堆载电渗法加固淤泥质土试验研究1

1、堆载-电渗法加固淤泥质土试验研究摘要：为解决电渗法高成本、对地基处理不均匀、不彻底等现状，基于GDS电渗固结仪模拟电渗法联合堆载作用进行了七组对比试验，通过保持电渗电压不变前提下改变施加的堆载大小与保持所施加的堆载不变前提下改变电渗电压大小两种模式进行软黏土固结试验。通过观测和记录试验过程和结束后的电流、排水量、抗剪强度、含水率和沉降，对比分析不同条件下的土体电渗固结性状，并得出以下结论：，（1）电渗联合堆载作用能有效减少土体含水率、提高土体抗剪强度、使土体沉降固结；（2）高电压下的电渗法对软黏土地基处理效果明显好于低电压；（3）提高堆载强度能增强对软黏土地基处理效果；（4）额外施加堆载作用能

2、增强电渗法对软黏土的固结效果并弥补电渗法带来的部分缺陷。关键词：电渗法；堆载；固结；抗剪强度；沉降一 引言作为曾经领跑中国改革开放的温州市，在地理条件上，长年来受土地资源匮乏、向南、北、西延伸遭遇天然阻断的困扰。受迫与有限的土地资源与越来越高的工业用地价格，使大量温州企业无力实现转型升级。同时，不少在外温商有了好项目，却因难以解决落地问题，也无法回乡再创业，成为温州企业难以承受之痛，严重制约温州经济的发展。因而温州市政府最新的发展战略将目光瞄向了大海，进行围海造地，海涂围垦的“瓯飞”工程。这项体量庞大的工程，以“瓯飞”为名，取“温州腾飞”之意。瓯飞工程将围垦位于瓯江与飞云江之间的滩涂，项目右邻

3、东海、并连接经济发达的瑞安及龙湾地区，区位优势明显。国家海洋局海域管理司也下发了关于重新确定温州市瓯飞淤涨型高涂围垦养殖用海规划围海规模的通知。通知称，温州市瓯飞淤涨型高涂围垦养殖用海规划用海总面积应控制在8866.7公顷（合13.3万亩）以内。所谓淤涨型，意味着即使不进行任何围垦操作，滩涂也会按照一定的速度，自然演化成陆地。而围垦工程，只是人为加速了这一形成过程。瓯飞工程作为迄今为止我国规模最大的一项围垦工程，其核心工作就是将围垦的吹填淤泥土排水加固使其达到工业用地地基承载要求。软黏土因其独特的高含水率、高压缩性、低强度等性质，给工程施工带来了极大的不便与危害，因此在施工前要对这种土质的地基

4、进行处理。基础建设中的地基土常用的处理方法有堆载预压法、真空预压法等，但是对于具有含水量高、孔隙比大、渗透性小、压缩性高、抗剪强度低等工程性质很差的软黏土，该方法的应用往往受到限制。电渗法是在土体两端通以直流电，使土体在短时间内完成渗透排水，并逐渐固结的一种地基处理方法。自1939年L. Casagrand1首次将电渗排水法成功运用于铁路挖方工程后，电渗法逐渐应用于实际工程，对电渗法的相关理论研究和实验也不断地发展与丰富起来。1944年, Casagrande首先将电渗用于排水和边坡稳定,并在1952年又将其用于土的加固；1967年Gray和Mitchell2阐述了电渗效率的原理；1968年E

5、srig3提出了电渗固结的理论；1981年Veder4研究了土层中自然电位对边坡稳定性的影响。M. I. Esrig5-6等分别提出了一维电渗固结理论及二维电渗固结理论，并给出了控制方程；T. Y. Wan和J. K. Mitchell7对电渗和荷载共同作用下土体电渗固结特性进行了研究，并提出了电渗加固中的“电极转换”技术；S. Micic8等研究了间歇通电技术在电渗中的应用效果，指出间歇通电可以减少电渗过程中的电极腐蚀和电能消耗；J. Q. Shang9提出了电渗与堆载预压联合加固法的理论模型；近年来，国内学者也对电渗固结理论进行了深入研究。房营光10-11等研究了电渗和真空预压的联合作用。

