曾芳金，符洪涛，王军，张乐

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州325035；3.上海大学土木工程系，上海200072）

成层软黏土电渗固结试验研究

曾芳金1，符洪涛1，王军2，张乐3

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州325035；3.上海大学土木工程系，上海200072）

吹填土是一种新近欠固结成层软黏土，由于前人对成层软黏土的电渗固结试验研究颇少，故文中展开了研究.在成层软黏土电渗模型试验装置下，对成层软黏土和三种单层软黏土进行4组试验，获得电渗过程中成层软黏土的电势、电流强度、排水量、含水率和抗剪强度的变化规律，并与单层软黏土进行对比分析，得出以下结论：①成层土的电势随着通电时间和至阴极距离变化起伏程度大于单层土样；②成层土的能耗系数平均值比单层土样的大；③成层土的电渗后抗剪强度提高量弱于单层土样；④成层土电渗后含水率下降量波动范围大.总的来说，成层软黏土电渗的相关参数受土层间的界面性质影响，从而探讨了成层软黏土的电渗固结性状.

成层软黏土；电渗；电流强度；电势；能耗系数；含水率；抗剪强度

0 引言

我国沿海地区经济发达、人口密集，但人均占地面积少，随着城市建设规模的不断扩大，土地需求量持续增加，使得土地资源的供求矛盾更为突出，现有的土地资源难以满足需求，在这种情况下人们提出了向海洋进军.围海造地和滩涂开发等技术用于城市建设和工业生产，为我国沿海地区缓解土地资源紧张形势和利用沿海丰富的海涂资源提供了有效的途径，通过人工吹填海涂淤泥进行围海造地是解决土地资源紧缺最为有效的方式，然而水力吹填形成的一种新近欠固结成层软黏土，它具有高含水量、高压缩性、高孔隙比、结构性极差、抗剪强度和承载力极低等不利的工程特性，因此在工程建设之前必须进行适当的处理.

电渗法能在继承传统的排水固结法的基础上有所改进，相对来说是一种最有效的地基处理方法.电渗法是将金属电极插入土中，并施加直流电，使得土中水从阳极向阴极移动并排出，从而降低土中含水率，提高固结度的一种地基处理方法.电渗法的历史可以追溯到1809年，俄国学者Reuss发现粘土表面存在电渗现象，从而激起了各国学者将电渗应用到土体加固的研究热情.Casagrande[1]首次将电渗技术运用具体工程中；Esrig[2]在太沙基单向固结理论基础上，通过水头差和电势差产生水流可以叠加等假设，建立一维电渗固结理论，用以描述超孔隙水压力的消散过程，并用试验数据进行了验证；Wan和Mitchell[3]发展了Esrig的一维电渗固结理论，提出了堆载和电渗固结耦合应用的理论模型和并证明了工法耦合和电极转换的有效性.同时，国内的汪闻韶[4]总结了直流电在土体的物理化学作用，研究了电渗对土体物理力学特性的影响，指出了电渗在岩土工程中的应用价值；曾国熙和高有潮[5]对软土电渗排水和电化学加固进行试验研究，量测了电压、排水量和土体强度的变化；王协群等[6]采用电渗排水法加固湖相软黏土进行了试验研究；胡俞晨[7]对电动土工合成材料的应用问题进行了研究，得出电动土工合成材料可以作为电渗电极的优良材料，然而，电动合成材料的导电性和强度特性要求难以同时得到满足，目前仍处于研究试验阶段；李瑛、焦丹等[8-12]进行了一系列电渗试验研究，探讨了电渗法排水固结的有效性；房营光等[13]应用真空预压联合电渗法对碱渣土进行了室内模型实验研究.

