1、第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220424；修回日期：修回日期：20220828 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(11962016，51978320)；甘肃省基础研究创新群体(20JR5RA478)Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11962016 and 51978
2、320)and Basic Research Innovation Group of Gansu Province(Grant No.20JR5RA478)作者简介：作者简介：周凤玺(1979)，男，2007 年于兰州理工大学结构工程专业获博士学位，现任教授，主要从事主岩土力学及复合材料结构力学方面的研究工作。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0413 电渗真空联合作用下富水黄土的电渗真空联合作用下富水黄土的 排水固结特性分析排水固结特性分析 周凤玺1，2，张甲华1，2，马 强3，牟占霖1，2(1.兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州
3、理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730050；3.青海大学 土木工程学院，青海 西宁 810016)摘要：摘要：以富水黄土隧道开挖前围岩的快速排水为目的，提出电渗联合真空的方法，并对其排水固结过程进行了理论分析和试验研究。基于多孔介质理论和非饱和土力学原理，建立非饱和土体在电渗真空作用下电场孔压场位移场相互耦合的数学模型，利用有限单元法数值分析土体在电渗真空作用下的排水固结规律，并结合室内模型试验进一步验证该方法在富水黄土快速排水中的应用效果。研究结果表明：电渗真空联合作用可以有效的提高土体的排水效率，但当初始渗透率较大时，联合排水后期会出现“孔压反转”现象，这种
4、现象会导致联合排水后期排水效率低下，揭示联合排水后期增大电压并不能有效提高排水效率的机制；电极间距主要对电渗真空联合排水后期孔隙水压力的变化有较大影响，且阳极电势一定时，孔隙水压力不随电极间距成单调变化。关键词：关键词：土力学；非饱和土；电渗真空预压；多场耦合；数值模拟 中图分类号：中图分类号：TU 43 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03072412 Analysis of drainage consolidation characteristics of water-rich loess under the combined action of
5、 electro-osmosis and vacuum ZHOU Fengxi1，2，ZHANG Jiahua1，2，MA Qiang3，MOU Zhanlin1，2(1.School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou，Gansu 730050，China；2.Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education，Lanzhou University
6、of Technology，Lanzhou，Gansu 730050，China；3.School of Civil Engineering，Qinghai University，Xining，Qinghai 810016，China)Abstract：For the purpose of rapid drainage of surrounding rock before excavation of water-rich loess tunnels，a method of electro-osmosis combined with vacuum is proposed，and the theo
7、retical analysis and experimental research on the drainage consolidation process are carried out.Firstly，based on the theory of porous media and the principle of unsaturated soil mechanics，a mathematical model of mutual coupling of electric field，pore pressure field and displacement field under the
8、combined action of electro-osmosis and vacuum is established.Then，the drainage consolidation law of soil under the combined action of electro-osmosis and vacuum is deeply analyzed by using the finite element method.Combined with the indoor model test，the application effect of this method in the rapi
