堆載電滲法加固淤泥質(zhì)土試驗研究1

1、堆載-電滲法加固淤泥質(zhì)土試驗研究摘要：為解決電滲法高成本、對地基處理不均勻、不徹底等現(xiàn)狀，基于GDS電滲固結(jié)儀模擬電滲法聯(lián)合堆載作用進(jìn)行了七組對比試驗，通過保持電滲電壓不變前提下改變施加的堆載大小與保持所施加的堆載不變前提下改變電滲電壓大小兩種模式進(jìn)行軟黏土固結(jié)試驗。通過觀測和記錄試驗過程和結(jié)束后的電流、排水量、抗剪強(qiáng)度、含水率和沉降，對比分析不同條件下的土體電滲固結(jié)性狀，并得出以下結(jié)論：，（1）電滲聯(lián)合堆載作用能有效減少土體含水率、提高土體抗剪強(qiáng)度、使土體沉降固結(jié)；（2）高電壓下的電滲法對軟黏土地基處理效果明顯好于低電壓；（3）提高堆載強(qiáng)度能增強(qiáng)對軟黏土地基處理效果；（4）額外施加堆載作用能

2、增強(qiáng)電滲法對軟黏土的固結(jié)效果并彌補(bǔ)電滲法帶來的部分缺陷。關(guān)鍵詞：電滲法；堆載；固結(jié)；抗剪強(qiáng)度；沉降一 引言作為曾經(jīng)領(lǐng)跑中國改革開放的溫州市，在地理條件上，長年來受土地資源匱乏、向南、北、西延伸遭遇天然阻斷的困擾。受迫與有限的土地資源與越來越高的工業(yè)用地價格，使大量溫州企業(yè)無力實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。同時，不少在外溫商有了好項目，卻因難以解決落地問題，也無法回鄉(xiāng)再創(chuàng)業(yè)，成為溫州企業(yè)難以承受之痛，嚴(yán)重制約溫州經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因而溫州市政府最新的發(fā)展戰(zhàn)略將目光瞄向了大海，進(jìn)行圍海造地，海涂圍墾的“甌飛”工程。這項體量龐大的工程，以“甌飛”為名，取“溫州騰飛”之意。甌飛工程將圍墾位于甌江與飛云江之間的灘涂，項目右鄰

3、東海、并連接經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的瑞安及龍灣地區(qū)，區(qū)位優(yōu)勢明顯。國家海洋局海域管理司也下發(fā)了關(guān)于重新確定溫州市甌飛淤漲型高涂圍墾養(yǎng)殖用海規(guī)劃圍海規(guī)模的通知。通知稱，溫州市甌飛淤漲型高涂圍墾養(yǎng)殖用海規(guī)劃用?？偯娣e應(yīng)控制在8866.7公頃（合13.3萬畝）以內(nèi)。所謂淤漲型，意味著即使不進(jìn)行任何圍墾操作，灘涂也會按照一定的速度，自然演化成陸地。而圍墾工程，只是人為加速了這一形成過程。甌飛工程作為迄今為止我國規(guī)模最大的一項圍墾工程，其核心工作就是將圍墾的吹填淤泥土排水加固使其達(dá)到工業(yè)用地地基承載要求。軟黏土因其獨特的高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度等性質(zhì)，給工程施工帶來了極大的不便與危害，因此在施工前要對這種土質(zhì)的地基

4、進(jìn)行處理?；A(chǔ)建設(shè)中的地基土常用的處理方法有堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法等，但是對于具有含水量高、孔隙比大、滲透性小、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等工程性質(zhì)很差的軟黏土，該方法的應(yīng)用往往受到限制。電滲法是在土體兩端通以直流電，使土體在短時間內(nèi)完成滲透排水，并逐漸固結(jié)的一種地基處理方法。自1939年L. Casagrand1首次將電滲排水法成功運(yùn)用于鐵路挖方工程后，電滲法逐漸應(yīng)用于實際工程，對電滲法的相關(guān)理論研究和實驗也不斷地發(fā)展與豐富起來。1944年, Casagrande首先將電滲用于排水和邊坡穩(wěn)定,并在1952年又將其用于土的加固；1967年Gray和Mitchell2闡述了電滲效率的原理；1968年E

