電滲作用下軟土細觀孔隙結(jié)構(gòu)

(1.浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023；2.浙江大學(xué) a.軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室；b.濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058)

經(jīng)濟的飛速發(fā)展使得土地資源短缺日趨嚴重，圍海造陸工程因此得以蓬勃發(fā)展，但由此產(chǎn)生大量吹填土或疏浚土堆積形成軟土地基亟需有效處理。傳統(tǒng)地基處理方法，如堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓，受限于軟土的水力滲透系數(shù)，往往難以達到預(yù)期目標，所以，尋求有效的新工藝或新方法對于圍海造陸工程的順利開展具有重大意義。電滲法通過在插入土體的電極上通電，加速土體排水固結(jié)，被認為是處理高含水量、低滲透性軟土地基很有效的方法[1-4]。研究電滲法對吹填土或疏浚土等軟土的加固作用成為熱點之一[5-7]。

綜上，研究電滲過程中土體孔隙結(jié)構(gòu)變化是從細觀尺度上對土體變形機制和加固機理的揭示，已有文獻在這方面少有報道。因此，本文采用杭州軟土開展室內(nèi)電滲試驗和細觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗，監(jiān)測了電滲中土體孔隙結(jié)構(gòu)分布特征和含水量變化，研究電滲作用下軟土細觀結(jié)構(gòu)變化，探索土體細觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)的關(guān)聯(lián)機制，目的是基于細觀孔隙結(jié)構(gòu)揭示電滲法對軟土的加固機理。

1 電滲試驗

1.1 試驗設(shè)計

為了實現(xiàn)試驗結(jié)果的互為佐證，分別采用鐵和銅電極開展兩組電滲試驗(記為T1和T2)。試驗土取自杭州市董家路一基坑工程，其基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。將所取土樣與水拌合形成飽和重塑土樣來模擬疏浚土。參考已有文獻[1-7]中的數(shù)據(jù)，設(shè)置試驗參數(shù)為：T1和T2試驗土體初始含水量分別為99.7%和99.2%,電源電壓30 V，相應(yīng)的電勢梯度為1.58 V/cm,通電到29 h時，排水量已連續(xù)5 h低于總排水量的5%，故設(shè)置通電時間29 h。試驗后分別在離陽極板、陰極板5 cm處取土，作為含水量監(jiān)測和細觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗試樣。

表1 原狀土的基本物理指標Table1 Physical parameters of original soil in this research

1.2 試驗設(shè)備

試驗主體設(shè)備如圖1所示，主要由試驗?zāi)Ｐ拖?、直流電源、電線等組成。模型箱(圖1)為一有機玻璃箱，外邊緣尺寸為230 mm×110 mm×105 mm，由主槽和輔槽組成：主槽用來裝載試驗土體，內(nèi)部尺寸為190 mm×100 mm×100 mm；輔槽用來收集試驗排出的水，其下設(shè)有一小孔，在小孔下放一燒杯，試驗時匯聚到小槽的水會通過小孔流到燒杯中而排出。試驗采用板狀電極，其尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，陰極板上均勻打設(shè)若干直徑5 mm的小孔以利于排水。試驗采用GW SPD—3606型電源提供穩(wěn)壓直流電。

圖1 電滲裝置示意圖Fig.1 The device diagram for

關(guān)于電滲中土體細觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)變化，前者通過土體孔隙結(jié)構(gòu)體現(xiàn)，后者通過含水量體現(xiàn)。土體細觀孔隙結(jié)構(gòu)通過細觀結(jié)構(gòu)試驗監(jiān)測，需要用到的設(shè)備軟件有：日立S-3500N掃描電子顯微鏡、孔隙分析軟件(PCAS)。土壤含水量測試遵照《土工試驗教程》(SL 237—1999)，需要用到的試驗設(shè)備有：土樣盒、烘箱、電子天平。