上述的试验研究建立在同一均质软黏土的基础之上，对成层软黏土进行系统的电渗研究甚少.现场情况表明，海涂淤泥吹填过后的滩涂上沉积着不同性状的土样，高含水率土样覆盖在低含水率土样之上.据此文中采用三种不同土样模拟成层海相软黏土进行室内模型电渗试验并研究，通过测定电流强度、电势、排水量、含水率、抗剪强度与单层软黏土的进行比较，探讨成层软黏土的电渗固结性状，对工程实际与现场应用有一定的指导意义.

1 试验准备工作

1.1 材料制备

温州龙湾沿海垦区吹填场是本试验的取样处，吹填土属高含水率的软黏土，该土体天然状态下各项基本物理参数指标见下表1，试验是采用原状土配制而成的重塑土样，制作过程是将天然吹填土置于烘箱烘干后、然后碾磨和筛分得到干燥粉末，加适量的水、砂粒、粉粒调匀，经抽气饱和后静置24 h.分别配制三种不同性质的土样，经测定各项物理参数见表2.

表1 天然状态下软黏土的基本物理参数

表2 重塑软黏土的基本物理参数

1.2 试样装置

改制的成层软黏土电渗模型试验装置见图1，试验装置主要由三部分构成，分别是模型箱（左边）、GW SPD-3606型稳压直流电源（中间）、VC890D万用表（右边）.模型箱是由无色透明的有机玻璃制作而成，其尺寸为260mm×100mm×100mm，该模型箱由中间的试样盒和两侧的排水盒构成，试样盒的尺寸为200 mm×100 mm×100 mm，排水盒的尺寸为30 mm×100 mm×100 mm.试样盒的两端需布置金属电极，厚度为5 mm，其中一端的金属电极（阴极）上设有供排水的孔洞，在电渗前，需将土工布或纱网润湿并包裹于阴极电极，防止排水拥堵孔洞.试样盒与排水盒的分界板下部留有切口，排水盒的底部留有直径为5 mm的孔洞，以便于将电渗排出的水用量筒收集并量测.稳压直流电源的显示屏上可现实电压与电流强度，万用表主要是测量土体中各点的电势.

图1 成层软黏土电渗模型试验装置

1.3 试验步骤

试验共分4组，分别为成层土试验①、第一种土试验②、第二种土试验③、第三种土试验④电渗试验，试验采用三种不同土样模拟沿海成层软黏土（下文将成层软黏土简称为成层土）.

在将配制好的试样静置24小时后，测量其初始含水量和抗剪强度.首先，在试样盒的两侧插入阴极和阳极电板，并事先将润湿的土工布或纱网包裹于阴极电板上，然后将配置好的重塑土分层装填于试样盒内，并分层压实使得土样均匀密实.最后在土样上插入深度为70 mm的测针，按照原先设想的电路图利用导线连接电源与电板.

在稳压直流电源上设置10 V电压开始电渗排水.在电渗过程中，定时监测并记录电流强度、排水量、电势.待电渗完毕后，立刻测量抗剪强度，其抗剪强度是通过微型十字板剪切仪（图2）测试的.再于规定测量点上取样后，将其放置于烘箱内，在标准时间内取出，测量出含水率.

图2 微型十字板剪切仪

1.4 试验说明

成层土的装填方式：至阴极距离60 mm内分层装填第三种土（NO.3）样压实，至阴极距离60～120 mm内分层装填第二种土样（NO.2）压实,至阴极距离120～180 mm内分层装填第一种土样（NO.1）压实.

阴极和阳极之间的距离为190 mm.电势测针（V1～V7）和电渗后含水量取样点和抗剪强度测点（W1～W5）在电极之间的位置如图3所示，电势测针的插入深度为70 mm.电流强度、电势和排水量的记录间隔为2 h，待土体的排水量和沉降量不再发生变化时结束试验.

