电渗法在软土路基处理中的应用

王志勇

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063)

电渗法是指在软土地基中插入阴阳电极并施加低压直流电,通过产生电动及电蚀等效应,提高软土地基强度的一种软土加固方法。

电渗法具有加固速率快、效果明显及对周围环境污染少等优点。1939年德国卡萨格兰德首次将电渗法应用于萨尔兹告脱铁路路基的开挖工程中[1]；在20世纪60～70年代,电渗法在理论和实践上都得到了长足的发展,其处理效果的长久性也在工程实践中得以证明[2]。近年来,电渗法在建筑物、构筑物基础施工中使用广泛,并取得了良好的加固效果,而在软土路基中该方案使用较少。针对这种情况,通过对广州地区某电渗法处理软土路基的试验段施工实例,总结了电渗的设计参数、施工经验,以及地下水、电流与电极间距关系和电极电蚀情况,为该法在软基加固处理中的推广运用积累实践经验。

1 电渗加固软土的机理

电渗法在地基中插入金属电极并通以直流电,在直流电场作用下,土中水将从阳极流向阴极形成电渗[3]。采用不让水在阳极补充而从阴极的井点用真空抽水的方式,使地下水位降低,土中含水量减少,从而使地基得到固结压密,强度提高。

电渗法产生电动及电蚀等效应。电动效应主要表现为电渗及电泳。电渗作用表现为：带正离子的极性水分子在直流电的作用下,由阳极附近移向阴极,通过阴极管排水加快软土固结速率；电泳指带有负电荷的土粒,在电场作用下移向阳极,在阳极附近沉积,从而使阳极附近的土体加密,土体的强度增加[4](如图1所示)。

图1 电渗设计剖面

电蚀效应是指带Fe3+的阳极在电流的作用下发生电解,形成难溶性沉积物,加密了周围的土体,强度增加[4]。

2 设计参数

(1)电极采用 φ22 mm钢筋作为阳极,φ48 mm钢花管作为阴极,钢筋(钢花管)长均为10 m。

(2)阴(阳)极通过用 φ22 mm钢筋连接通电；电极横向间距2～3 m,纵向间距4 m(如图2)。

(3)采用可控硅整流器作为电极电源,阴阳电极之间恒定工作电压为38 V；每天电渗10 h,并同时抽水。

(4)沿阴极布设抽水管,射流泵与抽水管连接将水抽出。

图2 电极埋设平面布置(单位：m)

3 施工工艺及安全控制

3.1 施工工艺

(1)利用袋装砂井施工机械埋设电极。机架高度为导管长度2倍,当导管下沉到设计深度后,将振动锤转离管口,将电极放入后振动锤复位。拔出导管时电极留在地下。每根电极露出地面10 cm,以搭接电源。

(2)每排电极用 φ22 mm钢筋焊接起来,接电线连通电源。

(3)沿阴极(钢花管)布设排水管,将抽水管插入阴极管内,连接射流泵将水抽出。

(4)采用可以保证恒压的可控硅整流器作为电源。

(5)施工过程中,对整个电渗加固的地下水位变化情况进行监测,并安装水表以记录排水情况。

(6)施工过程中每隔7～10 d进行一次静力触探试验。

(7)停止电渗后再填砂载入预压。

3.2 安全控制

电渗施工时整个场地遍布电流,而施工现场人员、机械较多,安全工作显得尤其重要。根据本项目实践经验,电渗安全施工主要控制以下几点：

(1)正常情况下,安全电压为36 V,工程实际的稳定电压为38 V,在地基土体中形成的电流强度仅为3 A左右。综合考虑加固效果,电压强度尚需提高。因此,当电渗时施工人员需要进入电渗施工场地时,务必穿防电胶鞋。

(2)电渗需要稳定的直流电压,一般都需要变压设备将电压较高的交流电转换为低压直流电,在选用变压设备时,必须把好质量关。同时,在操作时,必须避免出现转换电压超出设计电压的情况,以防触电。