6、庄艳峰，王钊研12-13究了电渗过程中的电学问题，考虑了电极界面电阻的变化情况，从能量与电荷守恒角度分别推导了电渗的能级梯度理论和电荷累积理论，使其能够较好地解释电渗过程中电势的分布、电流以及土体电导率的变化规律，然而其适用性还有待于进一步验证。苏金强14等完善了Esrig 电渗固结理论，使之适用于二维情况，能够用于电极排形布置的情况，但对复杂电极布置的情况却不适用。刘飞禹，王军15等研究了外荷载联合电渗是荷载与电压变化的影响。李瑛16等通过电场等效的方法建立了等应变条件下考虑堆载-电渗联合作用的轴对称电渗固结理论，该理论虽然已经具备了较强的工程实际意义，但还是局限在饱和土的理论框架内。在国内

7、，研究只在电渗法单独作用下对软黏土排水固结的实验已有不少，但使用两种或两种以上处理方法同时作用的研究还很少。而电渗法相比其他处理方法效率效果虽好但成本过高。同时，经电渗法排水固结过后的软黏土土性其实并不令人满意，距离理想地基土还有较大差距。如：焦丹、龚晓南、李瑛17在电渗法加固软土地基试验研究中选用含水率为55.53%的软黏土作为试验土体在电渗法试验结束后土体含水率依然在40%左右。为了补充与拓展电渗法在排水固结过程中更经济、更效率得达到实验目的，脱离饱和软黏土理论框架与实际地基处理工程接轨，本文运用电渗法联合堆载的新型堆载电渗法对非饱和软黏土进行排水固结实验，通过对土体电渗的物理机制进行理论

8、分析，探讨土体物理力学、水力学和电学参数的相关关系，研究电流变化、抗剪强度和土体沉降变化特征来合理的描述电渗固结过程，评价电渗固结的有效性，为实际工程中加固吹填淤泥土地基的应用提供依据。二 试验准备2.1 土样制备 试验土样取自温州龙湾吹填。试验前，将土样烘干并磨成干粉，过筛并加水搅拌后制成含水率为39.40%的重塑土样，为研究经一次电渗法过后的软黏土在新型堆载电渗法作用下的土体变化，故试验土体含水率调配地较低。密封静置24h以保证土样均匀。试验土体基本物理参数如下表1所示：表1 天然状态下软黏土的基本物理参数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饱和度Sr/% 塑限Wp/% 液限W1/% 渗透系数k（m·s-1） 99.60 23.00 52.00 2.1×10-92.2 试验装置的安装图1 GDS电渗固结仪Flg.1 GDS electro-osmosis instrument 本试验采用英国GDS公司生产的电渗固结仪（图1），仪器可通过体积压力控制器对固结容器内的土样提供0500kPa的轴向外荷载，并在与之相控制的电脑上设置试验加载方案，读取并保存相关试验数据。直流

10、电源设置为稳压输出，为防止在试验过程中因电流过大使输出电流达到预置稳定电流而切换为稳流输出，本次试验用电源采用固纬GPS-3030D稳压直流电源，可提供030V的输出电压或06A的输出电流，电源能够实时显示试验过程中电路的即时电压与电流值。各仪器准备好后，在固结仪容器中由下往上依次放入1.5mm厚直径83.5mm带孔圆形铁板（阳极）、滤纸、涂抹凡士林后的塑料圆环、制备土样、1.5mm厚直径75.5mm带孔圆形铁板（阴极）、滤纸，盖上固结容器盖子并固定。固结仪下部接直流电源正极，上部接直流电源负极，欧姆表确保各部分紧密接触，土体两端能形成直流电场。同时在固结容器顶部接上位移传感器、右侧轴向压力开

