电渗作用下软土细观孔隙结构

(1.浙江科技学院 土木与建筑工程学院，杭州 310023；2.浙江大学 a.软弱土与环境土工教育部重点实验室；b.滨海和城市岩土工程研究中心，杭州 310058)

经济的飞速发展使得土地资源短缺日趋严重，围海造陆工程因此得以蓬勃发展，但由此产生大量吹填土或疏浚土堆积形成软土地基亟需有效处理。传统地基处理方法，如堆载预压或真空预压，受限于软土的水力渗透系数，往往难以达到预期目标，所以，寻求有效的新工艺或新方法对于围海造陆工程的顺利开展具有重大意义。电渗法通过在插入土体的电极上通电，加速土体排水固结，被认为是处理高含水量、低渗透性软土地基很有效的方法[1-4]。研究电渗法对吹填土或疏浚土等软土的加固作用成为热点之一[5-7]。

综上，研究电渗过程中土体孔隙结构变化是从细观尺度上对土体变形机制和加固机理的揭示，已有文献在这方面少有报道。因此，本文采用杭州软土开展室内电渗试验和细观孔隙结构试验，监测了电渗中土体孔隙结构分布特征和含水量变化，研究电渗作用下软土细观结构变化，探索土体细观结构和宏观性质的关联机制，目的是基于细观孔隙结构揭示电渗法对软土的加固机理。

1 电渗试验

1.1 试验设计

为了实现试验结果的互为佐证，分别采用铁和铜电极开展两组电渗试验(记为T1和T2)。试验土取自杭州市董家路一基坑工程，其基本物理力学参数见表1。将所取土样与水拌合形成饱和重塑土样来模拟疏浚土。参考已有文献[1-7]中的数据，设置试验参数为：T1和T2试验土体初始含水量分别为99.7%和99.2%,电源电压30 V，相应的电势梯度为1.58 V/cm,通电到29 h时，排水量已连续5 h低于总排水量的5%，故设置通电时间29 h。试验后分别在离阳极板、阴极板5 cm处取土，作为含水量监测和细观孔隙结构试验试样。

表1 原状土的基本物理指标Table1 Physical parameters of original soil in this research

1.2 试验设备

试验主体设备如图1所示，主要由试验模型箱、直流电源、电线等组成。模型箱(图1)为一有机玻璃箱，外边缘尺寸为230 mm×110 mm×105 mm，由主槽和辅槽组成：主槽用来装载试验土体，内部尺寸为190 mm×100 mm×100 mm；辅槽用来收集试验排出的水，其下设有一小孔，在小孔下放一烧杯，试验时汇聚到小槽的水会通过小孔流到烧杯中而排出。试验采用板状电极，其尺寸为100 mm×100 mm×4 mm，阴极板上均匀打设若干直径5 mm的小孔以利于排水。试验采用GW SPD—3606型电源提供稳压直流电。

图1 电渗装置示意图Fig.1 The device diagram for

关于电渗中土体细观结构和宏观性质变化，前者通过土体孔隙结构体现，后者通过含水量体现。土体细观孔隙结构通过细观结构试验监测，需要用到的设备软件有：日立S-3500N扫描电子显微镜、孔隙分析软件(PCAS)。土壤含水量测试遵照《土工试验教程》(SL 237—1999)，需要用到的试验设备有：土样盒、烘箱、电子天平。

1.3 试验步骤

电渗试验步骤为：1)取适量原状土和水，用电动搅拌机充分搅拌均匀，制成重塑土样，静置一昼夜后测量重塑土样含水量；2)连接导线、电源和电极，在阴极包裹土工布，润湿电极后放入试验箱两端；3)分层装填土样，并在出水口放置烧杯以盛装排水；4)调节电源输出到所需电压，接通电路，开始试验；5)通电29 h，停止试验，断开电源，停止试验；6)对试验后土体取样进行含水量监测和细观结构试验；7)试验结束，拆除装置。

2 土体细观孔隙结构试验

2.1 试验原理

细观孔隙结构试验由电镜扫描和孔隙分析两部分构成。首先，利用扫描电镜监测土体孔隙结构得到孔隙结构放大SEM图像，然后，采用孔隙分析软件对孔隙形态进行定性和定量分析，得到孔隙结构参数，用于土壤细观结构分析比较。其中，孔隙分析采用刘春等[13]开发的PCAS软件，该软件采用细观定量测试技术，利用分形几何学有关理论对土体孔隙结构进行定量分析，其实用性已得到众多文献[8-10,14-15]的验证。

