于健，諸葛愛軍，劉建軍，李衛(wèi)，劉愛民

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222； 2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

電滲法軟基加固現場試驗研究

于健1，諸葛愛軍1，劉建軍2，李衛(wèi)1，劉愛民1

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222； 2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

對超軟土采用真空預壓法加固后，進行現場電滲法加固試驗。根據試驗結果分析了電滲法的能耗情況。通過加固效果檢測證明電滲法可以使土體強度在短期內有較大幅度的增長，達到真空預壓所達不到的加固效果。

超軟土；電滲法；耗能；加固效果

0 引言

吹填造陸時常常在局部形成一定厚度的流泥和浮泥，通常采用常規(guī)的真空預壓法進行加固。在加固前期地基沉降量顯著，土體強度增長較快，但后期強度增加不明顯。這主要是由于真空預壓排水固結作用產生的水力梯度只能夠將土中的自由水排出，而對于土中的結合水在排水固結作用下則很難排出。結合水是指受雙電層影響吸附于土粒表面的水，可分為強結合水和弱結合水。強結合水性質已接近固體，因此不對土體加固產生影響；弱結合水因為受土粒靜電場的影響，一般的排水固結法很難將其排出，但在外加直流電場的作用下，部分弱結合水可以擺脫靜電場的束縛被排出，因此電滲不僅可以排出自由水，還可以排出弱結合水[1]。

從理論上講，電滲法加固速度與孔隙比有關，與土顆粒的大小無關，因此黏粒含量較高的流泥、浮泥中結合水含量較高，用電滲法來加固是比較理想的[2]。但由于電滲法需要消耗大量的電能，因此，在很長一段時間內，對電滲法的研究以室內試驗 研究 為 主[3-4]， 而現 場 試驗[5]和 應 用 卻 不 多見。依托 2008 年中交股份特大研發(fā)項目“大面積超軟黏土地基處理技術研究”，進行了電滲法軟土加固現場試驗研究。

1 試驗概況

電滲法現場試驗區(qū)位于天津臨港產業(yè)區(qū)，加固面積為 20 m × 20 m。先采用常規(guī)真空預壓法進行地基加固，插板間距為 60 cm，插板深度為3.5 m，真空壓力約為 80 kPa，預壓 6 個月后卸載，卸載時地表平均沉降量為 969.1 mm，固結度超過 80%。卸載后在加固區(qū)中心選擇一塊區(qū)域進行電滲現場試驗，試驗區(qū)面積約為3 m×3 m。

2 地質條件

現場試驗區(qū)真空預壓加固前為新近吹填高含水率軟土，表層土基本為流泥，吹填土深度為4 m左右。在真空預壓加固前采用薄壁取土器取土，取土樣本為 15 個，取土深度最深為 3.5m，室內土工試驗分析結果見表1。

表1 加固前試驗區(qū)取土室內試驗結果Table 1 Laboratory test resultsof the soil in test sitebefore reinforcement

從加固前的檢測結果看，加固區(qū)初始含水率很高，平均含水率大于 85%，最大含水率達到104.0%；十字板強度低，平均值為 2.0 kPa；黏粒含量高，均值為52%，屬于典型的超軟土。

3 電滲試驗方案及實施

3.1 電滲試驗方案

3.1.1 電極整體布置

電滲試驗區(qū)電極平面布置見圖 1，設置 6排電極，每排6個，共36個電極，正方形布置，間距為 0.6m，電極入土深度 2.0m。

圖1 電極接線整體布置圖Fig.1 The overall layoutof electrode connection

3.1.2 電極制作

電滲的陰陽極均采用 φ20mm 鋼管，入土部分鋼管梅花形布置 φ8mm 小孔 （上端留 15 cm 不打孔，以保證抽氣時管內有一定的真空度），外包無紡布，以便采用真空泵抽出陰極附近的水，如圖2所示。

圖2 電極示意圖Fig.2 Sketchmap of electrodes

3.2 試驗實施

電極入土深度為 2.0m，在土體表面覆蓋 1 層塑料薄膜，以防止土中水分蒸發(fā)對試驗產生影響。用電纜將每列電極串聯起來，按照陰陽相間的原則布置，分別將陰陽極連接到整流器的陰陽極上。

