電滲法在軟土路基處理中的應用

王志勇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

電滲法是指在軟土地基中插入陰陽電極并施加低壓直流電,通過產生電動及電蝕等效應,提高軟土地基強度的一種軟土加固方法。

電滲法具有加固速率快、效果明顯及對周圍環境污染少等優點。1939年德國卡薩格蘭德首次將電滲法應用于薩爾茲告脫鐵路路基的開挖工程中[1]；在20世紀60～70年代,電滲法在理論和實踐上都得到了長足的發展,其處理效果的長久性也在工程實踐中得以證明[2]。近年來,電滲法在建筑物、構筑物基礎施工中使用廣泛,并取得了良好的加固效果,而在軟土路基中該方案使用較少。針對這種情況,通過對廣州地區某電滲法處理軟土路基的試驗段施工實例,總結了電滲的設計參數、施工經驗,以及地下水、電流與電極間距關系和電極電蝕情況,為該法在軟基加固處理中的推廣運用積累實踐經驗。

1 電滲加固軟土的機理

電滲法在地基中插入金屬電極并通以直流電,在直流電場作用下,土中水將從陽極流向陰極形成電滲[3]。采用不讓水在陽極補充而從陰極的井點用真空抽水的方式,使地下水位降低,土中含水量減少,從而使地基得到固結壓密,強度提高。

電滲法產生電動及電蝕等效應。電動效應主要表現為電滲及電泳。電滲作用表現為：帶正離子的極性水分子在直流電的作用下,由陽極附近移向陰極,通過陰極管排水加快軟土固結速率；電泳指帶有負電荷的土粒,在電場作用下移向陽極,在陽極附近沉積,從而使陽極附近的土體加密,土體的強度增加[4](如圖1所示)。

圖1 電滲設計剖面

電蝕效應是指帶Fe3+的陽極在電流的作用下發生電解,形成難溶性沉積物,加密了周圍的土體,強度增加[4]。

2 設計參數

(1)電極采用 φ22 mm鋼筋作為陽極,φ48 mm鋼花管作為陰極,鋼筋(鋼花管)長均為10 m。

(2)陰(陽)極通過用 φ22 mm鋼筋連接通電；電極橫向間距2～3 m,縱向間距4 m(如圖2)。

(3)采用可控硅整流器作為電極電源,陰陽電極之間恒定工作電壓為38 V；每天電滲10 h,并同時抽水。

(4)沿陰極布設抽水管,射流泵與抽水管連接將水抽出。

圖2 電極埋設平面布置(單位：m)

3 施工工藝及安全控制

3.1 施工工藝

(1)利用袋裝砂井施工機械埋設電極。機架高度為導管長度2倍,當導管下沉到設計深度后,將振動錘轉離管口,將電極放入后振動錘復位。拔出導管時電極留在地下。每根電極露出地面10 cm,以搭接電源。

(2)每排電極用 φ22 mm鋼筋焊接起來,接電線連通電源。

(3)沿陰極(鋼花管)布設排水管,將抽水管插入陰極管內,連接射流泵將水抽出。

(4)采用可以保證恒壓的可控硅整流器作為電源。

(5)施工過程中,對整個電滲加固的地下水位變化情況進行監測,并安裝水表以記錄排水情況。

(6)施工過程中每隔7～10 d進行一次靜力觸探試驗。

(7)停止電滲后再填砂載入預壓。

3.2 安全控制

電滲施工時整個場地遍布電流,而施工現場人員、機械較多,安全工作顯得尤其重要。根據本項目實踐經驗,電滲安全施工主要控制以下幾點：

(1)正常情況下,安全電壓為36 V,工程實際的穩定電壓為38 V,在地基土體中形成的電流強度僅為3 A左右。綜合考慮加固效果,電壓強度尚需提高。因此,當電滲時施工人員需要進入電滲施工場地時,務必穿防電膠鞋。