9、d drainage of water rich loess is further analyzed.The results show that the combined action of electro-osmosis and vacuum can effectively improve the drainage efficiency of soil，but when the initial permeability is large，the 第 42 卷 第 3 期 周凤玺等：电渗真空联合作用下富水黄土的排水固结特性分析 725 phenomenon of“pore pressure r
10、eversal”will appear in the later stage of combined drainage，which will lead to the low drainage efficiency in the later stage of combined drainage，which explains that increasing the voltage in the later stage of combined drainage can not improve the drainage efficiency.The electrode spacing mainly h
11、as a great influence on the change of pore water pressure in the later stage of electro-osmosis combined with vacuum preloading drainage，and when the anode potential is constant，the pore water pressure does not change monotonically with the electrode spacing.Key words：soil mechanics；unsaturated soil
12、；electro-osmosis combined with vacuum preloading；multi-field coupling；numerical simulation 1 引 言 引 言 为了弥补电渗法和真空预压法在进行软土地基处理的局限性，将二者联合使用是一种行之有效的土体排水固结措施1，二者结合不仅可以提高排水效率和固结度、促进土体加固的均匀性，而且联合作用中，二者能够相互促进。电渗法能够改善真空预压法中排水板的淤堵，真空预压法能够改善电渗法中的土体开裂和温度上升过大等问题2。此外，真空预压法还能够将电渗时电极处的电解气体排出，使界面电阻降低，从而减少在界面电阻上消耗的电能3
13、。王柳江等4研究表明，在土体高含水率的情况下，真空预压起主要排水作用，先利用真空预压将土体的平均含水量降到 85%，再联同电渗法排水效果更好。J.Wang 等5在真空预压联合电渗加固疏浚淤泥的方法中运用了整体式排水板，并且电渗在真空预压的后期开启，能够大大降低电渗的能耗。孙召花等6开展了电渗与真空预压不同联合方式对淤泥脱水效果的室内试验研究，结果表明：真空预压和电渗联合同步加固下排水量比真空预压试验多，试验时间最短，但累计排水量却不是最大的，预示着真空预压与电渗同步加固可能存在渗流方向相互影响的问题。但具体原理文中未见提及。L.Zhang 和L.Hu7利用电动土工合成材料进行了电渗联合真空预压
14、法加固高岭土的试验，结果表明：真空预压在前 4 h 非常有效，但在 9 h 后电渗固结起主要作用。然而以上试验研究中所用土样均为高含水率的饱和土，对于饱和状态随排水过程变化的情形其排水固结特性是否类似，仍有待进一步研究。在电渗真空预压法的理论研究方面，徐 伟等8首先将真空预压与电渗联合排水固结模型简化为二维平面问题，推导了真空预压联合电渗加固过程中的超静孔压理论解。吴 辉和胡黎明9基于等应变假设，推导了轴对称一维模型的解析解。但上述理论均是基于饱和土的假定，王柳江等10认为电场作用下产生负孔隙水压力，同时渗流过程中水流与土骨架变形是相互作用的，属于非饱和土范畴的渗流耦合问题。因此，在非饱和土的
15、基础上推导了电渗固结方程，其中仅考虑了固液两相的耦合。非饱和土是由固液气三相构成的多相体系，气相的渗流会对基质吸力和土体变形产生非常重要的影响。因此非饱和土的电渗真空固结理论需要从固液气三相系统出发建立。J.Yuan 和 M.A.Hicks11从固液气三相系统出发推导了非饱和土电渗固结过程中的多场耦合控制方程，建立了相应的有限元模型，并对比了大小变形之间的差异。但上述理论未能考虑电渗真空联合作用。因此电渗真空预压联合作用条件下，非饱和土的气、液两相渗流与变形耦合理论还需进一步研究。本文以甘肃省通(渭)定(西)高速团结隧道为工程依托。团结隧道为双洞单向分离式设计，路线位于黄土梁峁区，隧道进出口洞
16、身段，地下水位线位于拱顶附近，土体处于可塑、局部软塑流塑状态，开挖极易出现坍塌、冒顶等工程事故。围岩等级为VVI 级，其中 VI 级围岩全长 1 924 m，占隧道全长的 49.8%。施工采用传统的井点降水方案将很难达到理想的排水效果。因此，本文针对富水黄土隧道难以开挖的实际工程问题，在超前深孔真空降水的基础上，提出了电渗真空降水的方法。在已有研究的基础上，从非饱和土的固液气三相系统出发，基于非饱和多孔介质力学理论，通过耦合电荷守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程，考虑孔隙率演化、渗透率、电渗透系数、电导率等参数的非线性变化，假设等温条件，忽略孔隙流体的相变建立了电渗真空作用下非饱和土体排水固结的耦合方程，并进行了相应的数值分析和室内模型试验研究。研究成果以期为电渗真空法在富水黄土隧道施工中的应用提供理论参考。726 岩石力学与工程学报 2023 年 2 理论模型 理论模型 将隧道围岩土体视为由固(s)、液(l)、气(g)组成的三相系统，各相的组分分别为骨架颗粒(s)、水(w)和空气(a)，则任一表征单元体(Rev)的体积和质量可分别表示为 swaswaddddddddmmmmvvvv