电渗法软基加固现场试验研究

于健，诸葛爱军，刘建军，李卫，刘爱民

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222； 2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

电渗法软基加固现场试验研究

于健1，诸葛爱军1，刘建军2，李卫1，刘爱民1

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222； 2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

对超软土采用真空预压法加固后，进行现场电渗法加固试验。根据试验结果分析了电渗法的能耗情况。通过加固效果检测证明电渗法可以使土体强度在短期内有较大幅度的增长，达到真空预压所达不到的加固效果。

超软土；电渗法；耗能；加固效果

0 引言

吹填造陆时常常在局部形成一定厚度的流泥和浮泥，通常采用常规的真空预压法进行加固。在加固前期地基沉降量显著，土体强度增长较快，但后期强度增加不明显。这主要是由于真空预压排水固结作用产生的水力梯度只能够将土中的自由水排出，而对于土中的结合水在排水固结作用下则很难排出。结合水是指受双电层影响吸附于土粒表面的水，可分为强结合水和弱结合水。强结合水性质已接近固体，因此不对土体加固产生影响；弱结合水因为受土粒静电场的影响，一般的排水固结法很难将其排出，但在外加直流电场的作用下，部分弱结合水可以摆脱静电场的束缚被排出，因此电渗不仅可以排出自由水，还可以排出弱结合水[1]。

从理论上讲，电渗法加固速度与孔隙比有关，与土颗粒的大小无关，因此黏粒含量较高的流泥、浮泥中结合水含量较高，用电渗法来加固是比较理想的[2]。但由于电渗法需要消耗大量的电能，因此，在很长一段时间内，对电渗法的研究以室内试验 研究 为 主[3-4]， 而现 场 试验[5]和 应 用 却 不 多见。依托 2008 年中交股份特大研发项目“大面积超软黏土地基处理技术研究”，进行了电渗法软土加固现场试验研究。

1 试验概况

电渗法现场试验区位于天津临港产业区，加固面积为 20 m × 20 m。先采用常规真空预压法进行地基加固，插板间距为 60 cm，插板深度为3.5 m，真空压力约为 80 kPa，预压 6 个月后卸载，卸载时地表平均沉降量为 969.1 mm，固结度超过 80%。卸载后在加固区中心选择一块区域进行电渗现场试验，试验区面积约为3 m×3 m。

2 地质条件

现场试验区真空预压加固前为新近吹填高含水率软土，表层土基本为流泥，吹填土深度为4 m左右。在真空预压加固前采用薄壁取土器取土，取土样本为 15 个，取土深度最深为 3.5m，室内土工试验分析结果见表1。

表1 加固前试验区取土室内试验结果Table 1 Laboratory test resultsof the soil in test sitebefore reinforcement

从加固前的检测结果看，加固区初始含水率很高，平均含水率大于 85%，最大含水率达到104.0%；十字板强度低，平均值为 2.0 kPa；黏粒含量高，均值为52%，属于典型的超软土。

3 电渗试验方案及实施

3.1 电渗试验方案

3.1.1 电极整体布置

电渗试验区电极平面布置见图 1，设置 6排电极，每排6个，共36个电极，正方形布置，间距为 0.6m，电极入土深度 2.0m。

图1 电极接线整体布置图Fig.1 The overall layoutof electrode connection

3.1.2 电极制作

电渗的阴阳极均采用 φ20mm 钢管，入土部分钢管梅花形布置 φ8mm 小孔 （上端留 15 cm 不打孔，以保证抽气时管内有一定的真空度），外包无纺布，以便采用真空泵抽出阴极附近的水，如图2所示。

图2 电极示意图Fig.2 Sketchmap of electrodes

3.2 试验实施

电极入土深度为 2.0m，在土体表面覆盖 1 层塑料薄膜，以防止土中水分蒸发对试验产生影响。用电缆将每列电极串联起来，按照阴阳相间的原则布置，分别将阴阳极连接到整流器的阴阳极上。

将阳极管和阴极管用塑料软管串联起来，接到主管上，主管接到抽真空设备上，见图3。

图3 电渗电极、电缆、管路连接、塑料膜铺设Fig.3 Electroosmosiselectrode，cable，pipeline connection，p lastic laying