將陽極管和陰極管用塑料軟管串聯起來，接到主管上，主管接到抽真空設備上，見圖3。

圖3 電滲電極、電纜、管路連接、塑料膜鋪設Fig.3 Electroosmosiselectrode，cable，pipeline connection，p lastic laying

加固過程中進行真空抽水，真空度控制在30 kPa左右，目的是電解產生的、聚集于電極處的氫氣和氧氣更容易逸出，從而減小界面電阻，減少在界面電阻上所消耗的電能。

電滲加固實際通電時間為 10 d，采用間歇通電方式，每通電 8 h，間歇 4 h，利用整流器提供直流電。

4 電流、電壓監(jiān)測及結果分析

為研究電極間電勢能的分布情況，在 Y3排的相鄰電極之間等間距 （間距為 15 cm） 布置 3個測頭，測頭埋入土中 50 cm，見圖 1，測頭采用銅芯絕緣電線，上下兩端露出銅芯。

每隔2 h測量1次總電流、總電壓、各支路電流、相鄰電極列之間電壓以及 Y3排相鄰測頭之間電壓。

4.1 電流、電壓監(jiān)測結果

整流器輸出總電流隨時間變化見圖 4，整流器輸出總電壓隨時間變化見圖 5，X1～X6 各列電極的支路電流隨時間變化見圖 6，Y3 排相鄰電極之間的電壓隨時間變化見圖7，圖中每點的數據為當天測量的平均值。

圖4 整流器輸出總電流隨時間變化圖Fig.4 The variation of totaloutputcurrentof rectifier w ith tim e

圖5 整流器輸出總電壓隨時間變化圖Fig.5 The variation of totaloutputvoltageof rectifier w ith tim e

圖6 X1～X6 單排電流隨時間變化Fig.6 X1~X6 single currentchangeover time

圖7 Y3排相鄰電極間的電壓隨時間變化Fig.7 The variation ofvoltagebetween ad jacent electrodeof Y3w ith time

4.2 能耗分析

根據上述各支路電流和Y3排相鄰電極之間的電壓，統(tǒng)計出整流器輸出的總電流、總電壓和試驗區(qū)內有效總電流、總電壓，見表 2，表中的電流、電壓值為當天所測的平均值。

可以看出電極排之間的電壓明顯小于整流器輸出的總電壓，根據表中的有效電壓、有效電流可知加固土體的總電阻在 （3.12～4.51）× 10-2Ω 之間，計算可知電纜總電阻 （5.00～5.98）× 10-2Ω，可見有很大一部分電能消耗在進入試驗區(qū)之前的電纜上。

根據對電流和電壓的監(jiān)測結果，用下式可以推算出總耗能和有效耗能，計算結果見表3。

表2 電流、電壓統(tǒng)計Table 2 Statisticsof cu rren tand voltage

表3 電滲試驗耗能量Table 3 Energy consum ption by electroosm osisexperim ent

從表3可以看出有效耗能只占總耗能的38.6%，也就是說整流器和試驗區(qū)之間的電纜耗能占總耗能的 61.4%。

本次試驗在整流器與試驗區(qū)之間的主電纜采用的是四芯 25 mm2的銅芯電纜，總截面積為100 mm2，長度約為 30 m，銅芯電阻率為 1.75 × 10-8Ωm （20 ℃）， 計算可知電纜理論電阻約為 5.25×10-3Ω，遠 小于實際 值 （5.00 ～5.98）× 10-2Ω。其主要原因是損失在電纜的能量轉化為熱能，造成在通電試驗過程中電纜溫度很高，增大了銅芯的電阻率，另外電纜的老化等都造成電纜的電阻變大，因此應通過減小整流器與試驗區(qū)之間的距離或增加主電纜銅芯截面積等方法來減小電纜電阻，降低電纜部分損失的電能。

4.3 電極間電勢分布規(guī)律分析

Y3排電極之間等間距布置了3個測頭（間距為 15 cm），各相鄰電極之間相同位置測頭之間的電壓統(tǒng)計見表4。

表4 Y3排電極間相鄰測頭之間的電壓Tab le 4 The voltagebetween ad jacentmeasuring head of Y3 electrodes V

