研究穩(wěn)壓電滲與穩(wěn)流電滲條件下地基參數(shù)的影響，并提出采用電遷移系數(shù)來(lái)表征電滲地基加固效果；焦丹等[4]研究不同電滲加固參數(shù)條件下電勢(shì)、抗剪強(qiáng)度及地基沉降等，為具體施工條件參數(shù)的確定提供試驗(yàn)基礎(chǔ)；王柳江等[5]以高含水率軟土處理為研究背景，提出真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法，并對(duì)其加固處理機(jī)制開展探討；陳卓等[6]建立杭州黏土模型試驗(yàn)箱，研究電滲法對(duì)地基加固處理，特別是電機(jī)反轉(zhuǎn)對(duì)加固效果的影響；王軍等[7]以電流強(qiáng)度和電勢(shì)變化為評(píng)價(jià)依據(jù)，研究真空預(yù)壓-電滲法聯(lián)合作用下軟土地基加固效果；符洪濤等[8]根據(jù)電滲加固軟土地基過(guò)程中造成的地基開裂問(wèn)題，提出了低能量強(qiáng)夯-電滲法聯(lián)合對(duì)軟土地基進(jìn)行加固的方法；莊艷峰[9]針對(duì)電滲法在地基排水固結(jié)等方面存在的問(wèn)題，從材料、電滲參數(shù)等方面開展設(shè)計(jì)理論與方法的研究；任連偉等[10]研究不同水化學(xué)環(huán)境電滲法對(duì)軟土地基的處理效果，得到CaCl2與Na2SiO3溶液聯(lián)合加入對(duì)于強(qiáng)度提高效果更好；吳松華[11]研究不同電極布置形式對(duì)吹填淤泥地基的加固效果，無(wú)砂墊層真空預(yù)壓聯(lián)合電滲注漿效果最優(yōu)；蔣楚生等[12]以鐵路段軟土地基處理為研究對(duì)象，提出采用電滲與真空預(yù)壓加固軟土地基方法；黃鵬華等[13]推導(dǎo)了電滲與真空堆載預(yù)壓共同作用下軟土地基非線性固結(jié)的解析解。目前，電滲法在軟土地基處理方面取得較好的應(yīng)用，因此從模型試驗(yàn)角度研究電滲加固參數(shù)的選擇具有重要意義。

根據(jù)電滲法軟土地基加固模型試驗(yàn)，研究不同加固參數(shù)條件下能耗系數(shù)、有效電勢(shì)、樁基承載力和土體抗剪強(qiáng)度等電滲效果及強(qiáng)度變化規(guī)律，并得到電滲法地基承載能力求解數(shù)學(xué)模型。

1 試驗(yàn)方案

電滲法加固軟土地基試驗(yàn)材料采用某地在建基坑軟黏土，試驗(yàn)中的試樣由烘干、篩分再重塑得到，其基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 軟土基本物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of soft soil

電滲試驗(yàn)采用控制變量法研究電壓設(shè)置和加固時(shí)間對(duì)加固效果的影響。其中，電壓設(shè)置為30、50和80 V，加固時(shí)間設(shè)置為30、45、60和70 h。電滲模型試驗(yàn)主要研究的參數(shù)包括能耗系數(shù)、有效電勢(shì)、樁基承載力和土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)等，首先將基坑的原狀土烘干、篩分再重塑，然后將試驗(yàn)箱填充滿。為測(cè)定電滲法對(duì)基坑土體樁基承載力和土體抗剪強(qiáng)度，待試驗(yàn)箱操作完畢后測(cè)定土體初始抗剪強(qiáng)度，利用靜載試驗(yàn)得到樁基承載力。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 能耗系數(shù)

電滲過(guò)程中，電流損耗與整個(gè)電滲處理設(shè)計(jì)密切相關(guān)。根據(jù)電滲試驗(yàn)結(jié)果，得到不同電壓設(shè)置條件下電滲能耗系數(shù)，見圖1。

根據(jù)圖1可以得到，不同電壓條件下能耗系數(shù)隨著電滲時(shí)間增加而逐漸增大，其變化規(guī)律具有明顯的兩個(gè)階段特征，電滲時(shí)間存在臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)為55 h。電滲時(shí)間達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前，能耗系數(shù)增加較慢，電滲后期能耗系數(shù)增幅提高。隨著電壓的增大，電滲的能耗系數(shù)逐漸在增大。試驗(yàn)結(jié)果表明，選擇合理的電壓設(shè)置和電滲時(shí)間對(duì)于電滲效果具有重要意義。