5、srig3提出了電滲固結(jié)的理論；1981年Veder4研究了土層中自然電位對邊坡穩(wěn)定性的影響。M. I. Esrig5-6等分別提出了一維電滲固結(jié)理論及二維電滲固結(jié)理論，并給出了控制方程；T. Y. Wan和J. K. Mitchell7對電滲和荷載共同作用下土體電滲固結(jié)特性進(jìn)行了研究，并提出了電滲加固中的“電極轉(zhuǎn)換”技術(shù)；S. Micic8等研究了間歇通電技術(shù)在電滲中的應(yīng)用效果，指出間歇通電可以減少電滲過程中的電極腐蝕和電能消耗；J. Q. Shang9提出了電滲與堆載預(yù)壓聯(lián)合加固法的理論模型；近年來，國內(nèi)學(xué)者也對電滲固結(jié)理論進(jìn)行了深入研究。房營光10-11等研究了電滲和真空預(yù)壓的聯(lián)合作用。

6、莊艷峰，王釗研12-13究了電滲過程中的電學(xué)問題，考慮了電極界面電阻的變化情況，從能量與電荷守恒角度分別推導(dǎo)了電滲的能級梯度理論和電荷累積理論，使其能夠較好地解釋電滲過程中電勢的分布、電流以及土體電導(dǎo)率的變化規(guī)律，然而其適用性還有待于進(jìn)一步驗證。蘇金強(qiáng)14等完善了Esrig 電滲固結(jié)理論，使之適用于二維情況，能夠用于電極排形布置的情況，但對復(fù)雜電極布置的情況卻不適用。劉飛禹，王軍15等研究了外荷載聯(lián)合電滲是荷載與電壓變化的影響。李瑛16等通過電場等效的方法建立了等應(yīng)變條件下考慮堆載-電滲聯(lián)合作用的軸對稱電滲固結(jié)理論，該理論雖然已經(jīng)具備了較強(qiáng)的工程實際意義，但還是局限在飽和土的理論框架內(nèi)。在國內(nèi)

7、，研究只在電滲法單獨作用下對軟黏土排水固結(jié)的實驗已有不少，但使用兩種或兩種以上處理方法同時作用的研究還很少。而電滲法相比其他處理方法效率效果雖好但成本過高。同時，經(jīng)電滲法排水固結(jié)過后的軟黏土土性其實并不令人滿意，距離理想地基土還有較大差距。如：焦丹、龔曉南、李瑛17在電滲法加固軟土地基試驗研究中選用含水率為55.53%的軟黏土作為試驗土體在電滲法試驗結(jié)束后土體含水率依然在40%左右。為了補(bǔ)充與拓展電滲法在排水固結(jié)過程中更經(jīng)濟(jì)、更效率得達(dá)到實驗?zāi)康?，脫離飽和軟黏土理論框架與實際地基處理工程接軌，本文運(yùn)用電滲法聯(lián)合堆載的新型堆載電滲法對非飽和軟黏土進(jìn)行排水固結(jié)實驗，通過對土體電滲的物理機(jī)制進(jìn)行理論

8、分析，探討土體物理力學(xué)、水力學(xué)和電學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，研究電流變化、抗剪強(qiáng)度和土體沉降變化特征來合理的描述電滲固結(jié)過程，評價電滲固結(jié)的有效性，為實際工程中加固吹填淤泥土地基的應(yīng)用提供依據(jù)。二 試驗準(zhǔn)備2.1 土樣制備 試驗土樣取自溫州龍灣吹填。試驗前，將土樣烘干并磨成干粉，過篩并加水?dāng)嚢韬笾瞥珊蕿?9.40%的重塑土樣，為研究經(jīng)一次電滲法過后的軟黏土在新型堆載電滲法作用下的土體變化，故試驗土體含水率調(diào)配地較低。密封靜置24h以保證土樣均勻。試驗土體基本物理參數(shù)如下表1所示：表1 天然狀態(tài)下軟黏土的基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of soft