11、关接上体积压力控制器、左侧反压开关打开并接出水管插入量筒、打开轴压开关、关闭下部排水阀。检查无误后确定仪器安装完成如下图2所示。图2 模型安装Flg.2 Model installation2.3 试验方案固结试验共设置7组，其中组为恒定电压下不同堆载作用时的电渗固结试验，组为堆载强度恒定不同电压作用下的电渗固结试验。具体方案如下表2所示：表2 实验方案Table 2 Test program试验分组 输出电压/V 堆载强度/kPa 试验时间/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按照试验方案

12、对每组分别进行试验，在电脑上控制试验开始并接通电源后记录初始电流并将初始出水量记为0，之后每隔1h记录一次土体中的电流强度以及出水量，同时电脑将自动采集试验过程中土体的沉降值等其他数据。试验结束后，拆除试验模型并取出土样，用切土刀将圆形土样沿深度方向均分为三层，并沿阴极到阳极方向（由上往下）依次将土样命名为a、b、c；在三份土样的土体中心部位进行抗剪强度测试并记录，记录完成后再分别取该部位土进行含水率测试，每处取土不少于40克以减少相对误差。三 试验数据的处理与分析3.1 电流强度的分析各组试验过程中电流强度随时间变化曲线如图1所示。有图可知各组试验过程中电流强度的变化基本都呈现出先增大后减小

13、的现象，反映出电流路径中电阻的变化规律，电路中的土性变化引起的电路电阻变化主要与界面电阻、土体电阻有关，已知试验过程中电极与土体的接触面积固定不变，故电阻变化主要与土体电阻变化有关。因而通过对试验过程中电流变化的研究，可以了解固结装置中土体的变化规律。图3 电流强度曲线 Flg.3 Current intensity curves由图3（a）可知：在相同试验条件下，固定3V电压作用下，当堆载强度由50kPa增加到100kPa、150kPa、200kPa时，电路中的电流强度随时间变化的曲线并无太大变化。在误差允许的范围内，我们可以得出堆载强度的变化对软黏土的排水固结并无太大影响的结论。电流强度在

14、试验后期下降到0.5A左右后不再随时间的推移而下降，可知此时软黏土的排水固结已基本完成。由图3（b）可知：在相同试验条件下，固定200kPa堆载作用下，当电源电压由3V增加到4V、5V、6V时，电路中的电流强度值显著增加；在试验过程中能达到的最大电流峰值后电流的下降斜率也明显增大，这与电源电压的增大而得到的高电流强度电渗作用下试验土体加速排水固结引起电路电阻的快速增加有关。我们可以很明显地得出：在一定范围内，增大电压能够显著提升电渗法对软黏土排水固结的效率。电流强度在试验后期下降到0.5A左右后不再随时间的推移而下降，可知此时软黏土的排水固结已基本完成。3.2 排水量的记录与分析固结容器中的试

15、验土样为直径75.5mm高度29.6mm的圆柱体模型，根据体积公式：V=,求得土样体积V=132.5cm2。由试验过程中记录的累积排水量q通过公式：=,求出试验土样的单位体积排水量并将七组试验绘制成曲线图如图4所示。同时，根据每小时各组试验土体的排水量记为土体的排水速率并绘制成曲线图如图5所示来研究软黏土排水速率的变化。观察图4中各条曲线整体变化，从各试验组最终排水量来分析，增大堆载强度、增大电压均能软黏土的排水量增加。在电渗过程中，曲线斜率由大变小，线条逐渐趋于平缓，表现土样的排水速率呈现先快后慢的变化规律，与图5（a）、（b）两图中土体的排水速率变化相吻合。从曲线的增长发现在02h内土样的

16、排水量最多，表明试验早期的电渗效率最高，联系图2中电流强度的峰值所在区域，可知这与早期电流强度的增加密切相关。图4 单位体积排水量Flg.4 Per unit volume of displacement图5 土体的排水速率Flg.5 Soil drainage rate对比图4中试验（3V50kPa）、试验（3V100kPa）、试验（3V150kPa）、试验（3V200kPa）四条曲线，我们发现在试验前期，四条曲线接触紧密，在中期各曲线开始渐渐分离，在后期呈现高低分布状态。表现出在试验前期这四组试验的排水速率差别不大，但随着试验的继续进行，施加堆载强度越大的组别排水速率下降的越慢、总排水量越