2.2 试样制备

试验前取重塑土、试验后分别在各试验距阳极和阴极板5 cm处取土开展电镜扫描试验。由于T1和T2试验采用同一批重塑土，土样含水量相差仅为0.5%，可视为相同土样，故试验仅对T1试验前重塑土取样开展孔隙结构监测。

取样时，用超薄刀片小心切取试样，逐渐切削土样制成5 mm×5 mm×10 mm(高度×宽度×长度)的样品，放入铝盒内并加入液氮在-190 ℃下冷冻，在液氮挥发完之前将土样移入真空干燥仪内，在-44 ℃下进行抽真空干燥24 h，直接升华土中非结晶冰。冻干后，小心将土样掰断，尽量保持断面平整，并作为电镜扫描的观察面。

2.3 电镜扫描

对制备好的试样观察面进行喷金镀膜，以增强其导电性、方便扫描；然后将试样放在扫描电镜观察台上，先在500倍的较低放大倍数下观察，选取合适区域；再提高放大倍数至适合值，得到代表性SEM图像，作为孔隙结构分析对象。

2.4 定量分析

采用PCAS软件对SEM图像进行二值化和矢量化分析，以实现对土体孔隙结构的定量评价。特别指出，软件参数输入对分析结果具有较大影响，试验通过统一输入参数控制各试验分析过程。具体定量评价过程主要从3个方面展开：

1)对结构单元体或孔隙尺度及其分布特征的评价，如结构单元体或孔隙面积、周长、粒径、孔径、表观孔隙比及基于分形理论得到的孔隙度分维值等。

2)对结构单元体或孔隙排列特征的定量评价，如方向角、定向角、定向频率、概率熵及定向分维数。

3)对结构单元体或孔隙形态特征的定量评价，如圆形度、各项异性率、形状系数及孔隙形态分形维数等。

针对以上3个方面，将分别采用表观孔隙比、平均孔隙面积、概率熵和孔隙形态分形维数4个典型指标，以研究土体孔隙大小变化、孔隙结构的有序性以及孔隙形态变化情况，实现孔隙结构的定量分析。表2给出了各指标的定义。

表2 土体细观结构定量评价指标Table 2 Quantitative evaluation indices for the soil mesostructure

3 试验结果与分析

3.1 孔隙结构定性分析

图2 SEM图像Fig. 2 Schematic diagram of the SEM

3.2 孔隙结构定量分析

通过电镜扫描得到T1试验前重塑土样、T1和T2试验后阳极和阴极处土样SEM图像，采用PCAS软件对SEM图像进行二值化和矢量化处理，分析得到电渗前后土体表观孔隙比、平均孔隙面积、孔隙形态分维数和孔隙概率熵，分别绘于图3～图6中，以便更直观地比较分析。

图3和图4显示，表观孔隙比和平均孔隙面积呈现类似的变化规律，即电渗后土体表观孔隙比和平均孔隙面积较重塑土样低，且各试验阴极土体数值比阳极土体要高；电渗过程中，土体表观孔隙比和平均孔隙面积均会降低，阳极处土体的降低幅度更为明显。图5表明，电渗土体孔隙形态分维数较重塑土小，说明经电渗处理后，土体孔隙的空间形态有变光滑的趋势，结构复杂性减弱。图6中电渗土样与重塑土样孔隙概率熵相近，可见，电渗作用对土体孔隙结构有序性的影响并不明显。

图3 表观孔隙比Fig. 3 Apparent void ratio

图5 孔隙形态分维数Fig.5 Pore fractal dimension

图6 孔隙概率熵

3.3 表观孔隙比与计算孔隙比

通过孔隙结构分析得到表观孔隙比，所得数据反映了一定面积上孔隙集度情况，可视其为实测孔隙比。另外，可根据土体3项指标换算关系，通过含水量计算孔隙比，其计算式为

(1)

式中：e为孔隙比；w为含水量；Sr为饱和度；ds为土颗粒比重。以下对实测表观孔隙比和计算孔隙比进行比较。

为了得到电渗后土体含水量数据，试验结束后分别在距离阳极和阴极5 mm处表层、中层和下层取样，取各处所得数值平均值作为该处含水量数值，得到T1试验阳极和阴极处含水量分别为40.2%和64.0%，T1试验分别为49.0%和69.7%。若假设试验中排水量与土体孔隙压缩量相等，即土体饱和，则有Sr=1，Gs=2.75，根据上述含水量数据和式(1)计算孔隙比，将计算结果与表观孔隙比进行比较，如图7所示。

