电渗土体裂缝试验研究

张 恩

(上海地矿工程勘察有限公司， 上海 200072)

电渗土体裂缝试验研究

张 恩

(上海地矿工程勘察有限公司， 上海 200072)

为研究电渗过程中土体裂缝的发展趋势，以上海典型淤泥质软黏土为研究对象，用加工改进的Miller Soil Box进行电渗土体裂缝试验。通过改变外加电压的大小，观察记录土体裂缝的发展趋势，测量土体表面沉降量以及土体排水速率。试验研究表明：电渗试验中土体裂缝的发展分为四个阶段：细微裂缝阶段、细微裂缝消失出现主裂缝阶段、主裂缝发展阶段、主裂缝收缩端裂缝发展阶段；外加电压为45 V时，土体总排水量最大，土体表面沉降最大。

电渗；软黏土；裂缝发展；排水速率；沉降量

目前，电渗排水法是处理高含水率软黏土地基的一个比较可行也比较成熟的方法。早在1809年，俄国著名学者Reuss第一次对土体施加电压，并得出结论：土中水向阴极移动。1939年，德国学者Casagrande I L[1]将电渗排水法运用于铁路路基的开挖及加固工程中，这是人类历史上第一次将电渗排水法加固软黏土地基运用于实际工程，成功的摆脱室内试验的束缚并取得了良好的效果。目前为止，已经有许多国内外学者对电渗排水法从各个方面进行了大量的室内外试验研究，包括电极材料、电极布置、电极腐蚀、通电条件、添加化学试剂等等。1996年，英国学者Jones C J F P等[2]第一次提出了Electro-Kinetic Geosynthetics(EKG)在电渗排水加固软黏土地基中的应用；2003年，Bergado D T等[3]对铜、铁、铝、石墨等不同电极材料进行了室内试验研究，发现铜质电极对电渗排水法加固软黏土地基的效果最佳；1999年，Alshawabkeh A N等[4]第一次提出了通电后土体中有效电场的概念，并采用多种电极排布方式对有效电场的大小进行了试验研究；2001年，Micic S等[5]通过改变对土体的通电方式对软黏土的排水速率以及电极腐蚀程度进行了试验研究，试验结果显示间歇通电可以减少能耗、减轻电极腐蚀；2005年，Paczkowska B[6]将化学试剂加入软黏土中，采用电渗排水法对该种土体的排水速率等进行室内试验，试验结果表明：加入含有有机阳离子的化学试剂的土体的电渗排水速率是正常土体的4倍。

影响电渗效果的因素很多，电极材料[7]、电势梯度[8]、电极间距[9]、通电模式[10-11]等，学者们对电渗排水法加固软黏土地基研究已经非常透彻，成功的应用于实际工程的案例也越来越多。然而，电渗过程中土体的开裂现象没有得到学者们的密切关注。随着电渗试验的进行，土体中的水不断排出，土体干缩开裂，土体裂缝的不断增加也是影响最终电渗效果的一个重要因素。对土体失水干缩产生裂缝的研究在黄土高原、华北平原一带研究的已经非常深入，但是很少学者对电渗过程中土体产生的裂缝进行研究。2014年，宋忠强等[12]对活性炭处理过的电渗试验中的土体裂缝进行了研究，研究发现采用活性炭处理后提高了电渗过程中土体的排水速率、减小了电极的腐蚀程度；为了研究土体收缩对土体开裂及建筑物沉降的影响，张瑞敏等[13]通过对不同干密度、不同含水率的原状残积红土与重塑土进行了收缩对比特性试验，试验结果表明玄武岩残积红土的收缩与初始含水率、干密度有关，不同含水率对应的收缩性指标均不一样，且收缩性指标与干密度关系几乎接近直线变化。

鉴于电渗排水法加固软黏土地基过程中土体出现的裂缝对电渗最终的效果影响较大，目前对该方面的研究较少，本文以土体裂缝为突破口，设计室内电渗裂缝试验，以上海软黏土为研究对象，研究电渗过程中土体裂缝的发展趋势以及土体裂缝对电渗效果的影响。

1 裂缝试验设计

1.1 试验目的

将已配置好的土样装到Miller Soil Box中，在装置两端接入变压直流电源对土样进行通电，通电后土体中产生电场，在电场作用下土中水产生定向移动从阴极排水口排出，电渗试验原理图如图1所示。通过改变土体的外加电压，从排水速率、阴阳极温度等方面对土体裂缝的发展趋势进行研究。