图3 电势测针位置、含水量取样点和抗剪强度测试点平面分布示意图

2 试验数据分析及讨论

2.1 排水量及能耗系数

不同土样的电渗作用下排水量、电流强度、电阻、能耗系数变化曲线见图4.由图4（a）可知，不同土样随着通电时间的持续的变化趋势大体一致，皆表现为：在初始阶段，排水量和通电时间之间呈现良好的线性关系，即电渗排水速率基本保持不变；在发展阶段，直线逐渐变成曲线，说明电渗排水速率越来越小.排水量和通电时间之间的关系曲线由排水速率保持不变的线性阶段逐渐进入排水速率逐渐减小的曲线阶段.在最后阶段，基本上不排水，即排水速率等于零.另外，图中还表明，在相同电压下，含水率高的土样在相等的通电时间内排水量大，原因是高含水率的土样水份含量高；成层土的排水量变化曲线穿梭于三种土样之间，原因是根据M.I.Esrig[2]一维固结固结理论，排水量变化主要由电渗透系数所决定的，成层土是由其它三种土样构成的，成层土的渗透性取决于三种土样的平均水平所造成的.

由图4（b）可知，电流强度随通电时间持续变化分两个阶段，第一个阶段，电流强度随着通电时间的持续而呈现出微增长的趋势，原因是在电场力作用下土体中的正、负离子分别向阴极和阳极移动，使得土体中的电荷发生重分布，正、负电荷分别在靠近阴、阳两极的区域中累积，在累积的过程中，弱化土体了电阻的影响，这种现象庄艳锋等[14]曾做过类似的解释.第二个阶段，电流强度随着通电时间的持续而不断降低，主要原因是电极与土体接触面的界面电阻不断增大的结果.相应的土体电阻随通电时间的变化趋势见图4（c）.

为研究电渗的效率，从焦丹、龚晓南等[12]论文中引进了一个参数——能耗系数，即排水单位体积水所消耗的电能：

式中：U为电源电压（V）；It1t2为t1到t2时间内土体中的平均电流(A)；t1，t2均为通电时刻（h）；Vt1、Vt2分别为土体在t1，t2时刻排出水的累计体积(ml).

电渗过程中能耗系数的变化曲线见图4（d）,在刚开始5 h之内，土样电渗的能耗系数变化不是很大，接下来能耗系数随着时间的推移在不断增大，主要原因是刚开始土体中的自由水不断被排出，在电场力的继续作用下，土样中的弱结合水才逐渐被驱出，弱结合水是受到土颗粒的吸附作用而被破坏，则需要消耗更多的能量，故能耗系数不断攀升.后期的能耗系数过大时，继续电渗排水就不经济了.另外，从图4（d）中还可以看出，成层土的平均能耗系数要比其它三种土样的要大，根据分析可知，水流在土层界面间进出交换需消耗更多能量，致使成层土在整个通电时间内单位体积所消耗的能量偏大.

图4 不同土样的电渗作用下相关参数的变化曲线

2.2 电势变化分析

图5显示了在试验①、②、③、④中不同土样沿试样长度方向上不同通电时间后的电势变化趋势.除了在两极附近发生明显的跃变，试样中电势的变化趋势是线性分布的，这与M.I.Esrig[2]一维电渗固结理论中所假设的电势分布是基本吻合的.从图5中，可以看出电势伴随着至阴极的距离增大而增大，各点的电势随着通电时间的持续而逐渐降低，还有中间线性段的斜率随着时间的推移而逐渐减小，两端的电势降也随着时间的增加而增加，但阳极附近的电势降较快于阴极附近，原因是阳极附近的水在不断被排出，导致阳极与土体渐渐剥离，使得土体的界面电阻增大.为了更形象地描述土体两侧的电势降的变化趋势，认为两极附近明显的跃变损失于界面电阻上，就如同本试验在10 V电压下，对土体产生固结作用的电势差降等效于测针1附近到测针7附近之间的电势差.故定义电势降的有效电势与电源电压的比值称之为有效电势占有率，故试验①、②、③、④的有有效电势占有率分别为27.2%～80.9%、49.4%～85%、49.9%～86.6%、65.2%～85.8%，表明成层土的有效电势占有率比其它三种土样的要低，通过分析可知，成层土在电渗作用下，由于成层土成层性和裂隙性构造的影响使得电势随时间的变化有所不同，不同土样存在不同的水力渗透系数，从而导致不同的排水速率，不同排水速率的土层间的进出交换会影响有效电势的利用.

