电渗法与电渗法联合真空预压法加固超软土地基的室内试验分析对比

侯晋芳，刘文彬

0 引言

随着全球经济的高速发展，围海造陆已成为沿海城市向海洋寻求土地的主要手段。诸多研究成果表明，采用排水固结方法加固流泥、浮泥时，不仅加固时间长、沉降大，而且加固后土体的强度小，远不能满足使用要求，主要原因是排水固结法很难排出弱结合水。电渗法可排除部分弱结合水，但单独使用电渗法却存在土体加固不均匀、耗电大、阳极腐蚀等问题，曹永华[1-2]等均提出了上述问题。真空预压法最早由Kjellman[3]提出的，经过一系列试验的验证[4-5]和机理研究[6-9]，已形成较为完善的理论计算方法和施工工艺，但由于受大气压力的限制，真空荷载值一般不超过90 kPa，限制了真空预压的加固效果，并导致后期加固效率较低[10]。

将真空预压法与电渗法联合起来是一个比较新颖的方法，两种方法取长补短，彭劼等[11-12]进行了真空预压联合电渗法软土处理的室内试验，刘汉龙等[13]进行了真空预压联合电渗法的现场试验，研究结果表明真空预压联合电渗的方法可以有效提高土体的排水效率和排水量，但相比于电渗法其显著的适用性和经济性均没有详细的分析。

本文以滨海新区的超软土地基为研究对象，通过开展电渗法和真空预压联合电渗法（以下简称"联合法"）加固超软土地基的室内试验，对比两种加固方法中土体孔隙水压力、土体沉降及强度的变化，分析两种加固方法的适用性与经济型，为现场的工程施工提供技术和数据支持。

1 试验概况

本试验土料为滨海新区某两个港口的流泥和浮泥，第一土料含水率为100豫耀150豫，第二土料含水率60豫耀70豫。试验前进行室内试验，测定两种土料的物理指标，如表1所示。

表1 加固前两种土料的土体特性Table 1 Parameter of two soil properties before consolidation

室内试验在长宽高分别为4.0 m伊1.5 m伊2.0 m的模型槽中进行。模型槽内上部为第一土料，厚度0.45 m，下部为第二土料，厚度1.1 m。

电渗法中选用硅整流器作为直流电源，正负电极为准=20 mm的钢管，电极入土深度1.2 m，电渗加固时，先通电17 d，间歇3 d，之后电极反转再加固6 d，总加固时间23 d。联合法采用的抽真空设备为SZ型水环式真空泵，电极入土深度为1.2 m，先进行真空预压，后开始电渗，加固时间为20~30 d。

2 试验结果分析

试验过程中对土体的孔隙水压力、地基沉降进行监测；加固结束后，对土体进行十字板试验，确定加固效果，电渗法中各测点布置见图1，联合法中各测点布置见图2。

图1 电渗法监测点布置Fig.1 Location of monitoring points of electro-osmotic method

图2 联合法中监测点布置Fig.2 Location of monitoring points of vacuum preloading-electro-osmotic method

图中C1~C4为间距0.4 m均匀布置的电极，C1、C3为阴极，C2、C4为阳极。测点分别布置在电极旁、异性电极间、同性电极间和四电极中心点位置。孔隙水压力测点用K表示，其中K1、K2、K5、K13测定1.1 m深度处的孔压，K3、K4、K11、K12、K14测定0.6 m深度处的孔压。沉降监测点标记为S。十字板测孔标记为V，每个十字板测孔均在0.7 m和1.1 m处作十字板强度测试。

2.1 土体加固过程中孔隙水压力的变化

选用GKB原4500渗压仪监测孔隙水压力，监测得到的地基土体孔隙水压力变化如图3所示。

图3 电渗法中孔隙水压力的变化Fig.3 Variation of pore water pressure in electro-osmotic method

由图3可知，土体的初始孔压与埋深成正比，埋深越大初始孔压越大，0.6 m深度处的初始孔隙水压力小于1.1 m深度处的孔隙水压力，其数值近似呈2倍关系。电渗法加固软土地基过程中，测得的孔隙水压力波动较小，说明产生的超孔隙水压力较小。

监测得到联合法加固超软土地基的过程中的孔隙水压力变化如图4所示。

图4 联合法中孔隙水压力的变化Fig.4 Variation of pore water pressure in vacuum preloading-electro-osmotic method

