外荷载和电压耦合作用下吹填土固结试验研究★

唐晓明 柯 航 廖学海

(温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州 325035)

0 引言

目前，在工程施工中，通常使用的地基处理方法有堆载预压法、真空预压法、强夯法、井点排水法以及低能量压密法等。使用这些方法处理对砂土、粉土的处理效果比较理想，但是采用上述方法对沉降、强度要求较高并且低渗透性、高含水性的软粘土、吹填土地基以及软粘土边坡时，往往存在处理费用昂贵、工期漫长、效率低并且处理效果不甚理想等问题。

电渗是指在电场作用下孔隙流体运动的现象。植入电极并施加直流电场后，土体中将产生电渗流，通过排水提高土体强度，同时发生电化学反应进一步改良土的工程性质。电渗加固对土颗粒大小并不敏感，比较适合对细颗粒土进行加固。将电渗固结和传统的固结方法联合运用，利用它们在排水固结过程相互耦合作用，能够取长补短，进一步提高固结效率。使用该方法不仅降低工程成本，缩短工期，而且对于软土地基的处理加固效果显著。

本文通过外荷载与电压的耦合作用，根据耦合作用时吹填土含水量变化情况，研究耦合作用下对吹填土排水速率的影响，对吹填土的排水固结效果进行了分析。

1 电渗固结理论、数值分析研究

电渗是在电场作用下液体相对于和它接触的固定的固体相做相对运动的现象。目前双电层模型已经广泛应用于解释土中的渗流机理。电渗流与水利渗流的出流模型类似，电渗流速也可以表示为与水力渗流的达西定律类似的形式:

水力渗透系数kh与土体颗粒粒径有关，其渗透系数从砂土的10－4m/s变化到粘土的10－9m/s甚至更小。当土的水力渗透系数kh＜10－9m/s时，采用传统的排水固结技术对地基处理会变得困难。而土体的电渗透系数ke受土体颗粒粒径影响很小，不同类型粉细砂和粘土的电渗系数一般在10－9m2/(V·s)～10－8m2/(V·s)的较窄范围内，在外加电场作用下均能够产生电渗流，从而高含水量、低渗透性的土体可以通过电渗作用高效、快速排水固结。Esrig通过假设电势差和水头差引起的水流可以叠加，提出了一维电渗固结理论描述孔隙水压力的变化和饱和土体的固结过程:

该理论假设土体物理学和电学性质均不随时间改变，电场电势线性分布，因此上述方程与太沙基固结方程形式相同，不需要求解电场问题。Wan和Mitchell在Esrig理论的基础上提出了堆载和电渗固结耦合应用的理论模型，并证明了电极转换的有效性。

2 实验设备

本试验采用的设备是由欧美大地仪器设备中国有限公司制造的GDS电渗荷载耦合试验装置。GDS型土样压力室的尺寸为76.2mm，高度为28mm，其宽高比符合形成一维均匀电场的要求。顶部橡胶袋充水加压，以模拟试样的加载固结。反压施加在压力室的顶部排水处，可以模拟水力梯度。底部排水用带有压力传感器的水龙头提供。电极采用导电性能优良的多孔不锈钢板，既可以形成均匀电场又能将水及时排出，底部和顶部可以收集试验产生的排水量并进行测量和分析。同时，顶管可以和试样一起垂直移动，可以把上部底座的体积变化用来计算轴向应变并自动采集数据，以测量试验中的固结变形。该试验装置具有如下功能和技术特点:

1)能胜任电渗透系数测量;

2)具有固结仪的一般功能，能垂直加载，胜任固结试验;

3)电渗方向、排水方向、土体变形方向一致能在土体中形成均匀一维电场;

4)具有双面排水功能，并能灵活控制排水条件;

5)能对电渗排水进行准确地收集;

6)能监测加固中土体表层位移。

3 试验土样

试验土样选用温州民科基地围海造地吹填土，以流泥、淤泥为主，是一种含水率高，粘粒含量高，渗透性低的海相土，其主要物理指标如表1所示。土样在进行试验前经烘干、磨细、筛分等制备过程，之后加自来水调配成不同含水量的土样。

表1 土样的物理参数

4 试验过程

设计A，B两组试验方案，每组的实验方案中含3种不同含水量的土样，分别为40%，50%，60%。A组仅在外荷载作用下进行固结实验，设定仪器自动加载方式为:初始加载12.5kPa，每12h加载一次，分别为50kPa，100kPa，200kPa，400kPa，同时由仪器自动采集土样变形数据。B组为外荷载与电压耦合作用下的固结，采用的电极为铜板，土样上部为阳极，下部为阴极，电压为2.5V，5.0 V，7.5V 直流电，并持续通电，加载方式和采集数据方式与A组一样。同时，通过改变电极材料，对铜、铁、铝三种电极材料在实验中进行了腐蚀程度的研究。

5 试验结果与分析

5.1 孔隙率变化

由仪器采集的数据整理分析后可知:仅在外荷载作用下的A组，初始含水量相同的土样其最终压缩量明显小于B组，当达到相同压缩量时，A组所用的时间为B组的2倍～4倍。土样的e—lg p曲线如图1～图3所示。

图1～图3试验结果表明，刚开始试验时的数小时内土样孔隙率变化的非常明显，该时间段内的曲线斜率较大，大约在外荷载加载至50kPa时，A组孔隙率变化速率明显降低，直至试验结束孔隙率变化幅度不大。同时可以看出，B组土样孔隙率变化速率明显快于A组土样孔隙率变化;并且试验结束时，B组的孔隙率明显小于A组。含水量变化非常明显，且耦合作用下的排水速率与电压的关系成正比。

5.2 抗剪强度变化

抗剪强度采用应变控制式直剪仪进行测定。从表2可见，电渗处理后土体不排水抗剪强度比处理前提高了至少1倍以上，充分显示了电渗法提高温州民科基地围海造地吹填土强度的效果。

表2 土样抗剪强度变化 MPa

5.3 实验电极材料

在实验过程中，进行了铜、铁、铝这3种金属电极的腐蚀问题的研究。试验结果表明，这3种金属的腐蚀程度都很严重，用厚度为3mm的金属板，在直流稳压电源作用下，72h后在吹填土中，铜板的腐蚀量高达5%，铁、铝的腐蚀程度更加严重，若要更换，既不方便，成本也高。因此，目前急需一种新型的土工合成材料替代传统的金属电极，防止电渗固结时电极的腐蚀，大大降低工程成本。

6 结语

在外荷载和电压耦合作用下，吹填土的固结速率比加载固结快，可以有效缩短土样固结时间。在电压较大时，固结速率快，且最终含水量低于电压较小时的最终含水量。外荷载和电压的耦合作用可以更加有效的降低土体的含水量，有利于加快吹填土后期沉降速率，并且可以有效提高土样的抗剪强度。电渗作用降低土体含水量的同时，土体的离子含量也会发生改变，这使得孔隙变化率在耦合作用过程中呈递减趋势。实际工程中，使用堆载和电渗法的联合运用需要选择合适的电压以加快土体排水固结速率。

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