可以看出電極管附近區(qū)域電勢差明顯大于較遠的區(qū)域，并且陽極附近電勢差明顯高于陰極附近電勢差。這說明電極與土體接觸位置電阻率明顯高于土體電阻，也就是存在界面電阻[6]。在離陽極較近的位置，電滲作用使陽極附近的水分很快被疏干，陽極周圍土體的電阻增大，因此該區(qū)域的電能消耗量較大，并且現場在陽極周圍發(fā)現了大量的干縮裂縫，也說明了電滲作用對陽極附近土體加固效果最快、最明顯。

5 加固效果檢測及分析

為對加固效果進行檢驗，試驗前后進行了現場十字板強度檢測、鉆孔取土及室內土工試驗。電滲加固前進行了6組現場十字板強度測試、3組取土和室內試驗。加固后分別進行了 12組現場十字板強度測試（陽極附近3組，陰極附近3組，陰陽極之間中點位置3組，相鄰4個電極中心位置3組）、8組取土和室內試驗 （陽極附近2組，陰極附近2組，陰陽極之間中點位置 2組，相鄰4個電極中心位置2組），試驗位置見圖8。

圖8 電滲前后取土及現場十字板試驗位置圖Fig.8 Location of field vane shear test and the soil beforeand after electroosmosis

5.1 室內土工試驗

加固前進行了3組取土和室內土工試驗，電滲前后土體主要指標均值見表5。

由表5可見，電滲前土體平均含水率為44.1% ， 濕 密 度 1.77 g/cm3， 干 密 度 1.23 g/cm3，電滲后土體含水率和干密度稍有降低。

電滲后取土試驗點分別位于陽極附近、陰極附近、陰陽極連線中點以及4個電極中心位置。為更好地分析數據，分別將相同位置的試驗數據進行統(tǒng)計取平均值，見表6。

含水率變化：電滲前平均含水率為 44.1%，電滲后陰極附近含水率增長為 45.9%，陽極附近含水率降低為 40.8%，陰陽極中間及 4 個電極中心位置含水率稍有降低，分別為 43.8%、43.3%。這說明土體在電滲作用下，水分在陰極匯集，而陽極對土體有疏干作用，土體在陽極附近加固效果最為顯著。

表5 電滲加固前后土體主要指標均值Tab le5 M ean-valueofmain indicatorsofsoilbeforeand after electroosmosis reinforcement

表6 電滲加固后不同位置土體主要指標均值Tab le 6 M ean-value ofmain indicatorsof soil in different position after electroosmosis reinforcement

濕密度變化：在陰極附近濕密度較電滲前1.77 g/cm3降低為 1.75 g/cm3，陽極附近較電滲前增長到 1.80 g/cm3，陰陽極中間及 4 個電極中心位置濕密度較電滲前變化不大。

其它指標，如孔隙比、液性指數等表現出類似的變化趨勢。

5.2 電滲前后十字板強度

電滲前進行了6組十字板檢測，電滲后進行12組十字板檢測。電滲后十字板檢測的位置分別位于陽極附近、陰極附近、陰陽極中間位置和4個電極中間位置。電滲前后所有十字板剪切試驗結果平均值統(tǒng)計見表7，根據十字板剪切試驗位置統(tǒng)計見表8。

表7 電滲加固前后十字板強度平均值Table7 Average vane strength beforeand after electroosmosis reinforcement

根據表 7，電滲后土體平均十字板剪切強度由 18.7 kPa 增加到 23.0 kPa，增長幅度為 23.2%；根據表 8，不考慮深度因素，陽極附近十字板強度增長為均值 27.2 kPa，相對于電滲前強度平均值增長幅度為 45.5%，陰極附近、陰陽兩極中間和4個電極中心位置的增長幅度分別為13.9%、20.3%、12.3%?？梢婋姖B加固后，土體強度得到進一步改善，尤其是在陽極附近土質加固效果最為明顯。

表8 電滲后不同位置十字板強度平均值Table8 Average vane strength in different position after electroosmosis