9、clay in natural state含水率w/% 比重Gs 重度（kN·m-3） 孔隙比e39.40 2.76 16.70 1.57飽和度Sr/% 塑限Wp/% 液限W1/% 滲透系數(shù)k（m·s-1） 99.60 23.00 52.00 2.1×10-92.2 試驗裝置的安裝圖1 GDS電滲固結(jié)儀Flg.1 GDS electro-osmosis instrument 本試驗采用英國GDS公司生產(chǎn)的電滲固結(jié)儀（圖1），儀器可通過體積壓力控制器對固結(jié)容器內(nèi)的土樣提供0500kPa的軸向外荷載，并在與之相控制的電腦上設(shè)置試驗加載方案，讀取并保存相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。直流

10、電源設(shè)置為穩(wěn)壓輸出，為防止在試驗過程中因電流過大使輸出電流達(dá)到預(yù)置穩(wěn)定電流而切換為穩(wěn)流輸出，本次試驗用電源采用固緯GPS-3030D穩(wěn)壓直流電源，可提供030V的輸出電壓或06A的輸出電流，電源能夠?qū)崟r顯示試驗過程中電路的即時電壓與電流值。各儀器準(zhǔn)備好后，在固結(jié)儀容器中由下往上依次放入1.5mm厚直徑83.5mm帶孔圓形鐵板（陽極）、濾紙、涂抹凡士林后的塑料圓環(huán)、制備土樣、1.5mm厚直徑75.5mm帶孔圓形鐵板（陰極）、濾紙，蓋上固結(jié)容器蓋子并固定。固結(jié)儀下部接直流電源正極，上部接直流電源負(fù)極，歐姆表確保各部分緊密接觸，土體兩端能形成直流電場。同時在固結(jié)容器頂部接上位移傳感器、右側(cè)軸向壓力開

11、關(guān)接上體積壓力控制器、左側(cè)反壓開關(guān)打開并接出水管插入量筒、打開軸壓開關(guān)、關(guān)閉下部排水閥。檢查無誤后確定儀器安裝完成如下圖2所示。圖2 模型安裝Flg.2 Model installation2.3 試驗方案固結(jié)試驗共設(shè)置7組，其中組為恒定電壓下不同堆載作用時的電滲固結(jié)試驗，組為堆載強(qiáng)度恒定不同電壓作用下的電滲固結(jié)試驗。具體方案如下表2所示：表2 實驗方案Table 2 Test program試驗分組 輸出電壓/V 堆載強(qiáng)度/kPa 試驗時間/h 3.0 50 8 3.0 100 8 3.0 150 8 3.0 200 8 4.0 200 8 5.0 200 8 6.0 200 8按照試驗方案

12、對每組分別進(jìn)行試驗，在電腦上控制試驗開始并接通電源后記錄初始電流并將初始出水量記為0，之后每隔1h記錄一次土體中的電流強(qiáng)度以及出水量，同時電腦將自動采集試驗過程中土體的沉降值等其他數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后，拆除試驗?zāi)Ｐ筒⑷〕鐾翗?，用切土刀將圓形土樣沿深度方向均分為三層，并沿陰極到陽極方向（由上往下）依次將土樣命名為a、b、c；在三份土樣的土體中心部位進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試并記錄，記錄完成后再分別取該部位土進(jìn)行含水率測試，每處取土不少于40克以減少相對誤差。三 試驗數(shù)據(jù)的處理與分析3.1 電流強(qiáng)度的分析各組試驗過程中電流強(qiáng)度隨時間變化曲線如圖1所示。有圖可知各組試驗過程中電流強(qiáng)度的變化基本都呈現(xiàn)出先增大后減小