17、高。与图5（a）的排水速率相对照，高堆载强度的组别如试验，随试验时间的推移依然能保持较快的排水速率，表明在电渗作用下增大堆载作用对土样的排水有促进作用。对比图4中试验（3V200kPa）、试验（4V200kPa）、试验（5V200kPa）、试验（6V200kPa）四条曲线，我们发现在试验前期，四条曲线直接分离以不同斜率上升，在中期渐渐汇聚，在后期趋于稳定时四条曲线最终位置并无太大差别。表现出电压梯度的增加使电渗法对土样的排水速率在初期大大加快，但随着试验的继续进行，其累积的排水量基本相同。观察图5（b）中的四条曲线，我们发现增大电压使土体的初始排水速率增加，但随试验时间的推移土体的排水速率下降

18、极快，电渗效率大大降低。对比（b）中试验、试验的排水速率变化，试验（6V200kPa）与试验（5V200kPa）相比，排水量与排水速率差别不大，但耗电量大大增加，造成极大的电能浪费。说明电渗法并非电压越高、电流越大电渗效果就越好。从经济的角度出发，合适的电压电流值才能使电渗法达到最高效益。3.3 土体各部位抗剪强度的测定土体的抗剪强度是表征土体力学性质的一项重要参数，直接反映了新型堆载电渗法在工程应用的效果，是研究新型堆载电渗法必不可少的一个重要参数。本次试验的抗剪强度是通过微型十字板剪切仪(图6)测定的，从固结容器中取出土样后直接对土样顶部中心a位置进行抗剪强度测定；测定完成后用切土刀切去上

19、部三分之一土样再在中心b位置测定抗剪强度；测定完成后再切去一半，在余下的三分之一土样中心c位置测定抗剪强 图6 微型十字板剪切仪度，测定位置如图7所示。（抗剪强度测定完成后在测量 Flg.6 PS-VST-M部位进行取样，用于测定该部位土样含水率。）对七组试验完成抗剪强度测定后绘出土体抗剪强度变化曲线图如图8所示。图7 土体测定部位Flg.7 Determination of soil area由于抗剪强度测定过程中对土样切土的不均匀与实际操作受限无法多次测量取平均值的原因，导致抗剪强度值不可避免的存在较大的误差，所以我们只能定性地对抗剪强度部分图8 抗剪强度变化曲线Flg.8 Variati

20、on curves of shear strengths方面进行分析。观察图8中同电压的四条曲线（试验、），土样各位置的抗剪强度差别不大，表明单纯增大堆载并无法明显改善土体抗剪强度，这也印证了堆载预压法对软黏土应用受限的事实。而观察四条同样高堆强度的曲线（试验、），土体的各位置的抗剪强度均有了极大的增强，尤其以阳极附近为最。对比这两个分组，我们可以得出四个结论：1、离阳极越远的试验土体的抗剪强度越低。2、增大电压强度能够增强电渗法对软黏土抗剪强度的强化；3、施加适量堆载能够辅助电渗法对软黏土抗剪强度的改善，但受限与电渗法本身，外荷载增强到一定程度后无法继续增强抗剪强度；4、额外施加了合适堆载的

21、新型堆载电渗法能够更有效地增强软黏土抗剪强度。3.4 土体各部位含水率的测定图9显示了在试验结束后在a、b、c（上、中、下）三处的含水率。观察七组试验的曲线，各组电渗联合堆载试验中土体的含水率均表现出a号位置土体含水量高、c号位置土体含水率低的规律，这与电渗时水分由阳极向阴极汇集且水分汇集速度大于水分从阴极排出的速度有关。图9 土体含水率分布Flg.9 Soil moisture content distribution对比试验、四组试验的含水率曲线，相同堆载作用下，电渗试验过程中电源电压越大，试验结束后土体的含水率越低；四组试验土样的含水率由阴极到阳极（由上往下）逐渐降低且下降幅度越来越大，