6 結語

1）對于超軟土，在真空預壓后采用電滲法可以使土體強度在短時間內得到進一步的增長，達到長期真空預壓所不能達到的效果。

2）由于吹填土的含鹽量較高，土體間電阻很小，因此在整流器和試驗區(qū)之間的導線損失的電能比較大，因此應盡量減少整流器與試驗區(qū)之間的距離或增加主電纜銅芯的截面積，降低在電纜線上的電能損失。

3）根據電滲原理，陰陽兩極產生的電勢差與土體電滲透流速的大小是成正比的，陰陽兩極的電勢梯度直接影響到土體加固效果。陽極附近的電勢差較大，根據室內土工試驗和現場十字板試驗結果發(fā)現陽極附近的土含水率較小，強度增長明顯。

4） 由于電滲法能耗較大，對于高含水率、極細顆粒的新近吹填土可采用傳統(tǒng)真空預壓進行初步加固，排掉土中大部分自由水，再采用電滲法二次加固，進一步排出部分弱結合水，降低含水率，提高土體強度，經濟且工期較短。

[1]曹永華，高志義.電滲法中排水固結理論與實踐的若干問題[J].中國港灣建設，2010（6）：22-24. CAOYong-hua，GAOZhi-yi.Some problemson theory and appli-cation of drainage consolidation in electroosmotic for ground improvement[J].China Harbour Engineering ，2010（6）：22-24.

[2]曹永華，高志義，劉愛民.地基處理的電滲法及其進展[J].水運工程，2008（4）：92-95. CAOYong-hua，GAOZhi-yi，LIUAi-min.Characteristicsand development of elctro-osmotic treatment for ground improvement[J]. Port&Waterway Engineering，2008（4）：92-95.

[3]高志義，張美燕.真空預壓聯合電滲法室內模型試驗研究[J].中國港灣建設，2000（5）：58-61. GAO Zhi-yi，ZHANG Mei-yan.Laboratory model test of vacuum preloading in combination with electro-osmotic consolidation[J]. China Harbour Engineering，2000（5）：58-61.

[4]房營光，徐敏，朱忠偉.堿渣土的真空-電滲聯合排水固結特性試驗研究[J].華南理工大學學報（自然科學版），2006，34（11）：70-75. FANGYing-guang，XUMin，ZHUZhong-wei.Experimental investigation into draining consolidation behavior of soda residue soil under vacuum preloading-electro-osmosis[J].Journal of South China University of Technology （ Natural Science Edition），2006，34（11）：70-75.

[5]程慶臣，孫永軍.電滲技術在吹填泥袋壩固結中的應用研究[J].東北水利水電，2001，19（9）：14-16. CHENGQing-chen，SUN Yong-jun.Application ofelectroosmosis technology to concretion hydraulic fillmud bagdam[J].Water Resources&Hydropower of Northeast，2001，19（9）：14-16.

[6]莊艷峰，王釗.電滲固結中的界面電阻問題[J].巖土力學，2004（1）：117-120. ZHUANGYan-feng，WANG Zhao.Study on interface electric resistanceof electro-osmotic consolidation[J].Rock and SoilMechanocs，2004（1）：117-120.

Field experimental study on electro-osm otic treatment for ultra-soft soil

YU Jian1，ZHUGEAi-jun1，LIU Jian-jun2，LIWei1，LIUAi-min1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.，Ltd.，Key Laboratory ofPortGeotechnical Engineering of the Ministry ofCommunications，Key Laboratory of PortGeotechnicalEngineeringof Tianjin，Tianjin 300222，China；2.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China）

The foundation is improved using electro-osmotic treatment for ultra softsoilafter using vacuum preloading.The paperanalyzesenergy consumption ofelectro-osmotic treatmentaccording to the test resultsand proves thatelectro-osmotic treatment ofultra-softsoil canmake the soil strength increases obviously to achieve the desired effect beyond vacuum preloading by reinforcementeffectdetection.

ultra-soft soil；electro-osmotic；energy dissipation；strengthening effect

U655.544；TU472.99

A

1003-3688（2014）01-0026-06

10.7640/zggw js201401005

2013-05-16

2013-12-09

天津市自然科學基金青年項目 （13JCQNJC 07700）

于健 （1984 — ），男，山東乳山人，助理工程師，主要從事巖土工程勘察、設計、施工、檢測以及巖土工程方面的試驗研究工作。E-mail：yujian5241@126.com