由图4可知，在联合法加固过程中土体产生的孔隙水压力值波动较大，先产生负的超孔隙水压力，当负孔压达到峰值后，再产生正的超孔隙水压力。

2.2 土体加固过程中沉降的变化

电渗法监测得到的地基土体沉降变化如图5所示。

由图5可知，各测点沉降的一致性较好，沉降速率前期较大，后期有所减缓。电极转换前，地基的沉降速率显著减小。电极转换后，地基的沉降速率显著小于前17 d的沉降速率，测得的地基平均沉降量为46.3 mm。

图5 电渗法中沉降量的变化Fig.5 Variation of settlement using electro-osmotic method

监测得到联合法加固超软土地基时，地基土体的沉降变化如图6所示。

图6 联合法中沉降量的变化Fig.6 Variation of settlement using vacuum preloadingelectro-osmotic method

由图6可知，沉降速率前期较大，后期有所减缓，联合法加固完成时的最终沉降量为149.6 mm，经推算电渗开始前土体的固结度为81.0豫。

2.3 现场原位十字板剪切试验强度分析

电渗法加固地基后各测点土体的强度如图7所示。

图7 十字板强度（电渗法）Fig.7 The vane shear strength(electro-osmotic method)

由图7可知，经电渗法加固后，超软土地基土体的十字板强度均有所提高，但相对电极的位置不同，土体的加固效果不同，加固后电极旁V1、V6测点的十字板强度平均值为9.21 kPa、异性电极间V7、V8测点的强度平均值为10.73 kPa、同性电极间V2、V5测点的强度平均值为7.52 kPa、四电极中心点V3、V4测点的强度平均值为8.42 kPa。由此可知，电渗法加固效果与土体相对电极的位置有关，并呈现不均匀性，异性电极间和电极旁土体的加固效果最显著，四电极中心点处加固效果次之，同性电极间土体的加固效果最弱。

联合法加固地基后各测点土体的强度如图8所示。

图8 十字板强度（联合法）Fig.8 The vane shear strength(vacuum preloadingelectro-osmotic method)

从图8可知，除同性电极间的十字板强度最低外（平均为19.84 kPa），其他位置的十字板强度均在26.78~33.4 kPa之间，表现较好的均匀性，说明联合法加固后，两同性电极的中点附近土体强度最低，其它位置较高。检测得到深度0.7 m和1.1 m处的十字板强度均表现较好的均匀性。

将两种方法测得不同深度处的土体强度及其平均值汇总于图9。

由图9可知，电渗法中土体的十字板强度平均值由4.46 kPa增长至7.77 kPa。联合法中土体的十字板强度平均值由6.08 kPa增长至29.55 kPa，土体强度的提高值是纯电渗法的7倍。由此可知，联合法的加固效果更明显，且加固效果更均匀。

图9 加固前后平均十字板强度Fig.9 The average vane shear strength before and after treating

2.4 用电量分析对比

根据试验过程中消耗的电流和电压，可以推算出地基加固所消耗的电能。

根据式（1），推算出采用电渗法和联合法加固超软土地基时，消耗的总电量、土体总体积和平均能耗量见表2。

表2 电渗法与联合法成本分析Table 2 Cost for both electro-osmotic method and vacuum preloading-electro-osmotic method

由表2可知，采用纯电渗法加固超软土地基的总耗电量为78.55 kW·h，平均能耗量为21.12 kW·h/m3；采用联合法加固超软土地基的总耗电量为157 kW·h，其中电渗耗电量为105 kW·h，抽真空耗电量为52 kW·h，平均能耗量为42.20 kW·h/m3，联合法耗电量是纯电渗法的2倍。

3 结语

本文通过开展纯电渗法和联合法加固超软土地基的室内试验，对比两种方法中土体孔隙水压力、沉降以及强度的变化，可得如下结论：

1）电渗法加固的地基土体，其孔隙水压力受土体深度的影响较大，联合法中其孔隙水压力受深度的影响较小；电渗法中产生的超孔隙水压力较小，联合法中产生的超孔隙水压力较大。

2）电渗法和联合法加固的地基土体，其沉降速率均表现为前期较大，后期减缓的变化趋势；电渗法中土体的最终沉降量为46.3 mm，联合法中为149.6 mm，经推算真空预压固结度达到81%时开始的电渗加固，联合法中土体固结更完全。

3）电渗法对表层土加固效果不明显，而联合法对表层土具有显著的加固效果；联合法加固效果更均匀，联合法的耗电量是电渗法的2倍，而土体强度的提高值却是电渗法的7倍。

4）电渗前对土体进行真空预压不但有利于电渗的顺利进行而且还会极大的提高土体的加固效果，起到事半功倍的效果。

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