13、的現(xiàn)象，反映出電流路徑中電阻的變化規(guī)律，電路中的土性變化引起的電路電阻變化主要與界面電阻、土體電阻有關(guān)，已知試驗過程中電極與土體的接觸面積固定不變，故電阻變化主要與土體電阻變化有關(guān)。因而通過對試驗過程中電流變化的研究，可以了解固結(jié)裝置中土體的變化規(guī)律。圖3 電流強(qiáng)度曲線 Flg.3 Current intensity curves由圖3（a）可知：在相同試驗條件下，固定3V電壓作用下，當(dāng)堆載強(qiáng)度由50kPa增加到100kPa、150kPa、200kPa時，電路中的電流強(qiáng)度隨時間變化的曲線并無太大變化。在誤差允許的范圍內(nèi)，我們可以得出堆載強(qiáng)度的變化對軟黏土的排水固結(jié)并無太大影響的結(jié)論。電流強(qiáng)度在

14、試驗后期下降到0.5A左右后不再隨時間的推移而下降，可知此時軟黏土的排水固結(jié)已基本完成。由圖3（b）可知：在相同試驗條件下，固定200kPa堆載作用下，當(dāng)電源電壓由3V增加到4V、5V、6V時，電路中的電流強(qiáng)度值顯著增加；在試驗過程中能達(dá)到的最大電流峰值后電流的下降斜率也明顯增大，這與電源電壓的增大而得到的高電流強(qiáng)度電滲作用下試驗土體加速排水固結(jié)引起電路電阻的快速增加有關(guān)。我們可以很明顯地得出：在一定范圍內(nèi)，增大電壓能夠顯著提升電滲法對軟黏土排水固結(jié)的效率。電流強(qiáng)度在試驗后期下降到0.5A左右后不再隨時間的推移而下降，可知此時軟黏土的排水固結(jié)已基本完成。3.2 排水量的記錄與分析固結(jié)容器中的試

15、驗土樣為直徑75.5mm高度29.6mm的圓柱體模型，根據(jù)體積公式：V=,求得土樣體積V=132.5cm2。由試驗過程中記錄的累積排水量q通過公式：=,求出試驗土樣的單位體積排水量并將七組試驗繪制成曲線圖如圖4所示。同時，根據(jù)每小時各組試驗土體的排水量記為土體的排水速率并繪制成曲線圖如圖5所示來研究軟黏土排水速率的變化。觀察圖4中各條曲線整體變化，從各試驗組最終排水量來分析，增大堆載強(qiáng)度、增大電壓均能軟黏土的排水量增加。在電滲過程中，曲線斜率由大變小，線條逐漸趨于平緩，表現(xiàn)土樣的排水速率呈現(xiàn)先快后慢的變化規(guī)律，與圖5（a）、（b）兩圖中土體的排水速率變化相吻合。從曲線的增長發(fā)現(xiàn)在02h內(nèi)土樣的

16、排水量最多，表明試驗早期的電滲效率最高，聯(lián)系圖2中電流強(qiáng)度的峰值所在區(qū)域，可知這與早期電流強(qiáng)度的增加密切相關(guān)。圖4 單位體積排水量Flg.4 Per unit volume of displacement圖5 土體的排水速率Flg.5 Soil drainage rate對比圖4中試驗（3V50kPa）、試驗（3V100kPa）、試驗（3V150kPa）、試驗（3V200kPa）四條曲線，我們發(fā)現(xiàn)在試驗前期，四條曲線接觸緊密，在中期各曲線開始漸漸分離，在后期呈現(xiàn)高低分布狀態(tài)。表現(xiàn)出在試驗前期這四組試驗的排水速率差別不大，但隨著試驗的繼續(xù)進(jìn)行，施加堆載強(qiáng)度越大的組別排水速率下降的越慢、總排水量越

17、高。與圖5（a）的排水速率相對照，高堆載強(qiáng)度的組別如試驗，隨試驗時間的推移依然能保持較快的排水速率，表明在電滲作用下增大堆載作用對土樣的排水有促進(jìn)作用。對比圖4中試驗（3V200kPa）、試驗（4V200kPa）、試驗（5V200kPa）、試驗（6V200kPa）四條曲線，我們發(fā)現(xiàn)在試驗前期，四條曲線直接分離以不同斜率上升，在中期漸漸匯聚，在后期趨于穩(wěn)定時四條曲線最終位置并無太大差別。表現(xiàn)出電壓梯度的增加使電滲法對土樣的排水速率在初期大大加快，但隨著試驗的繼續(xù)進(jìn)行，其累積的排水量基本相同。觀察圖5（b）中的四條曲線，我們發(fā)現(xiàn)增大電壓使土體的初始排水速率增加，但隨試驗時間的推移土體的排水速率下降

