DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.02.028
电解减饱和法处理可液化地基的波速特性
何森凯1, 2，陈育民1, 2，方志1, 2
(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京，210098；
2. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京，210098)
摘要：采用压电式加速度传感器对压缩波速进行检测，开展饱和砂土地基在恒定电流下的电解减饱和模型试验，并分析饱和砂土地基在电解过程中的波速特性。研究结果表明：压电式加速度传感器不仅满足电解减饱和法对测试仪器的基本要求，而且符合大模型波速试验的精度要求。在电解减饱和初期，压缩波速的降幅随着电流的增大而增大；之后电流对压缩波速的影响逐渐减弱，波速逐渐趋于稳定；最后，波速维持在0.33 km/s，不受电流的影响。
关键词：减饱和法；电解；电流；饱和砂土地基；波速试验
中图分类号：TG111.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2018)02-0472-06
Wave velocity characteristics of liquefiable foundation using electrolytic desaturation method
HE Senkai1, 2, CHEN Yumin1, 2, FANG Zhi1, 2
(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University, Nanjing 210098, China;
2. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)
Abstract: The compression wave velocity was detected with piezoelectricity acceleration sensors. Desaturation model tests of saturated sand foundation in the condition of constant current intensity were carried out and the wave velocity properties of saturated sand foundation in the process of electrolysis were analyzed. The results show that piezoelectric acceleration sensor not only meets the basic requirements of electrolytic method for reducing the test apparatus, but also meets the accuracy requirements of the large model wave velocity test. At the initial stage of electrolytic desaturation process, the decreasing amplitude of the compression wave velocity increases with the increase of current intensity. The influence of current intensity on the compression wave velocity is gradually weakened, and the wave velocity tends to be stable. Finally, it maintains at 0.33 km/s, and is not affected by current intensity any more.
Key words: desaturation method; electrolysis; current intensity; saturated sand foundation; wave velocity test
减饱和法是通过工程措施减小饱和砂土地基中的饱和度，将饱和砂土地基变成不饱和的砂土地基，从而提高地基的抗液化强度，减轻地震所产生液化震害的一种抗液化方法[1-2]。现有研究表明，只要轻微减小砂土地基的饱和度，其抗液化强度就能明显提高[3-10]，并且压缩波速也会显著降低。ESELLER-BAYAT等[6-7, 11]的研究表明，当砂土地基的饱和度从100%减少到90%时，其压缩波速迅速减小，最大降幅可以达到砂土饱和状态时的1/4。因此，可以用压缩波速来评价砂土地基的减饱和状态。然而，目前实验室测压缩波速的主要设备为弯曲元[12-15]，其虽然具备高精度的优点，但是设备昂贵，无法普及使用。而且在电解试验的高压和高电流作用下，弯曲元会发生锈蚀而影响测试精度。因此，亟需使用新的检测设备进行电解减饱和法的波速试验研究。本文作者采用防水压电式加速度传感器作为新的波速检测设备，开展电解减饱和法处理可液化砂土地基的波速试验，研究电解过程中饱和砂土地基的波速特性。