图1 室内电渗试验原理图

1.2 试验装置及材料

本文所用试验装置为自主研制的Miller Soil Box，模型尺寸为L=20 cm，B=10 cm，H=10 cm；还有变压直流电源、万用表、温度计、探针、铜质电极板、烧杯、电子秤等试验仪器，具体如图2所示。

图2 电渗室内试验操作图

土样采用的是上海典型的淤泥质软黏土，取自上海某深基坑工程，其基本物理力学性质如表1所示。

表1 土样的基本物理性质指标

1.3 试验步骤

1.3.1 制备土样

按照《公路土工试验规程》[14](JTG E40—2007)，将从工地取回的原状淤泥质软黏土烘干、粉碎、筛分(筛取粒径在0.075 mm～2 mm之间的土颗粒)、再烘干(长达24 h)。称取适量烘干后的土，按照原状土的含水率(52.7%)进行配置，需要土2.7 kg、水1.42 kg，将配置好的土样放在聚乙烯袋中密封静置48 h，待试验使用。

1.3.2 试验过程

(1) 剪两片边长为10 cm厚度为0.5 mm的正方形铜片，将铜片放于Miller Soil Box两端，在阴极铜板跟试验装置之间放置一块土工布，防止泥土流失。

(2) 电极板放好之后，将已经制备好的土样分三层装到试验装置Miller Soil Box中，每层土均为土样总质量的1/3，用击锤击实，每层均匀击25次，每层击完后将试样顶面“拉毛”后再装土，顶层除外。

(3) 将探针、温度计插入土样中，插入具体位置如图3所示。

(4) 将变压直流电源的输出电压调至35 V，将正负极输出端接入试验装置的两端，左端接正极，右端有排水口一端接负极。

图3 土体表面裂缝发展趋势图

(5) 通电后，t=0时记录阴阳极铜板间电压U0AB、流过土体电流I0、阳极温度T0+、阴极温度T0-、排水量Q0，然后每隔15 min记录一次数据。

(6) 将变压直流电源的输出电压调至40 V、45 V、50 V、55 V，再重复步骤(1)～(5)。

2 裂缝发展趋势分析

土体失水开裂是一种非常普遍的现象。通常土体失水以水分蒸发为主，温度是一个重要因素，施斌等[15]对不同温度下黏性土龟裂的发生及发展规律进行了研究，研究表明温度越高，龟裂形貌越简单，龟裂条纹越宽，而在较低的温度下，龟裂的形貌比较复杂；周东等[16]对不同环境温度、湿度下黏土干缩裂缝的结构形态与变化规律进行试验研究，随环境温度升高，土样失水稳定时裂缝率、分维数、块区个数增大，而湿度对黏土裂缝的影响与温度相反。电渗排水法加固软土地基加快了土体中水分的排出，试验过程中土体裂缝的发展除了受温度影响外还受外加电压大小影响。

2.1 裂缝宏观发展趋势

在电渗试验进行的过程当中，每隔30 min拍一次裂缝开裂的照片，记录裂缝开裂情况，如图3所示。

从裂缝的开裂情况来看，裂缝的发展分为四个阶段：细微裂缝阶段、细微裂缝消失出现主裂缝阶段、主裂缝发展阶段、主裂缝收缩端裂缝发展阶段。

图3为外加电压为45 V的电渗排水法加固软黏土试验各个时间段的土体裂缝开裂情况。试验刚开始短时间内，土体表面的水分会迅速移到阴极。在t=0.5 h时，土体表面出现大量细微裂缝，称0 h～0.5 h为细微裂缝阶段。随着试验的进行细微裂缝逐渐消失，大概在t=2 h时，土体的中间位置出现主裂缝，也称纵向裂缝，靠近阳极位置出现斜裂缝，称0.5 h～2 h为细微裂缝消失出现主裂缝阶段。纵向裂缝是指平行于电极板方向的裂缝，横向裂缝是指与电极板方向垂直的裂缝。t=5 h时，土体中间主裂缝宽度增至3 mm，阳极裂缝逐渐清晰，阴极开始出现裂缝，称2 h～5 h为主裂缝发展阶段。称t=12 h时，土体中间主裂缝宽度收缩至1 mm，而两端裂缝宽度逐渐增大。t>12 h时后，因土体中大部分水分已经排出，土体裂缝开裂宽度也越来越大，称5 h以后到试验结束这段时间为为主裂缝收缩端裂缝发展阶段。