(2)電滲需要穩定的直流電壓,一般都需要變壓設備將電壓較高的交流電轉換為低壓直流電,在選用變壓設備時,必須把好質量關。同時,在操作時,必須避免出現轉換電壓超出設計電壓的情況,以防觸電。

(3)電滲排水措施必須完善,將電滲水排出場地以外,避免增加場地的潮濕性。

(4)施工期間碰到雨水天氣,在電滲電壓大于24 V的情況下,停止電滲施工；在電壓小于24 V的情況下,可根據供電、變壓設備的具體情況確定是否需要停止施工。

(5)在施工場地外圍設置安全警示線、警示牌,避免閑雜人員進入。

4 電滲加固對地下水的影響

為掌握電滲過程中整個電滲區地下水位的變化情況和了解電滲對地下水位的影響,進而分析電滲對地基土層滲透性的增加效應,在電滲區共布置了8個水位孔(如圖3所示),每個水位孔的深度為7 m。

圖3 電滲區水位孔布置平面(單位：m)

根據監測結果,電滲抽水約2 h后,整個電滲區域的地下水位有不同程度下降(如圖4所示),其中路基中間位置下降的幅度最大,可達2 m左右。繼續抽水過程中,隨著水位的下降,電滲區與四圍的水頭差逐漸增大,當抽水與來自四圍的補給達到一個動態平衡后,電滲區的地下水位就基本保持不變。此時的地下水位線形成了一種盆狀曲線。

圖4反映出路基右邊地下水位下降的幅度相對左邊要大。據分析,左半幅地層的軟土層中細砂層較右半幅厚,同一斷面左半幅滲透系數高,地下水補給快,因此,右半幅地下水位下降的幅度相對就大一些。

圖4 電滲抽水前后水位變化曲線

從電滲的加固機理可知,電滲的加固作用主要表現在兩個方面：一是增加地基軟土層的滲透性,提高孔隙水的排出速率,從而達到壓密軟土層,增加其強度的作用；二是通過一系列化學作用,在土體孔隙內產生新的化合物,從而達到提高軟土層力學性質的加固目的。假設電滲過程中,土體的滲透性有所增加,則在抽水及停止抽水過程中,其水位的下降及上升情況將和不電滲時有所區別。針對這一想法,選擇相鄰兩日的相同時間分別測試了電滲或不電滲時,抽水過程中或停止抽水過程中地下水位的變化情況。測試結果見表1。

表1 抽水/不抽水過程中電滲區水位變化

據表1,對比電滲與不電滲兩種狀況下地下水位的變化情況,可以發現除個別水位孔存在較小的誤差外,電滲時水位下降速率較小,平均比不電滲時小9.1 cm/h,電滲時水位上升速率較快,平均比不電滲時快8.6 cm/h。這表明,電滲可以加速地基土層的排水速率,可使土體的滲透系數大幅增加。

5 電流與電極間距關系

電滲成功與否,其中最主要的一點就是能否在軟土層中形成有效的電流。這取決于電極的布設參數、電壓的大小。為了研究電流與電極間距、電壓的相互關系,項目單獨打設了三根電極,中間為陽極管,兩側為陰極鋼管,間距分別為1 m、2 m。其試驗結果見表2。

表2 不同情況下電極之間電流變化一覽

由表2可知,電極之間的電流隨電壓的增加成正比例增長,隨著間距的增大而減小,并且電壓越大,間距對電流的影響也越大。此外,相同電壓條件下,1 m和2 m的電流強度相差較大,而2 m和3 m的電流強度相差很小,這主要是由于3 m間距時兩根電極均為陰極鋼管,其截面面積(直徑4.8 cm)大于陽極鋼筋的截面面積(直徑2.2 cm),也就是說,電極面積越大,電極之間的電流也越大。因此,在設計電滲加固方案時,就要充分考慮電極間距、截面大小與電壓的大小。電壓越大,間距越小,截面面積越大,電流也越大。但總體來說,電壓的影響要大于間距及截面面積的影響。