1.3 試驗步驟

電滲試驗步驟為：1)取適量原狀土和水，用電動攪拌機充分攪拌均勻，制成重塑土樣，靜置一晝夜后測量重塑土樣含水量；2)連接導(dǎo)線、電源和電極，在陰極包裹土工布，潤濕電極后放入試驗箱兩端；3)分層裝填土樣，并在出水口放置燒杯以盛裝排水；4)調(diào)節(jié)電源輸出到所需電壓，接通電路，開始試驗；5)通電29 h，停止試驗，斷開電源，停止試驗；6)對試驗后土體取樣進行含水量監(jiān)測和細觀結(jié)構(gòu)試驗；7)試驗結(jié)束，拆除裝置。

2 土體細觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗

2.1 試驗原理

細觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗由電鏡掃描和孔隙分析兩部分構(gòu)成。首先，利用掃描電鏡監(jiān)測土體孔隙結(jié)構(gòu)得到孔隙結(jié)構(gòu)放大SEM圖像，然后，采用孔隙分析軟件對孔隙形態(tài)進行定性和定量分析，得到孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，用于土壤細觀結(jié)構(gòu)分析比較。其中，孔隙分析采用劉春等[13]開發(fā)的PCAS軟件，該軟件采用細觀定量測試技術(shù)，利用分形幾何學(xué)有關(guān)理論對土體孔隙結(jié)構(gòu)進行定量分析，其實用性已得到眾多文獻[8-10,14-15]的驗證。

2.2 試樣制備

試驗前取重塑土、試驗后分別在各試驗距陽極和陰極板5 cm處取土開展電鏡掃描試驗。由于T1和T2試驗采用同一批重塑土，土樣含水量相差僅為0.5%，可視為相同土樣，故試驗僅對T1試驗前重塑土取樣開展孔隙結(jié)構(gòu)監(jiān)測。

取樣時，用超薄刀片小心切取試樣，逐漸切削土樣制成5 mm×5 mm×10 mm(高度×寬度×長度)的樣品，放入鋁盒內(nèi)并加入液氮在-190 ℃下冷凍，在液氮揮發(fā)完之前將土樣移入真空干燥儀內(nèi)，在-44 ℃下進行抽真空干燥24 h，直接升華土中非結(jié)晶冰。凍干后，小心將土樣掰斷，盡量保持斷面平整，并作為電鏡掃描的觀察面。

2.3 電鏡掃描

對制備好的試樣觀察面進行噴金鍍膜，以增強其導(dǎo)電性、方便掃描；然后將試樣放在掃描電鏡觀察臺上，先在500倍的較低放大倍數(shù)下觀察，選取合適區(qū)域；再提高放大倍數(shù)至適合值，得到代表性SEM圖像，作為孔隙結(jié)構(gòu)分析對象。

2.4 定量分析

采用PCAS軟件對SEM圖像進行二值化和矢量化分析，以實現(xiàn)對土體孔隙結(jié)構(gòu)的定量評價。特別指出，軟件參數(shù)輸入對分析結(jié)果具有較大影響，試驗通過統(tǒng)一輸入?yún)?shù)控制各試驗分析過程。具體定量評價過程主要從3個方面展開：

1)對結(jié)構(gòu)單元體或孔隙尺度及其分布特征的評價，如結(jié)構(gòu)單元體或孔隙面積、周長、粒徑、孔徑、表觀孔隙比及基于分形理論得到的孔隙度分維值等。

2)對結(jié)構(gòu)單元體或孔隙排列特征的定量評價，如方向角、定向角、定向頻率、概率熵及定向分維數(shù)。

3)對結(jié)構(gòu)單元體或孔隙形態(tài)特征的定量評價，如圓形度、各項異性率、形狀系數(shù)及孔隙形態(tài)分形維數(shù)等。

針對以上3個方面，將分別采用表觀孔隙比、平均孔隙面積、概率熵和孔隙形態(tài)分形維數(shù)4個典型指標，以研究土體孔隙大小變化、孔隙結(jié)構(gòu)的有序性以及孔隙形態(tài)變化情況，實現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)的定量分析。表2給出了各指標的定義。