1 电解减饱和法的波速试验
1.1 试验原理和方法
电解减饱和法的波速试验原理是根据波的振动和传播理论得出砂土地基的压缩波速。在测试中，利用激振器在饱和砂土地基中产生振动并激发压缩波，通过高频率的动态数据采集仪来监测该压缩波传至不同间距拾振器(加速度传感器)的时间差Δt，从而获得砂土地基中压缩波波速vp。试验过程如图1所示。为确保电解减饱和法处理可液化砂土地基的波速试验中加速度传感器所接收的信号为压缩波，将激振器和所有防水压电式加速度传感器均竖直布置在砂土地基的相同高程处，试验装置和传感布置示意图如图2所示。若加速度传感器和激振器的布置形式和高程不同，其中一个为水平布置，另一个为竖直布置，则测得的波形不再是压缩波，而是剪切波。
图1 压缩波速试验示意图
Fig. 1 Schematic diagram of compress wave vecocity test
制样前在模型箱中布置3个加速度传感器，其中2个加速传感器沿着模型箱的长度方向布置(与激振器处于同一直线和相同高程)，且二者与相邻的模型箱边界及模型箱底部的距离均为10.0 cm，同时与激振器的距离分别为12.9和33.1 cm。另外1个加速度传感器沿着模型箱的宽度方向布置，激振器也处于相同高程，且距离激振器12.9 cm。电极和加速度传感器布置完成后，向模型箱内注入13 cm高的无气水，采用空中砂雨法进行制样，装样高度为20 cm(图2)。装样饱和后，以恒定电流进行电解减饱和法的波速试验，并连续记录电解过程中不同时刻的排出砂土地基表面的孔隙水量和压缩波速。
图2 试验装置及传感器布置示意图
Fig. 2 Displacements of experimental devices and transducers
1.2 试验设备和条件
电解减饱和法处理可液化砂土地基的波速试验主要设备包括：1) 防水YD系列压电式加速度传感器，其底座为六边形，各边长为20 mm，高度为20 mm。该加速度传感器灵敏度高，具备良好的防水性、稳定性和耐久性，适宜在饱和砂土中长期检测压缩波。2) 可编程的大功率稳压直流电源，其长×宽×高为428 mm×89 mm×505 mm，输出电压为0~500 V，电流为0~4.8 A，最大输入功率为2.4 kW。
选用颗粒级配不良的7号硅砂作为电解减饱和法试验的砂样，该砂被广泛应用于砂土地基液化问题的室内试验研究[16-18]。其基本物理性质为：限定粒径D60=1.750 0 mm，有效粒径D10=0.008 3 mm，平均粒径为0.017 0 mm，不均匀系数Cu=2.11，土粒相对密度Gs=2.64，最大干密度ρd,max=1.65 g/cm3，最小干密度ρd,min=1.34 g/cm3。此外，人们还使用丰浦砂[4, 10, 19-20]来研究砂土地基的减饱和特性和抗液化性质。颗粒砂和丰浦砂的颗粒级配曲线如图3所示。由图3可知：7号硅砂和丰浦砂的级配曲线相当接近。因此，在研究砂土地基液化问题时，可以相互参照并比较试验结果。
图3 7号砂和丰浦砂的颗粒级配曲线
Fig. 3 Grain size distribution for No. 7 sand and Toyoura sand
试验采用空中砂雨法进行制样，制样过程用无气水进行饱和，以确保获得高饱和的砂样，提高波速试验所测砂土饱和度的精度。装样饱和后，以恒定电流对饱和砂土地基进行电解，并记录电解过程中不同时刻砂土地基的电压、排出砂土地基表面的孔隙水量以及压缩波速vp。为更好地研究饱和砂土地基在电解过程中的波速特性，试验采用不同电流进行分析：工况1，电流为0.6 A；工况2，电流为0.8 A；工况3，电流为1.0 A。
2 试验结果与分析
2.1 地基饱和度的变化分析
在电解减饱和模型试验中，假定砂土地基的孔隙率保持不变，随着电解的持续进行，在砂土孔隙中产生越来越多的气泡，使孔隙水逐渐排出砂土地基，在砂土表面形成自由水层[9]。土的三相体系如图4所示。因此，可以通过量测砂土地基的排水量来获得砂土的饱和度。
图5所示为排水速率和通电时间的关系曲线。其中：n为砂土孔隙率，Dr为相对密实度。从图5可以看出：工况3在电解初期的60 min内，其排水速率维持在最大值14.0 mL/min；而此时工况2和工况1的排水速率分别为11.0 mL/min和8.1 mL/min。由此可见，电解初期的排水速率和电流呈线性关系，且排水速率随着电流的增大而增大。图6所示为排水量和通电时间的关系。由图6可知：在各工况电流保持恒定的情况下，在电解初期的60 min内，工况3的排水量为860 mL，占总排水量的70.7%；而工况2和工况1的排水量仅为670 mL和520 mL，分别占总排水量的54.9%和42.1%，远远小于工况3的70.7%。由此可见，在电解初期，电流越大，排水效果越好。
然而，随着电解的继续进行，3种工况的排水速率均开始逐渐减小，直至减小到0 mL/min，此时砂土停止排出孔隙水。这是因为在模型试验中，围压始终处于较低状态，气泡只能存在于浅层的砂土中，因此，保留在砂土孔隙中的气泡总体积有限。电解作用虽然持续进行，但产生的气体将全部排出砂土，不会存留在砂土孔隙中。因此，不能继续排出孔隙水和降低砂土的饱和度。
图4 土的三相体系
Fig. 4 Three-phase system of soil
图5 排水速率和通电时间的关系
Fig. 5 Change of drainage rate with time
图6 排水量随通电时间的变化