加固过程中进行真空抽水，真空度控制在30 kPa左右，目的是电解产生的、聚集于电极处的氢气和氧气更容易逸出，从而减小界面电阻，减少在界面电阻上所消耗的电能。

电渗加固实际通电时间为 10 d，采用间歇通电方式，每通电 8 h，间歇 4 h，利用整流器提供直流电。

4 电流、电压监测及结果分析

为研究电极间电势能的分布情况，在 Y3排的相邻电极之间等间距 （间距为 15 cm） 布置 3个测头，测头埋入土中 50 cm，见图 1，测头采用铜芯绝缘电线，上下两端露出铜芯。

每隔2 h测量1次总电流、总电压、各支路电流、相邻电极列之间电压以及 Y3排相邻测头之间电压。

4.1 电流、电压监测结果

整流器输出总电流随时间变化见图 4，整流器输出总电压随时间变化见图 5，X1～X6 各列电极的支路电流随时间变化见图 6，Y3 排相邻电极之间的电压随时间变化见图7，图中每点的数据为当天测量的平均值。

图4 整流器输出总电流随时间变化图Fig.4 The variation of totaloutputcurrentof rectifier w ith tim e

图5 整流器输出总电压随时间变化图Fig.5 The variation of totaloutputvoltageof rectifier w ith tim e

图6 X1～X6 单排电流随时间变化Fig.6 X1~X6 single currentchangeover time

图7 Y3排相邻电极间的电压随时间变化Fig.7 The variation ofvoltagebetween ad jacent electrodeof Y3w ith time

4.2 能耗分析

根据上述各支路电流和Y3排相邻电极之间的电压，统计出整流器输出的总电流、总电压和试验区内有效总电流、总电压，见表 2，表中的电流、电压值为当天所测的平均值。

可以看出电极排之间的电压明显小于整流器输出的总电压，根据表中的有效电压、有效电流可知加固土体的总电阻在 （3.12～4.51）× 10-2Ω 之间，计算可知电缆总电阻 （5.00～5.98）× 10-2Ω，可见有很大一部分电能消耗在进入试验区之前的电缆上。

根据对电流和电压的监测结果，用下式可以推算出总耗能和有效耗能，计算结果见表3。

表2 电流、电压统计Table 2 Statisticsof cu rren tand voltage

表3 电渗试验耗能量Table 3 Energy consum ption by electroosm osisexperim ent

从表3可以看出有效耗能只占总耗能的38.6%，也就是说整流器和试验区之间的电缆耗能占总耗能的 61.4%。

本次试验在整流器与试验区之间的主电缆采用的是四芯 25 mm2的铜芯电缆，总截面积为100 mm2，长度约为 30 m，铜芯电阻率为 1.75 × 10-8Ωm （20 ℃）， 计算可知电缆理论电阻约为 5.25×10-3Ω，远 小于实际 值 （5.00 ～5.98）× 10-2Ω。其主要原因是损失在电缆的能量转化为热能，造成在通电试验过程中电缆温度很高，增大了铜芯的电阻率，另外电缆的老化等都造成电缆的电阻变大，因此应通过减小整流器与试验区之间的距离或增加主电缆铜芯截面积等方法来减小电缆电阻，降低电缆部分损失的电能。

4.3 电极间电势分布规律分析

Y3排电极之间等间距布置了3个测头（间距为 15 cm），各相邻电极之间相同位置测头之间的电压统计见表4。

表4 Y3排电极间相邻测头之间的电压Tab le 4 The voltagebetween ad jacentmeasuring head of Y3 electrodes V

可以看出电极管附近区域电势差明显大于较远的区域，并且阳极附近电势差明显高于阴极附近电势差。这说明电极与土体接触位置电阻率明显高于土体电阻，也就是存在界面电阻[6]。在离阳极较近的位置，电渗作用使阳极附近的水分很快被疏干，阳极周围土体的电阻增大，因此该区域的电能消耗量较大，并且现场在阳极周围发现了大量的干缩裂缝，也说明了电渗作用对阳极附近土体加固效果最快、最明显。

5 加固效果检测及分析

为对加固效果进行检验，试验前后进行了现场十字板强度检测、钻孔取土及室内土工试验。电渗加固前进行了6组现场十字板强度测试、3组取土和室内试验。加固后分别进行了 12组现场十字板强度测试（阳极附近3组，阴极附近3组，阴阳极之间中点位置3组，相邻4个电极中心位置3组）、8组取土和室内试验 （阳极附近2组，阴极附近2组，阴阳极之间中点位置 2组，相邻4个电极中心位置2组），试验位置见图8。

图8 电渗前后取土及现场十字板试验位置图Fig.8 Location of field vane shear test and the soil beforeand after electroosmosis