22、这表示水分从土体的阳极转向阴极（由下往上）的排水过程中在阴极区的排水受限降低了电渗效率无法有效排出阴极区土体的水分，说明电渗法对软黏土的排水固结存在不均匀性的缺点。而四组试验随着电压梯度的增加这一现象并没有得到改善，表明单纯提高电压梯度无法改善电渗法排水的不均匀性。对比试验、四组试验的含水率曲线，相同电压强度作用下，电渗试验过程中堆载强度越高，试验结束后土体的含水率越低；这四组试验试验土样的含水率由阴极到阳极（由上往下）下降幅度均匀呈线性关系，与试验、（恒荷载变电压）四组试验的试验土体相比，除阳极区土体含水率降低之外，阴极区土体含水率也显著降低，这表明堆载作用促进了阴极区土体水分的排出，有效弥

23、补了电渗法对软黏土排水不均匀的缺陷，凸显了新型堆载电渗法的优势。3.5 土体沉降值的测定在控制电脑上提取土体沉降值数据并绘制成土样沉降变化曲线图（图10），观察不同组次的土样沉降曲线可以看出，增强堆载强度或提高电渗作用电压梯度，起沉降值增长速度与最终沉降值均有不同程度的提高，表明提高新型堆载电渗法中堆载、电压任意一项均能促进土样的沉降发展。同时，深入探究堆载与电压对软黏土沉降的影响规律，我们发现土样沉降变化曲线图（图10）与排水量曲线图（4）有极其紧密的联系，说得现象与结论都可相互对照、相互印证。 图10 沉降变化曲线 Flg.10 Settlement curves对比同堆载不同电压与同电压

24、不同堆载两类试验对比分组，沉降发展速率表现出早期缓慢、中期提高、后期重新降低的规律。增大堆载强度，使土体的沉降表现更好，同时使最终沉降值显著提高。而提高电压强度，大大加快了早期的早期的沉降速率，但过高的电压并不能带来最终沉降量的增加，对比图10中试验（5V200kPa）与试验（6V200kPa）两条曲线，可以明显看出试验的电压配置更优，增大电压的试验带来只是电量的浪费。与电渗过程中的排水特点相联系，新型堆载电渗法电渗作用引起土体水分迁移排出使土体下沉，施加堆载弥补了电渗无法对土体造成剧烈土骨架变形的缺陷使沉降表现良好，土体排水与土骨架变形的充分实现与相互影响，极大地提高了土体强度，展现了电渗、

25、堆载混合处理的优越性。四 结论通过本次试验的研究与分析，对于电渗法联合堆载作用的新型堆载电渗法对吹填淤泥土地基的应用，可得出以下结论：(1)新型堆载电渗法对减少软黏土含水率、提高土体抗剪强度、使土体沉降固结具有良好效果。（2）增加堆载作用能促进电渗法排水，使电渗法在较低电压下依然能保证排水效率减少电能损耗。在增加了外荷载的新型堆载电渗法应用中，外荷载能促进阴极排水口处的出流量增大，改善电渗过程阴极区的排水。（3）新型堆载电渗法相比较于单纯电渗法，对软黏土的排水更加彻底、固结沉降更加均匀，试验完成后土样的各部分抗剪强度更能有效增强。参考文献：1 CASAGRAND L. Electroosmos

26、is in soilsJ. Geotechnique，1949，1(3)：159177.2 Gray D H, M itchell J K. Fundamental aspect ofelectro 2 osmosis in soils J . J S oil M ech and Found D ivi ,1967, 93(SM 6): 209 - 236.3 EsrigM. I . Pore pressures, consolidation and electrokineticsJ . J S oil M ech and Found D ivi , 1968, 94(SM 4): 899 -

27、921.4 M itchell J K. Fundamentals of Soil Behavior M . NewYork: John W iley & Sons, 1993.5 ESRIG M I. Pore pressure，consolidation and electrokineticsJ.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1968，94(4)：899922.6 LEWIS W R， HUMPHESON C. Numerical analysis of electroosmotic flow in soilsJ. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division