图5 不同土样电渗作用下电势的变化曲线

2.3 抗剪强度变化分析

电渗作用下排水固结的最终目的是提高土体的抗剪强度，以满足工程应用的需要，所以抗剪强度是衡量电渗效果的另一重要指标.试验利用微型十字板剪切仪对电渗前后的抗剪强度进行定点测试，每种土样在试验前测试初始抗剪强度，待试验结束后至阴极距离不等分三层测试抗剪强度值，其具体位置分别：水平至阴极3 cm、6 cm、9 cm、12 cm、15 cm，高度至底面2 cm、5 cm、8cm处十五个点.

不同土样的电渗作用下抗剪强度变化曲线见图6，试验给出了电渗前后的抗剪强度值，便于土样和土样间的对比分析，成层土电渗后的抗剪强度比电渗前的提高了0.93～3.08倍，第一种土电渗后的抗剪强度比电渗前的提高了2.5～4.49倍，第二种土电渗后的抗剪强度比电渗前的提高了0.8～5.22倍，第三种土电渗后的抗剪强度比电渗前的提高了0.78～7.57倍，足以说明电渗对土体加固有着明显效果.同时各种土样电渗前后表现出了同一规律：至阳极距离越近，抗剪强度越高，那是因为在电场力作用下水分从阳极向阴极移动，阳极的排水速率大于阴极的排水速率的缘故.此外，还表明成层土的电渗效果弱于其它三种土样，土层界面间抗剪强度变化明显，原因是在电渗排水固结的过程中，成层土的成层性构造影响了排水通道的顺畅，以致于水分在土样中堆积.

2.4 含水率变化分析

图6 不同土样电渗作用下抗剪强度的变化曲线

土样中的水在电渗作用下不断从阳极向阴极移动是由直流电的单方向所决定的，所以导致在电渗结束后，阳极附近土体的含水率低，阴极附近土体的含水率高；因试样盒靠近集水箱的两侧底部留有切口，水分受电场力和重力作用向下运移至集水箱内，故土体底层含水率大于顶层含水率，不同土样电渗作用下含水率的变化曲线均有所体现，详见图7.图中含水率取样点同于剪切强度的测量点.成层土电渗后含水率下降量为0.6%～20.2%,第一种土电渗后含水率下降量为6.4%～16.9%，第二种土电渗后含水率下降量为4.8%～18%，第三种土电渗后含水率下降量为8.5%～18.5%，从中可以看出，成层土电渗后含水率下降量幅值很大，分析可得：成层土在电渗过程中，由于土层间界面两侧土体性质不同，存在着不同的物理构造和初始含水率，水流在负超静孔隙水压力的拖拽下存在截流现象，致使含水率在土体中分布极度不均.

3 结论

文中针对成层土进行室内电渗试验研究，通过4组试验结果的比较分析，得出如下结论：

（1）不同土层存在不同的水力渗透系数，从而导致不同的排水速率，不同排水速率的土层间进出水流交换会影响有效电势的利用.所以成层土在电渗作用下，电势随着通电时间和至阴极距离变化起伏程度大于单层土样，即成层土的有效电势占有率低于其它三种土样.

（2）水流在不同土层间的进出交换，需要消耗更多能量，故成层土的能耗系数平均值比其它三种土样的大.

（3）电渗排水固结的过程中，成层土的成层性构造影响了排水通道的顺畅，以致于水分在土样中堆积，造成成层土的电渗后抗剪强度提高量弱于其它三种土样.