5.1 室内土工试验

加固前进行了3组取土和室内土工试验，电渗前后土体主要指标均值见表5。

由表5可见，电渗前土体平均含水率为44.1% ， 湿 密 度 1.77 g/cm3， 干 密 度 1.23 g/cm3，电渗后土体含水率和干密度稍有降低。

电渗后取土试验点分别位于阳极附近、阴极附近、阴阳极连线中点以及4个电极中心位置。为更好地分析数据，分别将相同位置的试验数据进行统计取平均值，见表6。

含水率变化：电渗前平均含水率为 44.1%，电渗后阴极附近含水率增长为 45.9%，阳极附近含水率降低为 40.8%，阴阳极中间及 4 个电极中心位置含水率稍有降低，分别为 43.8%、43.3%。这说明土体在电渗作用下，水分在阴极汇集，而阳极对土体有疏干作用，土体在阳极附近加固效果最为显著。

表5 电渗加固前后土体主要指标均值Tab le5 M ean-valueofmain indicatorsofsoilbeforeand after electroosmosis reinforcement

表6 电渗加固后不同位置土体主要指标均值Tab le 6 M ean-value ofmain indicatorsof soil in different position after electroosmosis reinforcement

湿密度变化：在阴极附近湿密度较电渗前1.77 g/cm3降低为 1.75 g/cm3，阳极附近较电渗前增长到 1.80 g/cm3，阴阳极中间及 4 个电极中心位置湿密度较电渗前变化不大。

其它指标，如孔隙比、液性指数等表现出类似的变化趋势。

5.2 电渗前后十字板强度

电渗前进行了6组十字板检测，电渗后进行12组十字板检测。电渗后十字板检测的位置分别位于阳极附近、阴极附近、阴阳极中间位置和4个电极中间位置。电渗前后所有十字板剪切试验结果平均值统计见表7，根据十字板剪切试验位置统计见表8。

表7 电渗加固前后十字板强度平均值Table7 Average vane strength beforeand after electroosmosis reinforcement

根据表 7，电渗后土体平均十字板剪切强度由 18.7 kPa 增加到 23.0 kPa，增长幅度为 23.2%；根据表 8，不考虑深度因素，阳极附近十字板强度增长为均值 27.2 kPa，相对于电渗前强度平均值增长幅度为 45.5%，阴极附近、阴阳两极中间和4个电极中心位置的增长幅度分别为13.9%、20.3%、12.3%。可见电渗加固后，土体强度得到进一步改善，尤其是在阳极附近土质加固效果最为明显。

表8 电渗后不同位置十字板强度平均值Table8 Average vane strength in different position after electroosmosis

6 结语

1）对于超软土，在真空预压后采用电渗法可以使土体强度在短时间内得到进一步的增长，达到长期真空预压所不能达到的效果。

2）由于吹填土的含盐量较高，土体间电阻很小，因此在整流器和试验区之间的导线损失的电能比较大，因此应尽量减少整流器与试验区之间的距离或增加主电缆铜芯的截面积，降低在电缆线上的电能损失。

3）根据电渗原理，阴阳两极产生的电势差与土体电渗透流速的大小是成正比的，阴阳两极的电势梯度直接影响到土体加固效果。阳极附近的电势差较大，根据室内土工试验和现场十字板试验结果发现阳极附近的土含水率较小，强度增长明显。

4） 由于电渗法能耗较大，对于高含水率、极细颗粒的新近吹填土可采用传统真空预压进行初步加固，排掉土中大部分自由水，再采用电渗法二次加固，进一步排出部分弱结合水，降低含水率，提高土体强度，经济且工期较短。

[1]曹永华，高志义.电渗法中排水固结理论与实践的若干问题[J].中国港湾建设，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]曹永华，高志义，刘爱民.地基处理的电渗法及其进展[J].水运工程，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]高志义，张美燕.真空预压联合电渗法室内模型试验研究[J].中国港湾建设，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]房营光，徐敏，朱忠伟.碱渣土的真空-电渗联合排水固结特性试验研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），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]程庆臣，孙永军.电渗技术在吹填泥袋坝固结中的应用研究[J].东北水利水电，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]庄艳峰，王钊.电渗固结中的界面电阻问题[J].岩土力学，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

天津市自然科学基金青年项目 （13JCQNJC 07700）

于健 （1984 — ），男，山东乳山人，助理工程师，主要从事岩土工程勘察、设计、施工、检测以及岩土工程方面的试验研究工作。E-mail：yujian5241@126.com