18、極快，電滲效率大大降低。對比（b）中試驗、試驗的排水速率變化，試驗（6V200kPa）與試驗（5V200kPa）相比，排水量與排水速率差別不大，但耗電量大大增加，造成極大的電能浪費(fèi)。說明電滲法并非電壓越高、電流越大電滲效果就越好。從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，合適的電壓電流值才能使電滲法達(dá)到最高效益。3.3 土體各部位抗剪強(qiáng)度的測定土體的抗剪強(qiáng)度是表征土體力學(xué)性質(zhì)的一項重要參數(shù)，直接反映了新型堆載電滲法在工程應(yīng)用的效果，是研究新型堆載電滲法必不可少的一個重要參數(shù)。本次試驗的抗剪強(qiáng)度是通過微型十字板剪切儀(圖6)測定的，從固結(jié)容器中取出土樣后直接對土樣頂部中心a位置進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測定；測定完成后用切土刀切去上

19、部三分之一土樣再在中心b位置測定抗剪強(qiáng)度；測定完成后再切去一半，在余下的三分之一土樣中心c位置測定抗剪強(qiáng) 圖6 微型十字板剪切儀度，測定位置如圖7所示。（抗剪強(qiáng)度測定完成后在測量 Flg.6 PS-VST-M部位進(jìn)行取樣，用于測定該部位土樣含水率。）對七組試驗完成抗剪強(qiáng)度測定后繪出土體抗剪強(qiáng)度變化曲線圖如圖8所示。圖7 土體測定部位Flg.7 Determination of soil area由于抗剪強(qiáng)度測定過程中對土樣切土的不均勻與實際操作受限無法多次測量取平均值的原因，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度值不可避免的存在較大的誤差，所以我們只能定性地對抗剪強(qiáng)度部分圖8 抗剪強(qiáng)度變化曲線Flg.8 Variati

20、on curves of shear strengths方面進(jìn)行分析。觀察圖8中同電壓的四條曲線（試驗、），土樣各位置的抗剪強(qiáng)度差別不大，表明單純增大堆載并無法明顯改善土體抗剪強(qiáng)度，這也印證了堆載預(yù)壓法對軟黏土應(yīng)用受限的事實。而觀察四條同樣高堆強(qiáng)度的曲線（試驗、），土體的各位置的抗剪強(qiáng)度均有了極大的增強(qiáng)，尤其以陽極附近為最。對比這兩個分組，我們可以得出四個結(jié)論：1、離陽極越遠(yuǎn)的試驗土體的抗剪強(qiáng)度越低。2、增大電壓強(qiáng)度能夠增強(qiáng)電滲法對軟黏土抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)化；3、施加適量堆載能夠輔助電滲法對軟黏土抗剪強(qiáng)度的改善，但受限與電滲法本身，外荷載增強(qiáng)到一定程度后無法繼續(xù)增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度；4、額外施加了合適堆載的

21、新型堆載電滲法能夠更有效地增強(qiáng)軟黏土抗剪強(qiáng)度。3.4 土體各部位含水率的測定圖9顯示了在試驗結(jié)束后在a、b、c（上、中、下）三處的含水率。觀察七組試驗的曲線，各組電滲聯(lián)合堆載試驗中土體的含水率均表現(xiàn)出a號位置土體含水量高、c號位置土體含水率低的規(guī)律，這與電滲時水分由陽極向陰極匯集且水分匯集速度大于水分從陰極排出的速度有關(guān)。圖9 土體含水率分布Flg.9 Soil moisture content distribution對比試驗、四組試驗的含水率曲線，相同堆載作用下，電滲試驗過程中電源電壓越大，試驗結(jié)束后土體的含水率越低；四組試驗土樣的含水率由陰極到陽極（由上往下）逐漸降低且下降幅度越來越大，

