电渗法加固软土地基影响因素试验研究

王 耀

(蒙城县水利局建筑工程队，安徽 蒙城 233500)

0 引 言

随着我国城市基础设施建设速度逐渐加快，基坑工程建设环境日益复杂，尤其是软土地区基础工程。软土地基性质复杂，施工之前需要对软土进行加固处理[1-2]。电渗法利用电场作用下溶液阴阳离子的运移，从而实现对软土地基的加固处理。目前，电渗法在地基处理方面已经取得丰硕进展。庞宽等[3]分别研究稳压电渗与稳流电渗条件下地基参数的影响，并提出采用电迁移系数来表征电渗地基加固效果；焦丹等[4]研究不同电渗加固参数条件下电势、抗剪强度及地基沉降等，为具体施工条件参数的确定提供试验基础；王柳江等[5]以高含水率软土处理为研究背景，提出真空预压联合电渗法，并对其加固处理机制开展探讨；陈卓等[6]建立杭州黏土模型试验箱，研究电渗法对地基加固处理，特别是电机反转对加固效果的影响；王军等[7]以电流强度和电势变化为评价依据，研究真空预压-电渗法联合作用下软土地基加固效果；符洪涛等[8]根据电渗加固软土地基过程中造成的地基开裂问题，提出了低能量强夯-电渗法联合对软土地基进行加固的方法；庄艳峰[9]针对电渗法在地基排水固结等方面存在的问题，从材料、电渗参数等方面开展设计理论与方法的研究；任连伟等[10]研究不同水化学环境电渗法对软土地基的处理效果，得到CaCl2与Na2SiO3溶液联合加入对于强度提高效果更好；吴松华[11]研究不同电极布置形式对吹填淤泥地基的加固效果，无砂垫层真空预压联合电渗注浆效果最优；蒋楚生等[12]以铁路段软土地基处理为研究对象，提出采用电渗与真空预压加固软土地基方法；黄鹏华等[13]推导了电渗与真空堆载预压共同作用下软土地基非线性固结的解析解。目前，电渗法在软土地基处理方面取得较好的应用，因此从模型试验角度研究电渗加固参数的选择具有重要意义。

根据电渗法软土地基加固模型试验，研究不同加固参数条件下能耗系数、有效电势、桩基承载力和土体抗剪强度等电渗效果及强度变化规律，并得到电渗法地基承载能力求解数学模型。

1 试验方案

电渗法加固软土地基试验材料采用某地在建基坑软黏土，试验中的试样由烘干、筛分再重塑得到，其基本物理力学参数见表1。

表1 软土基本物理力学参数Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of soft soil

电渗试验采用控制变量法研究电压设置和加固时间对加固效果的影响。其中，电压设置为30、50和80 V，加固时间设置为30、45、60和70 h。电渗模型试验主要研究的参数包括能耗系数、有效电势、桩基承载力和土体抗剪强度参数等，首先将基坑的原状土烘干、筛分再重塑，然后将试验箱填充满。为测定电渗法对基坑土体桩基承载力和土体抗剪强度，待试验箱操作完毕后测定土体初始抗剪强度，利用静载试验得到桩基承载力。

2 试验结果

2.1 能耗系数

电渗过程中，电流损耗与整个电渗处理设计密切相关。根据电渗试验结果，得到不同电压设置条件下电渗能耗系数，见图1。

根据图1可以得到，不同电压条件下能耗系数随着电渗时间增加而逐渐增大，其变化规律具有明显的两个阶段特征，电渗时间存在临界转折点为55 h。电渗时间达到转折点之前，能耗系数增加较慢，电渗后期能耗系数增幅提高。随着电压的增大，电渗的能耗系数逐渐在增大。试验结果表明，选择合理的电压设置和电渗时间对于电渗效果具有重要意义。

图1 不同电压设置能耗系数Fig.1 Energy consumption coefficient for different voltage settings

2.2 有效电势

电渗过程中，有效电势能够有效表征电渗处理效果。根据电渗试验结果，得到不同电压设置条件下电渗有效电势，见图2。

根据图2可以得到，随着电渗时间的增加，有效电势逐渐降低，并且降低幅度逐渐变小，最后趋于平稳。随着电压增加，有效电势的变化幅度扩大，高电压对于电渗加固具有积极影响。

图2 不同电压设置有效电势Fig.2 Effective potential for different voltage settings

2.3 土体抗剪强度参数

对于电渗处理土体抗剪强度参数的影响，固定电渗时间为55 h。对不同电压条件下土体抗剪强度参数，包括黏聚力和内摩擦角，分析得到其变化特征，结果见图3。

根据图3(a)可以得到，电压越高，电渗处理软土抗剪强度参数逐渐增大。当电压提高至80 V时，与重塑土抗剪强度参数相比，黏聚力由4.6 kPa提高至34.6 kPa，增幅约为7.52倍；内摩擦角由6.2°增大至24.6°，增幅约为5.35倍，抗剪强度参数与电压符合指数函数变化特征。

根据图3(b)可以得到，电渗时间越长，电渗处理软土抗剪强度参数逐渐增大。当电渗时间为70 h时，与重塑土抗剪强度参数相比，黏聚力由4.6 kPa提高至36.2 kPa，增幅约为7.87倍；内摩擦角由6.2°增大至25.8°，增幅约为4.16倍，抗剪强度参数随电渗时间的变化符合线性函数变化规律。

图3 电渗处理土体抗剪强度参数Fig.3 Shear strength parameters of electro-osmosis treated soil

2.4 桩基承载力

根据静载试验，得到管桩的Q-s曲线，见图4。

根据图4，Q-s曲线可以表示为指数函数，选取沉降值为8.0 mm对应的承载力为桩基承载力。不同电压条件下，桩基承载力分别为2 003.1、2 620.2和2 855.1 N，不同电渗时间条件下，桩基承载力分别为1 623.3、1 855.1、2 378.2和2 823.5 N。桩基承载力与电压和电渗时间的变化规律符合指数函数特征，见图5。

图4 电渗处理土体Q-s曲线Fig.4 Q-s curve of electro-osmosis treatment soil

图5 桩基承载力与电压和电渗时间的变化规律Fig.5 Variation of pile foundation bearing capacity, voltage and electroosmosis time

3 结 论

为研究电渗法加固软土地基影响因素，通过分析不同影响因素下加固效果，分析不同电压设置和加固时间情况下电渗效果及强度变化，主要研究结论如下：

1) 电渗法能够有效加固软土地基，根据桩基承载力和土体抗剪强度结果，提高加固电压并在一定界限内提高加固时间，能够有效提高电渗处理效率。

2) 随着加固时间的逐渐增加，能耗系数与有效电势呈现不同阶段变化特征，表明加固时间对电渗法处理地基的影响存在界限。

3) 根据静载试验结果建立管桩Q-s数学模型，拟合得到不同通电时间条件下承载力变化符合指数函数变化规律。