(3)电渗排水措施必须完善,将电渗水排出场地以外,避免增加场地的潮湿性。

(4)施工期间碰到雨水天气,在电渗电压大于24 V的情况下,停止电渗施工；在电压小于24 V的情况下,可根据供电、变压设备的具体情况确定是否需要停止施工。

(5)在施工场地外围设置安全警示线、警示牌,避免闲杂人员进入。

4 电渗加固对地下水的影响

为掌握电渗过程中整个电渗区地下水位的变化情况和了解电渗对地下水位的影响,进而分析电渗对地基土层渗透性的增加效应,在电渗区共布置了8个水位孔(如图3所示),每个水位孔的深度为7 m。

图3 电渗区水位孔布置平面(单位：m)

根据监测结果,电渗抽水约2 h后,整个电渗区域的地下水位有不同程度下降(如图4所示),其中路基中间位置下降的幅度最大,可达2 m左右。继续抽水过程中,随着水位的下降,电渗区与四围的水头差逐渐增大,当抽水与来自四围的补给达到一个动态平衡后,电渗区的地下水位就基本保持不变。此时的地下水位线形成了一种盆状曲线。

图4反映出路基右边地下水位下降的幅度相对左边要大。据分析,左半幅地层的软土层中细砂层较右半幅厚,同一断面左半幅渗透系数高,地下水补给快,因此,右半幅地下水位下降的幅度相对就大一些。

图4 电渗抽水前后水位变化曲线

从电渗的加固机理可知,电渗的加固作用主要表现在两个方面：一是增加地基软土层的渗透性,提高孔隙水的排出速率,从而达到压密软土层,增加其强度的作用；二是通过一系列化学作用,在土体孔隙内产生新的化合物,从而达到提高软土层力学性质的加固目的。假设电渗过程中,土体的渗透性有所增加,则在抽水及停止抽水过程中,其水位的下降及上升情况将和不电渗时有所区别。针对这一想法,选择相邻两日的相同时间分别测试了电渗或不电渗时,抽水过程中或停止抽水过程中地下水位的变化情况。测试结果见表1。

表1 抽水/不抽水过程中电渗区水位变化

据表1,对比电渗与不电渗两种状况下地下水位的变化情况,可以发现除个别水位孔存在较小的误差外,电渗时水位下降速率较小,平均比不电渗时小9.1 cm/h,电渗时水位上升速率较快,平均比不电渗时快8.6 cm/h。这表明,电渗可以加速地基土层的排水速率,可使土体的渗透系数大幅增加。

5 电流与电极间距关系

电渗成功与否,其中最主要的一点就是能否在软土层中形成有效的电流。这取决于电极的布设参数、电压的大小。为了研究电流与电极间距、电压的相互关系,项目单独打设了三根电极,中间为阳极管,两侧为阴极钢管,间距分别为1 m、2 m。其试验结果见表2。

表2 不同情况下电极之间电流变化一览

由表2可知,电极之间的电流随电压的增加成正比例增长,随着间距的增大而减小,并且电压越大,间距对电流的影响也越大。此外,相同电压条件下,1 m和2 m的电流强度相差较大,而2 m和3 m的电流强度相差很小,这主要是由于3 m间距时两根电极均为阴极钢管,其截面面积(直径4.8 cm)大于阳极钢筋的截面面积(直径2.2 cm),也就是说,电极面积越大,电极之间的电流也越大。因此,在设计电渗加固方案时,就要充分考虑电极间距、截面大小与电压的大小。电压越大,间距越小,截面面积越大,电流也越大。但总体来说,电压的影响要大于间距及截面面积的影响。

孔隙水的排出伴随着土体的沉降,因此电压值的提高,也使得土体沉降量相应增加[5]。

6 电极电蚀情况

40 d的电渗期后,在电渗区不同位置拔出几根阳极钢筋,观察其电蚀情况。结果显示：1 m间距的阳极钢筋由于两侧阴极距离较近,电蚀程度最大,电蚀厚度约为3mm；2 m间距的阳极钢筋稍有电蚀,电蚀厚度约为1 mm；3 m间距的阴极钢筋电蚀程度很低。由此可见,阴阳极距离越近,电蚀程度就越高。因此,对于类似本工程地质条件的软基,建议电渗电极间距取1～1.5 m比较合理。