图7 表观孔隙比与计算孔隙比Fig. 7 Apparent and calculated void

由图7可知，对于重塑土，表观孔隙比与计算孔隙比相近，说明试验结果可靠，而各组试验，不管是阳极处还是阴极处，计算孔隙比均小于表观孔隙比，即根据孔隙结构监测所得孔隙比大于通过含水量计算结果。Bergado等[16]通过实验得到类似的结果，他们采用导电PVD材料开展两种模型尺寸的室内电渗试验，监测了土体沉降和含水量的变化情况，并分别根据沉降和含水量计算得到土体的孔隙比，结果表明，根据含水量计算的孔隙比数值比根据沉降计算的要小。由于土颗粒和孔隙水不可压缩，土体沉降来源于孔隙压缩、孔隙比降低，沉降实为孔隙变化引起的宏观尺度上的响应，根据沉降计算结果和根据孔隙结构分析结果均代表土体实际孔隙变化。此试验和Bergado等[16]从不同角度得到类似结果，即电渗过程中，根据孔隙结构或沉降分析所得孔隙比较根据含水量计算结果大。

4 讨论

以上分析结果表明，电渗过程中随着水分的排出，孔隙得到压缩，孔隙比降低，同时，孔隙空间形态变光滑，结构复杂性减弱。同一组试验，阳极土体电渗作用比阴极土体明显，宏观上表现为含水量更小，细观上表现为孔隙比和孔隙面积降幅更大。但孔隙体积的减小与电渗排水量并不相等，这一点通过比较表观孔隙比和计算孔隙比可以看出，根据孔隙结构分析或沉降计算所得孔隙比较根据含水量计算结果大。因含水量和土颗粒比重固定，由式(1)分析可知，计算结果偏小唯一原因是饱和度偏大。可见，电渗过程中土体并不饱和，土体含水量的减少源于排水，孔隙比的降低或沉降宏观上表现为土体收缩，可见，电渗排水并不等效为土体收缩，即土体收缩量小于电渗排水量。

电渗中土体收缩量小于排水量，这与电渗的本质息息相关。图8给出了理想状态下电渗法与重力式方法对土体孔隙结构的影响。这里的理想状态指的是不考虑二者互相作用。对于重力式加固方法，如堆载或真空预压等，自由水和毛细水在超孔隙水压力作用下被排出，土体孔隙产生重分布，土体体积得到收缩(图8(b))。不同于重力式方法，电渗法加固软土的本质在于离子带动水分子的迁移运动，这种迁移运动的源动力为施加在电极两端的电压所产生的电场力，因而，若假设土体自重为0，笔者认为，电渗过程中土体孔隙将不产生压缩，只表现为水分在孔隙中的穿梭运动(图8(c))；这也是上述电渗排水量大于土体收缩量的根本原因。然而，实际电渗过程中，土体自重不可忽略，水迁移同时土体孔隙在重力作用下产生压缩，因而，随着电渗过程的开展，土体孔隙比和平均孔隙面积也会降低。

从机理上看，电渗的本质是离子带动水分子的迁移，与土骨架压缩并无直接关联。然而，土体收缩或沉降是地基处理的最终目的，如何实现电渗排水的同时土骨架有效收缩是电渗处理的关键之一。若将电渗法与外荷载联合作用，利用电渗法主动排水，外荷载引起超孔隙水压力、压缩土骨架，将能大大缓解电渗排水量与土体收缩量之间的差值，起到“优势互补”、“扬长避短”的作用。因此，实际工程中，电渗法需与堆载、真空预压等联合使用。

图8 电渗和重力式方法对土体孔隙结构的作用Fig. 8 Effects of electro-osmosis and mechanical technique on the soil pore

5 结论

采用杭州软土开展电渗试验，研究电渗过程中土体细观孔隙结构变化及其与土体宏观变形之间的关联机制，从细观孔隙结构角度揭示电渗加固机理，得到以下结论：

2)电渗过程中，随着水分的排出，孔隙收缩，孔隙比降低，同时，孔隙空间形态变光滑，结构复杂性减弱。

3)电渗过程中孔隙收缩量小于排水量，根本原因源于电渗本质，即离子带动水分子的迁移运动。

4)实际工程中，电渗法需与堆载或真空预压等工法联合使用，以减少电渗排水量与土体收缩量的差值，实现电渗法“主动排水”，堆载或真空预压“压缩土骨架”的优势互补作用。

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