孔隙水的排出伴隨著土體的沉降,因此電壓值的提高,也使得土體沉降量相應增加[5]。

6 電極電蝕情況

40 d的電滲期后,在電滲區不同位置拔出幾根陽極鋼筋,觀察其電蝕情況。結果顯示：1 m間距的陽極鋼筋由于兩側陰極距離較近,電蝕程度最大,電蝕厚度約為3mm；2 m間距的陽極鋼筋稍有電蝕,電蝕厚度約為1 mm；3 m間距的陰極鋼筋電蝕程度很低。由此可見,陰陽極距離越近,電蝕程度就越高。因此,對于類似本工程地質條件的軟基,建議電滲電極間距取1～1.5 m比較合理。

7 電滲加固產生的沉降變化

經過電滲40 d后,電滲區開始填砂,累計填砂厚度為1.94 m,平均填砂速率為0.11 m/d。填砂后,采用1 m的填砂荷載加載。在整個加載及預壓期間,一直進行路基穩定性監測。

電滲區每施加一級荷載,表面沉降速率都有明顯的增大,并且在隨后的兩三天內迅速減小。在快速加載期間,最大沉降速率達到了15 cm/d,對應的填砂厚度為194 cm。此外,經過4個月的超載預壓,本區的沉降已經進入穩定狀態,平均總沉降量為23.9 cm。而相鄰填砂4.0 m厚的袋裝砂井區經過5個多月的預壓期,其平均總沉降量僅為19.0 cm。在地質條件差不多的情況下,這個監測結果似乎和前面得到的電滲后軟土強度有明顯提高的結論相違背,但經過仔細分析,認為造成電滲區在堆載后沉降相對較大的原因可以從以下三個方面去解釋。

第一,雖然總體上本段的地質條件比較穩定,但軟土層內交互沉積的許多微薄粉砂層的存在影響土層的固結強度[6]。因此,本段沉降大于袋裝砂井區,軟土力學指標的變化是其中一個原因。

第二,電滲期間,軟土中的部分孔隙水在電流的作用下排出,可能在土體中形成非飽和的孔隙,在沒有外界荷載作用的情況下,孔隙水排出后形成的孔隙很難閉合,電滲期間軟土層的壓縮變形很小。在施加填砂荷載后,軟土層的非飽和孔隙在附加應力的作用下迅速縮小,導致表面沉降增加。

第三,電滲可能與真空預壓具有類似的特點,可以主動排水,固結速率加快。但是,單獨應用時加快沉降的效果不顯著,與堆載聯合應用時加快沉降的效果較好[7]。

8 結論與建議

電滲加固方案得到了一些有益的探索,并根據本次設計、施工經驗,提出幾點具有借鑒意義的建議：

(1)電滲時地下水位普遍下降1.5～2.5 m,路基中間下降較多。抽水時,電滲狀況下水位變化與不電滲狀況下水位變化相差較明顯。電滲可以加速地基土層的排水速率,可使土體的滲透系數大幅增加。

(2)電流密度隨電壓增加而增大,隨電極間距增大而減小；電極直徑越大,電流密度越大[8]。

(3)經過電滲加固后,軟土強度提高具有較明顯的空間效應：越靠近陽極的位置,軟土力學性質增幅越大。電極間距距離越小,軟土強度增幅越大[9]。對于類似本工程地質條件的軟基,電滲電極間距取1～1.5 m比較合理。

(4)電滲后,土體強度和地基承載提高,路基填土(砂)可采用快速施工法。電滲可以加速沉降,但是不能減小沉降量。

(5)電滲屬于主動排水,堆載聯合應用可取得更好的加固效果。

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[6]鐵四院一處,科研所.深厚層軟土路堤控制后期沉降加固方法的研究[C]∥軟土地基試驗研究文集.武漢：中國地質大學出版社,2001：313-343

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