7 电渗加固产生的沉降变化

经过电渗40 d后,电渗区开始填砂,累计填砂厚度为1.94 m,平均填砂速率为0.11 m/d。填砂后,采用1 m的填砂荷载加载。在整个加载及预压期间,一直进行路基稳定性监测。

电渗区每施加一级荷载,表面沉降速率都有明显的增大,并且在随后的两三天内迅速减小。在快速加载期间,最大沉降速率达到了15 cm/d,对应的填砂厚度为194 cm。此外,经过4个月的超载预压,本区的沉降已经进入稳定状态,平均总沉降量为23.9 cm。而相邻填砂4.0 m厚的袋装砂井区经过5个多月的预压期,其平均总沉降量仅为19.0 cm。在地质条件差不多的情况下,这个监测结果似乎和前面得到的电渗后软土强度有明显提高的结论相违背,但经过仔细分析,认为造成电渗区在堆载后沉降相对较大的原因可以从以下三个方面去解释。

第一,虽然总体上本段的地质条件比较稳定,但软土层内交互沉积的许多微薄粉砂层的存在影响土层的固结强度[6]。因此,本段沉降大于袋装砂井区,软土力学指标的变化是其中一个原因。

第二,电渗期间,软土中的部分孔隙水在电流的作用下排出,可能在土体中形成非饱和的孔隙,在没有外界荷载作用的情况下,孔隙水排出后形成的孔隙很难闭合,电渗期间软土层的压缩变形很小。在施加填砂荷载后,软土层的非饱和孔隙在附加应力的作用下迅速缩小,导致表面沉降增加。

第三,电渗可能与真空预压具有类似的特点,可以主动排水,固结速率加快。但是,单独应用时加快沉降的效果不显著,与堆载联合应用时加快沉降的效果较好[7]。

8 结论与建议

电渗加固方案得到了一些有益的探索,并根据本次设计、施工经验,提出几点具有借鉴意义的建议：

(1)电渗时地下水位普遍下降1.5～2.5 m,路基中间下降较多。抽水时,电渗状况下水位变化与不电渗状况下水位变化相差较明显。电渗可以加速地基土层的排水速率,可使土体的渗透系数大幅增加。

(2)电流密度随电压增加而增大,随电极间距增大而减小；电极直径越大,电流密度越大[8]。

(3)经过电渗加固后,软土强度提高具有较明显的空间效应：越靠近阳极的位置,软土力学性质增幅越大。电极间距距离越小,软土强度增幅越大[9]。对于类似本工程地质条件的软基,电渗电极间距取1～1.5 m比较合理。

(4)电渗后,土体强度和地基承载提高,路基填土(砂)可采用快速施工法。电渗可以加速沉降,但是不能减小沉降量。

(5)电渗属于主动排水,堆载联合应用可取得更好的加固效果。

[1]陈幼雄.井点降水与施工[M].上海：上海科技普及出版社,2004：212-213

[2]Soderman L G,Milligan V.Capacity of friction piles in varved clay increased by electroOosmosis[C]∥Proceedings of 5th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering,Paris,1961：143-147

[3]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：中国水利水电出版社,1996 ：10-11

[4]高志义,张美燕,张 健.真空预压联合电渗法室内模型实验的研究[C]∥中国土木工程学会第八届土力学及岩土工程学术会议论文集.北京：中国土木工程学会,1999：491-494

[5]李 苗,张林洪,王苏达.电渗法处理填土地基的排水效果影响因素分析[J].岩土工程技术,2007(1)：4-10

[6]铁四院一处,科研所.深厚层软土路堤控制后期沉降加固方法的研究[C]∥软土地基试验研究文集.武汉：中国地质大学出版社,2001：313-343

[7]孟祥波.真空预压与堆载预压加固软基的分析比较[J].路基工程,2007(1)：79-80

[8]黄可明.电渗法加固软土技术研究[J].水利科技,1996(1)：5-8

[9]胡勇前.高等级公路电渗法软基处理试验研究[J].城市道桥与防洪,2004(4)：127-129