真空预压联合电渗法处理软土试验研究

刘巍巍 娄晨阳 陈博涵

(1.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.河南工业大学，河南 郑州 450001)

真空预压法是处理软土地基的一种有效方法，在港口码头、机场和高速公路工程中得到广泛应用[1]。但采用真空预压法存在后期软土处理效率低、加固效果不明显，尤其是存在硬壳层、下部土体加固较差等问题，可能需要进行二次处理，造成大量人力物力浪费[2-3]。电渗法是在软土的两端通直流电，使土中的自由水和弱结合水随水化阳离子一起向阴极移动，从而达到排水固结的一种地基处理方法[4-6]。但电渗具有能耗大、腐蚀严重、时间长等缺点[7-8]。对于天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性差的软土，采用这两种方法通常难以达到预期的效果[9-10]。近年来开始将真空预压与电渗二者相结合使用，利用真空预压法和电渗法的优势，既能够提高土体强度，也可以加快固结速度，提高施工效率[11-12]。本文对大连大窑湾港区软土进行了真空预压与电渗联合作用试验，通过试验数据分析加固效果，探索加固机理，为工程施工提供技术和数据支持。

1 试验方案

1.1 试验软土特性

试验用土样来自大连大窑湾港区软土，呈流动状态，见图1。表1为试验用软土主要物理力学指标。从表1可以看出，该软土具有含水率高、液限和塑限高、孔隙比大、渗透性低、压缩性大等特点。

表1 试验用软土的主要物理力学指标

图1 软土形态

1.2 试验装置及仪器

主要试验装置及仪器：模型箱为10mm厚钢化玻璃箱， 尺寸为800mm×400mm×600mm； 电极为直径25mm的光面钢筋；塑料排水板采用国产C型排水板，尺寸为100mm×5mm，滤膜等效孔径为40～70μm；直流电渗仪为KDF-可控型电析降水仪；真空泵为SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵；水气分离装置为ZK-270型真空饱和缸；电子秤最大量程30kg，精度5g。

1.3 试验步骤

试验前先在模型箱的内壁和箱底设置两层土工薄膜，将土样填至40cm高度，插入排水板和钢筋电极，并在土体表面铺设两层土工布作为水平向排水系统，最后用土工膜包裹覆盖土体并保持密封。模型箱、真空饱和缸和真空泵通过管路相连接，见图2。试验开始后6天内，进行真空预压法排水，真空度维持在80kPa左右，同时每隔24h进行1h电渗(第一阶段)；第7天开始，每隔24h进行3h电渗，控制总电流大小不变，为6.4A，持续6天(第二阶段)。当出水量基本稳定时关闭真空预压和电渗的电源并停止试验。试验完成后，对测定的有关指标并与试验前土体的指标进行比较分析。

图2 试验布置平面示意图

2 试验结果

2.1 土体变形

试验结束后土体发生5cm的竖向位移，由于膜下真空度的存在，大气压近似于外加荷载作用在土体表面，使土体出现竖向变形；阳极附近的土体呈现黄褐色，土体相对干燥，且阳极周围分布有往阴极方向扩张的环状微裂缝，裂缝两界面呈褐色，说明聚集有大量铁离子。阳极发生氧化反应产生的含铁离子的化合物充填于软土中，使土体的颜色沿径发生由深至浅的变化(见图3)。

图3 试验后软土外观

2.2 出水量及出水速率

图4～图5为整个试验过程中出水量及出水速率的时程变化曲线。两个阶段的排水时间相同，均为144h。整个过程出水量为25.4kg，其中第一阶段的排水量为19.8kg，第二阶段的排水量为5.6kg。第一阶段出水速率随着含水率的下降急剧减小，通电时出水速率略有回升，说明电渗确实能够增加排水的效果。第二阶段出水速度很慢，其中一些时间段可能是由于排水系统淤堵甚至不排水，而在通电时出水速率能够提高2～3倍，说明电渗在后期的排水效果比较明显。

图4 出水量时程曲线

图5 出水速率时程曲线

通过前后两个阶段对比分析，说明在土体含水率高的情况下，真空预压起主要排水作用；在土体含水率降到85%之后，电渗的排水效果相对明显，体现了这两种方法结合使用的优势。

2.3 含水率

试验后测定两极之间的含水率大小，沿深度方向在5个层面上取样，每层取相同间距的4个土体单元(见图6)，根据测得的含水率大小绘制含水率分布等值线图，见图7。试验后土体平均含水率减小到70%左右，与初始含水率相比减少了37.4%。从图7可以看出：最小含水率分布在土体表层和阴阳极附近，最大含水率分布在深度为0.25m以下的两极中间；在同一深度处，阳极和阴极的土体含水率较低，中间最高；两极中间的土体含水率沿深度方向依次递增。由此可见，真空预压的作用范围主要集中在土体表层15cm范围内和排水板附近；电渗对阳极附近的土体排水起主要作用。

图6 含水率测量取样位置示意图

图7 试验后土体含水率分布等值线图(%)

2.4 抗剪强度

试验结束后对两极附近的土体进行了直剪试验。采取分层取样的方法，共分3层做6组直剪试验，将其编号为YN1、YN2、YN3和 YG1、YG2、YG3，取样位置见图8，每组试验取同一位置的4个土样，试验结果见图9～图10及表2。

图8 直剪试验取样位置示意图

图9 阴极附近土体快剪强度

图10 阳极附近土体快剪强度

表2 试验后土体强度指标

试验前土样呈流动状态，无法进行直剪试验。试验后表层和两极附近的土体抗剪强度明显提高，其他位置的强度增加有限，主要因为表层土体和阴极(排水板)附近的土体在真空荷载的作用下排水固结，阳极附近的土体在电渗的作用下排水固结，而在两极之间且位置偏下的土体受真空预压和电渗的影响较小，强度增长有限。

由表2可知，土体抗剪强度阴极附近大于阳极附近，这是由于阴极附近的土体在真空荷载的作用下产生负的超静孔压，从而增大土体有效应力，真空荷载维持在80kPa时土体强度会有大幅度提高；而在电渗的作用下由于裂隙的产生及电渗通电时间相对较少等原因，阳极附近土体的强度增长相对小一些。阳极附近底部土体的强度高于中层土体的强度，主要因为试验中阴极只有20cm，且布置在模型箱底部，故电渗主要作用在土体底部，说明电渗法对土体强度的提高有一定的作用。

3 结 语

通过真空预压联合电渗法处理软土的模型试验，研究了真空预压联合电渗法处理软土的原理及效果，得到如下几点结论：

a.真空预压主要是排水作用，而电渗兼有排水和电化学作用，两者联合使用的效果明显，联合作用后土体发生竖向位移，阳极附近的土体颜色改变。

b.联合作用前期，出水量随作用时间逐渐增大，出水速率较大，真空预压的排水作用强于电渗；当土体平均含水率小于85%左右之后，出水量减小，出水速率减小，电渗的排水作用明显。因此，建议在含水率降到一定的标准时接直流电进行真空预压联合电渗法处理。

c.联合作用后，土体含水率减少了37.4%；真空预压的作用范围主要集中在土体表层和排水板附近；电渗对阳极附近的土体排水起主要作用。

d.联合作用后，土体表层和两极附近的抗剪强度明显提高；阴极附近的土体抗剪强度大于阳极，电渗法对土体抗剪强度的提高有一定的作用。