Fig. 6 Change of drainage volume with time
2.2 地基压缩波速的变化分析
2.2.1 波速的计算
为提高加速度传感器测压缩波速的精度，分别对每个工况进行3组平行试验。以工况1为例，当电解时间为30 min时，经过数据采集仪的滤波处理，获得3组波速实验结果，如图7所示。从第1组试验的整体波形图(见图7(a))和局部波形图(见图7(b))中可以看出：加速度传感器3首先接收到压缩波震动信号，而加速度传感器2则在150 μs后才感应到。又由于激振器与加速度传感器2和3的间距分别为33.1和12.9 cm，结合压缩波速的计算公式，可以得出砂土地基在该情形下的压缩波速vp为1.35km/s。在第2组和第3组试验所得的波形图(见图7(c)~(d))，也可以得到相同的结果，其所测得的压缩波速均约为1.35 km/s。因此，通过分析并比较3组平行试验的波速结果，可验证加速度传感器测量压缩波速的精确性。
2.2.2 压缩波速与时间的关系
图8所示为电解减饱和过程中加速度传感器所测得的压缩波速度vp和通电时间t的关系。从图8可以看出：电解初期，在各工况电流保持恒定的情况下，随着电解时间的增加，3种工况下的压缩波速vp均以恒定速率减小，从初始的1.50 km/s减小至0.50 km/s，且下降所需时间随着电流的增大而减小，分别为105，75和60 min。之后，随着电解时间的推移，压缩波速虽然继续减小，但减小的速率逐渐变缓。最后，3种工况下的压缩波速均减小至0.33 km/s，且最终压缩波速与电流无关。以上结果表明，在电解减饱和模型试验中，电流越大，砂土地基中压缩波速的降速越快，且越先达到稳定值0.33 km/s，其电解效果越好。
图7 3组试验的波形(工况1，I=0.6 A)
Fig. 7 Waveforms for three sets of tests (working condition 1, I=0.6 A)
2.2.3 压缩波速与饱和度的关系
图9所示为在电解减饱和过程中加速度传感器所测得的压缩波速度和饱和度的关系。从图9可以看出：压缩波速与饱和度呈明显的单值函数关系；随着饱和度减小，砂土地基的压缩波速也迅速减小；当饱和度从100%逐渐减小到90%时，压缩波速的响应非常灵敏，从最大值1.50 km/s锐减至0.33 m/s。该试验结果不仅证实了采用电解法减小砂土地基饱和度的可行性，而且表明压缩波速是评价砂土地基减饱和状态的重要指标。
图8 压缩波速随通电时间的变化
Fig. 8 Change of compression velocity with time
图9 压缩波速随饱和度的变化
Fig. 9 Change of compression velocity with saturation
此外，将前面7号硅砂所得的压缩波速试验结果与丰浦砂所得的压缩波试验的结果进行比较可知：2种砂所表现出的压缩波速度和饱和度的单值函数关系几乎一致；当饱和度从100%减小至90%时，压缩波速度均从最大值1.50 km/s减小到0.30 km/s左右，对饱和度的变化非常灵敏。上述试验结果进一步验证了使用7号硅砂进行电解减饱和法处理可液化砂土地基的波速试验研究的可靠性。
3 结论
1) 防水压电式加速度传感器具备良好的稳定性、防水性和耐久性，可以长期预埋在饱和砂土地基中进行高压或高电流的电解试验；除满足电解减饱和法对测试仪器的基本条件外，该加速度传感器的精度还符合大模型波速试验的要求。
2) 在电解减饱和初期，饱和度以恒定的速率减小，其下降速率与电流呈正比，并且在该阶段，砂土地基的饱和度大幅度减小，从100%减小到93%以下；随后，饱和度继续下降，但降低速率逐渐变缓；最后，饱和度减小到90%且不再变化，并且最终饱和度与电流无关。因此，在实际工程中，可以通过高电流加快初期饱和度的降低，而后期则可以减弱电流，这样不仅可以达到经济环保的目的，而且可以有效保护加速度传感器的灵敏性，并且保证所测波速具备较高的精度。
3) 在电解减饱和初期，电解时间相同的情况下，随着电流的增大，砂土地基中压缩波速的减小幅度也越大，即电解减饱和效果越好；之后，随着电解时间的推移，电流对压缩波速的影响逐渐减弱，波速逐渐趋于稳定；最后维持在0.33 km/s，且与电流无关。
4) 本文所用7号硅砂与丰浦砂所表现出的波速特性几乎一致。当砂样的饱和度从100%逐渐减小到90%时，压缩波速已经从最大值1.50 km/s减小至大约0.30 km/s，对饱和度的变化非常的灵敏，从而表明压缩波速是评价砂土地基减饱和状态的重要指标。
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(编辑 伍锦花)
收稿日期：2017-03-28；修回日期：2017-05-02
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51379067)；中央高校基本科研业务费资助项目(2015B17314)(Project(51379067) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015B17314) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)
通信作者：陈育民，教授，硕士生导师，从事土动力学与土工抗震研究；E-mail：ymchenhhu@163.com