（4）成层土电渗后含水率下降量波动范围很大，主要是成层土层理性和初始含水量差异性引起的.

文中是从最基础的角度对成层软黏土的基本物理性质和力学指标进行了研究，并获得有价值的变化规律，对实际工程和现场应用有一定的指导作用.然而现场成层软黏土地基的条件是错综复杂的，与室内试验的条件存在一定偏差，有待于今后通过成层土现场电渗试验进一步加强并不断完善.

图7 不同土样电渗作用下含水率的变化曲线

[1]Casagrand L.Electroosmosis in soils[J].Geotechnique，1949，1(3)：159-177.

[2]Esrig M I.Pore pressure,consolidation and electrokinetic[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1968，94(4)：899-922.

[3]Wan T Y，Mitchell J K.Electro-osmotic consolidation of soils[J].Journal of the Geotechnical Engineering Division，1976，102(5)：473-491.

[4]汪闻韶.土工问题论文选集[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[5]曾国熙，高有潮.软黏土的电化学加固(初步试验结果)[J].浙江大学学报：工学版，1956(2)：12-35.

[6]王协群，邹维列.电渗排水法加固湖相软黏土的试验研究[J].武汉理工大学学报，2007，29(2)：95-99.

[7]胡俞晨，王钊，庄艳峰.电动土工合成材料加固软土地基实验研究[J].岩土工程学报，2005，27(5)：582-586.

[8]李瑛,龚晓南,张雪婵.电压对一维电渗排水影响的试验研究[J].岩土力学，2011，32(3)：709-714.

[9]李瑛,龚晓南,焦丹,等.软黏土二维电渗固结性状的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(增2)：4034-4039.

[10]李瑛，龚晓南.软粘土地基电渗加固的设计方法研究[J].岩土工程学报，2011，33(6)：955-959.

[11]李瑛，龚晓南.含盐量对软粘土电渗排水影响的试验研究[J].岩土工程学报，2011，33(8)：1254-1259.

[12]焦丹，龚晓南，李瑛.电渗法加固软土地基试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(增1)：3208-3216.

[13]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.

[14]庄艳峰，王钊.电渗的电荷累积理论[J].岩土力学，2005，26(4)：629-632.

Experimentalstudyonelectro-osmoticconsolidationoflayeredsoftclay

ZENG Fang-jin1,FU Hong-tao1,WANG Jun2,ZHANG Le3

（1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Architecture and Civil Engineering College,Wenzhou University,Wenzhou 325035,China;3.Civil Engineering College,Shanghai University,Shanghai 200072,China）

Dredger fill is a typical less consolidated soil.The study is carried out on lectro-osmotic consolidation of layered soft clay that was seldom studied in the past.On the electro-osmosis model experimental apparatus of layered soft clay,layered soft clay and three types of single soft clay are tested by 4 groups.Electric current intensity，electric potential，drainage，shear strengths and moisture content are obtained in the layered soft clay electro-osmotic process,and analyzed and compared with single soft clay.Then conclusions are drawn as following：①Accompanying with the time of the power-on and the distance form cathode,electric potential changes and fluctuations of layered soft clay are greater than single-layer soil sample;②The energy consumption coefficient average value of layered soft clay is greater than single-layer soil samples;③The end of electro-osmosis shear strength increased volume of layered soft clay is weaker than single-layer soil samples;④After layered soft clay is energized,the fluctuation of moisture content decrease is of wide range.In general,the electro-osmotic relevant parameters of layered soft clay are affected by interfacial properties.The electro-osmotic consolidation behavior of layered soft clay is explored.

layered soft clay；electro-osmosis；current intensity；electric potential；coefficient of energy consumption;moisture content;shear strength

TU442

A

2012-05-30

浙江省科技攻关项目(2010C33182)

曾芳金(1965-)，男，博士，教授，主要从事地基处理等方面的研究，E-mail：zfj-hf@163.com.

2095-3046（2012）03-0014-07