表2 土體細觀結(jié)構(gòu)定量評價指標Table 2 Quantitative evaluation indices for the soil mesostructure

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)定性分析

圖2 SEM圖像Fig. 2 Schematic diagram of the SEM

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)定量分析

通過電鏡掃描得到T1試驗前重塑土樣、T1和T2試驗后陽極和陰極處土樣SEM圖像，采用PCAS軟件對SEM圖像進行二值化和矢量化處理，分析得到電滲前后土體表觀孔隙比、平均孔隙面積、孔隙形態(tài)分維數(shù)和孔隙概率熵，分別繪于圖3～圖6中，以便更直觀地比較分析。

圖3和圖4顯示，表觀孔隙比和平均孔隙面積呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律，即電滲后土體表觀孔隙比和平均孔隙面積較重塑土樣低，且各試驗陰極土體數(shù)值比陽極土體要高；電滲過程中，土體表觀孔隙比和平均孔隙面積均會降低，陽極處土體的降低幅度更為明顯。圖5表明，電滲土體孔隙形態(tài)分維數(shù)較重塑土小，說明經(jīng)電滲處理后，土體孔隙的空間形態(tài)有變光滑的趨勢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性減弱。圖6中電滲土樣與重塑土樣孔隙概率熵相近，可見，電滲作用對土體孔隙結(jié)構(gòu)有序性的影響并不明顯。

圖3 表觀孔隙比Fig. 3 Apparent void ratio

圖5 孔隙形態(tài)分維數(shù)Fig.5 Pore fractal dimension

圖6 孔隙概率熵

3.3 表觀孔隙比與計算孔隙比

通過孔隙結(jié)構(gòu)分析得到表觀孔隙比，所得數(shù)據(jù)反映了一定面積上孔隙集度情況，可視其為實測孔隙比。另外，可根據(jù)土體3項指標換算關(guān)系，通過含水量計算孔隙比，其計算式為

(1)

式中：e為孔隙比；w為含水量；Sr為飽和度；ds為土顆粒比重。以下對實測表觀孔隙比和計算孔隙比進行比較。

為了得到電滲后土體含水量數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束后分別在距離陽極和陰極5 mm處表層、中層和下層取樣，取各處所得數(shù)值平均值作為該處含水量數(shù)值，得到T1試驗陽極和陰極處含水量分別為40.2%和64.0%，T1試驗分別為49.0%和69.7%。若假設(shè)試驗中排水量與土體孔隙壓縮量相等，即土體飽和，則有Sr=1，Gs=2.75，根據(jù)上述含水量數(shù)據(jù)和式(1)計算孔隙比，將計算結(jié)果與表觀孔隙比進行比較，如圖7所示。

圖7 表觀孔隙比與計算孔隙比Fig. 7 Apparent and calculated void

由圖7可知，對于重塑土，表觀孔隙比與計算孔隙比相近，說明試驗結(jié)果可靠，而各組試驗，不管是陽極處還是陰極處，計算孔隙比均小于表觀孔隙比，即根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)監(jiān)測所得孔隙比大于通過含水量計算結(jié)果。Bergado等[16]通過實驗得到類似的結(jié)果，他們采用導(dǎo)電PVD材料開展兩種模型尺寸的室內(nèi)電滲試驗，監(jiān)測了土體沉降和含水量的變化情況，并分別根據(jù)沉降和含水量計算得到土體的孔隙比，結(jié)果表明，根據(jù)含水量計算的孔隙比數(shù)值比根據(jù)沉降計算的要小。由于土顆粒和孔隙水不可壓縮，土體沉降來源于孔隙壓縮、孔隙比降低，沉降實為孔隙變化引起的宏觀尺度上的響應(yīng)，根據(jù)沉降計算結(jié)果和根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)分析結(jié)果均代表土體實際孔隙變化。此試驗和Bergado等[16]從不同角度得到類似結(jié)果，即電滲過程中，根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)或沉降分析所得孔隙比較根據(jù)含水量計算結(jié)果大。