2.2 土体表面沉降

外加电场作用下，土体中的水分产生定向移动，移向阴极并从排水孔排出。电渗试验初期，靠近阴极的水会迅速排出，从而导致靠近阴极的土体表面沉降量比较大。随着试验的进行，土体阳极附近以及中部的水在电场作用下逐渐移向阴极，直至从排水孔排出。在试验长达5 h时，阳极的水分还没有移动到阴极，阴极板附近的水来不及排出，导致距离阴极板1/3处的土体表面的沉降量最大，也是在通电后的4 h～6 h内靠近阴极1/3处的土体的沉降速率最大，直至8 h后已基本不再变化。此时，阳极板附近的土体中的水分还在继续向阴极移动，土体也在继续沉降，当t>24 h后，土体中的大部分水已经被排出，土体表面的沉降变化不再明显。图4所示为试验过程中土体表面沉降变化比较明显的时间段。

lx表示x轴方向测量位置到阳极板的距离，土体表面沉降量随时间的变化趋势如图5所示。在lx=6.67 cm时，土体表面的最终沉降量最大，最大沉降量为9.2 mm。除了在电场作用下阳极土体中的水分移到阴极被排出以外，阳极沉降量比阴极大的另外一个重要因素就是：在通电的过程中，阳极温度远远大于阴极，由于温度较高蒸发的水分也较多，从而导致阳极沉降量比阴极大得多。

图4 土体沉降变化趋势图

图5 土体沉降变化趋势图

2.3 影响裂缝发展因素

受外加电场影响，土体排水速率明显提高，试验过程中土体裂缝的发展以及土体表面的沉降也受到影响。因此，除了温度以外，土体裂缝的发展速度以及土体表面沉降量的主要影响因素为外加电压。

外加电压在土体中产生的电场强度影响土体的排水速率，排水速率的不同对土体裂缝、沉降量以及土体强度都有影响。图6为施加不同外加电压土体的总排水量随时间的变化趋势图，从图6中我们可以看出：外加电压为45 V时，土体的总排水量最大，土体的排水速率在0 h～6 h内较大，6 h之后较为缓慢，直至21 h后不再排水，总量不再变化。外加电压为35 V、40 V时，通电后土体中电场较弱，对带电离子的影响较小，排水速率从始至终一直落后于外加电压为45 V时的排水速率。外加电压为50 V、55 V时，在通电刚开始的2 h内，土体的排水速率大于外加电压为45 V时的排水速率；随着电渗试验的进行，阳极温度不断升高，水分蒸发量远高于外加电压为45 V时蒸发的水分的总量，从而出现图6所示外加电压为50 V、55 V时土体排水总量低于外加电压为45 V时土体排水总量的现象。

图6 土体总排水量随时间变化图

不同外加电压土体表面最终沉降量如图7所示，通电电压为45 V、50 V、55 V时土体的最大沉降量都相差不大，在45 V的外加电压下土体表面中间偏阳极一侧的沉降量最大，但是图6中所示三种不同通电电压下的土体的总排水量却相差较大，主要与前文所提到的温度有关。

图7 土体表面最终沉降图

3 结 论

本文通过改变外加电压对土体进行电渗试验，试验过程中观察记录土体裂缝的发展趋势，测量土体表面沉降量以及土体排水速率，处理分析试验数据得出结论。结果表明：

(1) 电渗试验中土体裂缝的发展分为四个阶段：细微裂缝阶段、细微裂缝消失出现主裂缝阶段、主裂缝发展阶段、主裂缝收缩端裂缝发展阶段。

(2) 外加电压为45 V时，土体的总排水量最大，土体的排水速率在0 h～6 h内较大。

(3) 在45 V的外加电压下，土体表面中间偏阳极一侧的沉降量最大。但是，施加的电压越大土体两端的沉降量越大。

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Experimental Study on the Electro-osmosis Soil Cracks

ZHANG En

(ShanghaiGeological&MineralEngineeringInvestigationCo.,Ltd.,Shanghai200072,China)

In order to analyze the development trend of soil cracks in the process of electro-osmosis, this paper designed electro-osmotic soil crack test used the typical soft clay in Shanghai in the Miller Soil Box. By changing the size of the applied voltage, the development trend of soil cracks was observed and measured, and the soil surface settlement and soil drainage rate were measured. The results show that the development of soil cracks in the electro-osmosis test can be divided into four stages: the micro crack stage, the main stage of the cracks occurred and minor cracks disappeared stage, the main crack development stage, the main crack shrinkage and end crack development stage; When the applied voltage is 45 V, the total displacement of soil and the soil surface settlement reach to maximum.

electro-osmosis; soft clay; crack development; drainage rate; settlement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.045

2017-02-01

2017-03-04

张 恩(1986—)，男，江苏海门人，工程师，主要从事岩土工程勘察工作。 E-mail:303459609@qq.com

TU47

A

1672—1144(2017)03—0218—05