圖1 不同電壓設(shè)置能耗系數(shù)Fig.1 Energy consumption coefficient for different voltage settings

2.2 有效電勢(shì)

電滲過(guò)程中，有效電勢(shì)能夠有效表征電滲處理效果。根據(jù)電滲試驗(yàn)結(jié)果，得到不同電壓設(shè)置條件下電滲有效電勢(shì)，見圖2。

根據(jù)圖2可以得到，隨著電滲時(shí)間的增加，有效電勢(shì)逐漸降低，并且降低幅度逐漸變小，最后趨于平穩(wěn)。隨著電壓增加，有效電勢(shì)的變化幅度擴(kuò)大，高電壓對(duì)于電滲加固具有積極影響。

圖2 不同電壓設(shè)置有效電勢(shì)Fig.2 Effective potential for different voltage settings

2.3 土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)

對(duì)于電滲處理土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，固定電滲時(shí)間為55 h。對(duì)不同電壓條件下土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，包括黏聚力和內(nèi)摩擦角，分析得到其變化特征，結(jié)果見圖3。

根據(jù)圖3(a)可以得到，電壓越高，電滲處理軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸增大。當(dāng)電壓提高至80 V時(shí)，與重塑土抗剪強(qiáng)度參數(shù)相比，黏聚力由4.6 kPa提高至34.6 kPa，增幅約為7.52倍；內(nèi)摩擦角由6.2°增大至24.6°，增幅約為5.35倍，抗剪強(qiáng)度參數(shù)與電壓符合指數(shù)函數(shù)變化特征。

根據(jù)圖3(b)可以得到，電滲時(shí)間越長(zhǎng)，電滲處理軟土抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸增大。當(dāng)電滲時(shí)間為70 h時(shí)，與重塑土抗剪強(qiáng)度參數(shù)相比，黏聚力由4.6 kPa提高至36.2 kPa，增幅約為7.87倍；內(nèi)摩擦角由6.2°增大至25.8°，增幅約為4.16倍，抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨電滲時(shí)間的變化符合線性函數(shù)變化規(guī)律。

圖3 電滲處理土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)Fig.3 Shear strength parameters of electro-osmosis treated soil

2.4 樁基承載力

根據(jù)靜載試驗(yàn)，得到管樁的Q-s曲線，見圖4。

根據(jù)圖4，Q-s曲線可以表示為指數(shù)函數(shù)，選取沉降值為8.0 mm對(duì)應(yīng)的承載力為樁基承載力。不同電壓條件下，樁基承載力分別為2 003.1、2 620.2和2 855.1 N，不同電滲時(shí)間條件下，樁基承載力分別為1 623.3、1 855.1、2 378.2和2 823.5 N。樁基承載力與電壓和電滲時(shí)間的變化規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)特征，見圖5。

圖4 電滲處理土體Q-s曲線Fig.4 Q-s curve of electro-osmosis treatment soil

圖5 樁基承載力與電壓和電滲時(shí)間的變化規(guī)律Fig.5 Variation of pile foundation bearing capacity, voltage and electroosmosis time

3 結(jié) 論

為研究電滲法加固軟土地基影響因素，通過(guò)分析不同影響因素下加固效果，分析不同電壓設(shè)置和加固時(shí)間情況下電滲效果及強(qiáng)度變化，主要研究結(jié)論如下：

1) 電滲法能夠有效加固軟土地基，根據(jù)樁基承載力和土體抗剪強(qiáng)度結(jié)果，提高加固電壓并在一定界限內(nèi)提高加固時(shí)間，能夠有效提高電滲處理效率。

2) 隨著加固時(shí)間的逐漸增加，能耗系數(shù)與有效電勢(shì)呈現(xiàn)不同階段變化特征，表明加固時(shí)間對(duì)電滲法處理地基的影響存在界限。

3) 根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果建立管樁Q-s數(shù)學(xué)模型，擬合得到不同通電時(shí)間條件下承載力變化符合指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律。