4 討論

以上分析結(jié)果表明，電滲過程中隨著水分的排出，孔隙得到壓縮，孔隙比降低，同時，孔隙空間形態(tài)變光滑，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性減弱。同一組試驗，陽極土體電滲作用比陰極土體明顯，宏觀上表現(xiàn)為含水量更小，細觀上表現(xiàn)為孔隙比和孔隙面積降幅更大。但孔隙體積的減小與電滲排水量并不相等，這一點通過比較表觀孔隙比和計算孔隙比可以看出，根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)分析或沉降計算所得孔隙比較根據(jù)含水量計算結(jié)果大。因含水量和土顆粒比重固定，由式(1)分析可知，計算結(jié)果偏小唯一原因是飽和度偏大?？梢姡姖B過程中土體并不飽和，土體含水量的減少源于排水，孔隙比的降低或沉降宏觀上表現(xiàn)為土體收縮，可見，電滲排水并不等效為土體收縮，即土體收縮量小于電滲排水量。

電滲中土體收縮量小于排水量，這與電滲的本質(zhì)息息相關(guān)。圖8給出了理想狀態(tài)下電滲法與重力式方法對土體孔隙結(jié)構(gòu)的影響。這里的理想狀態(tài)指的是不考慮二者互相作用。對于重力式加固方法，如堆載或真空預(yù)壓等，自由水和毛細水在超孔隙水壓力作用下被排出，土體孔隙產(chǎn)生重分布，土體體積得到收縮(圖8(b))。不同于重力式方法，電滲法加固軟土的本質(zhì)在于離子帶動水分子的遷移運動，這種遷移運動的源動力為施加在電極兩端的電壓所產(chǎn)生的電場力，因而，若假設(shè)土體自重為0，筆者認為，電滲過程中土體孔隙將不產(chǎn)生壓縮，只表現(xiàn)為水分在孔隙中的穿梭運動(圖8(c))；這也是上述電滲排水量大于土體收縮量的根本原因。然而，實際電滲過程中，土體自重不可忽略，水遷移同時土體孔隙在重力作用下產(chǎn)生壓縮，因而，隨著電滲過程的開展，土體孔隙比和平均孔隙面積也會降低。

從機理上看，電滲的本質(zhì)是離子帶動水分子的遷移，與土骨架壓縮并無直接關(guān)聯(lián)。然而，土體收縮或沉降是地基處理的最終目的，如何實現(xiàn)電滲排水的同時土骨架有效收縮是電滲處理的關(guān)鍵之一。若將電滲法與外荷載聯(lián)合作用，利用電滲法主動排水，外荷載引起超孔隙水壓力、壓縮土骨架，將能大大緩解電滲排水量與土體收縮量之間的差值，起到“優(yōu)勢互補”、“揚長避短”的作用。因此，實際工程中，電滲法需與堆載、真空預(yù)壓等聯(lián)合使用。

圖8 電滲和重力式方法對土體孔隙結(jié)構(gòu)的作用Fig. 8 Effects of electro-osmosis and mechanical technique on the soil pore

5 結(jié)論

采用杭州軟土開展電滲試驗，研究電滲過程中土體細觀孔隙結(jié)構(gòu)變化及其與土體宏觀變形之間的關(guān)聯(lián)機制，從細觀孔隙結(jié)構(gòu)角度揭示電滲加固機理，得到以下結(jié)論：

2)電滲過程中，隨著水分的排出，孔隙收縮，孔隙比降低，同時，孔隙空間形態(tài)變光滑，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性減弱。

3)電滲過程中孔隙收縮量小于排水量，根本原因源于電滲本質(zhì)，即離子帶動水分子的遷移運動。

4)實際工程中，電滲法需與堆載或真空預(yù)壓等工法聯(lián)合使用，以減少電滲排水量與土體收縮量的差值，實現(xiàn)電滲法“主動排水”，堆載或真空預(yù)壓“壓縮土骨架”的優(yōu)勢互補作用。

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