22、這表示水分從土體的陽極轉(zhuǎn)向陰極（由下往上）的排水過程中在陰極區(qū)的排水受限降低了電滲效率無法有效排出陰極區(qū)土體的水分，說明電滲法對軟黏土的排水固結(jié)存在不均勻性的缺點。而四組試驗隨著電壓梯度的增加這一現(xiàn)象并沒有得到改善，表明單純提高電壓梯度無法改善電滲法排水的不均勻性。對比試驗、四組試驗的含水率曲線，相同電壓強(qiáng)度作用下，電滲試驗過程中堆載強(qiáng)度越高，試驗結(jié)束后土體的含水率越低；這四組試驗試驗土樣的含水率由陰極到陽極（由上往下）下降幅度均勻呈線性關(guān)系，與試驗、（恒荷載變電壓）四組試驗的試驗土體相比，除陽極區(qū)土體含水率降低之外，陰極區(qū)土體含水率也顯著降低，這表明堆載作用促進(jìn)了陰極區(qū)土體水分的排出，有效彌

23、補(bǔ)了電滲法對軟黏土排水不均勻的缺陷，凸顯了新型堆載電滲法的優(yōu)勢。3.5 土體沉降值的測定在控制電腦上提取土體沉降值數(shù)據(jù)并繪制成土樣沉降變化曲線圖（圖10），觀察不同組次的土樣沉降曲線可以看出，增強(qiáng)堆載強(qiáng)度或提高電滲作用電壓梯度，起沉降值增長速度與最終沉降值均有不同程度的提高，表明提高新型堆載電滲法中堆載、電壓任意一項均能促進(jìn)土樣的沉降發(fā)展。同時，深入探究堆載與電壓對軟黏土沉降的影響規(guī)律，我們發(fā)現(xiàn)土樣沉降變化曲線圖（圖10）與排水量曲線圖（4）有極其緊密的聯(lián)系，說得現(xiàn)象與結(jié)論都可相互對照、相互印證。 圖10 沉降變化曲線 Flg.10 Settlement curves對比同堆載不同電壓與同電壓

24、不同堆載兩類試驗對比分組，沉降發(fā)展速率表現(xiàn)出早期緩慢、中期提高、后期重新降低的規(guī)律。增大堆載強(qiáng)度，使土體的沉降表現(xiàn)更好，同時使最終沉降值顯著提高。而提高電壓強(qiáng)度，大大加快了早期的早期的沉降速率，但過高的電壓并不能帶來最終沉降量的增加，對比圖10中試驗（5V200kPa）與試驗（6V200kPa）兩條曲線，可以明顯看出試驗的電壓配置更優(yōu)，增大電壓的試驗帶來只是電量的浪費(fèi)。與電滲過程中的排水特點相聯(lián)系，新型堆載電滲法電滲作用引起土體水分遷移排出使土體下沉，施加堆載彌補(bǔ)了電滲無法對土體造成劇烈土骨架變形的缺陷使沉降表現(xiàn)良好，土體排水與土骨架變形的充分實現(xiàn)與相互影響，極大地提高了土體強(qiáng)度，展現(xiàn)了電滲、

25、堆載混合處理的優(yōu)越性。四 結(jié)論通過本次試驗的研究與分析，對于電滲法聯(lián)合堆載作用的新型堆載電滲法對吹填淤泥土地基的應(yīng)用，可得出以下結(jié)論：(1)新型堆載電滲法對減少軟黏土含水率、提高土體抗剪強(qiáng)度、使土體沉降固結(jié)具有良好效果。（2）增加堆載作用能促進(jìn)電滲法排水，使電滲法在較低電壓下依然能保證排水效率減少電能損耗。在增加了外荷載的新型堆載電滲法應(yīng)用中，外荷載能促進(jìn)陰極排水口處的出流量增大，改善電滲過程陰極區(qū)的排水。（3）新型堆載電滲法相比較于單純電滲法，對軟黏土的排水更加徹底、固結(jié)沉降更加均勻，試驗完成后土樣的各部分抗剪強(qiáng)度更能有效增強(qiáng)。參考文獻(xiàn)：1 CASAGRAND L. Electroosmos

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