吕丽君
天津市地震工程研究所天津市300384
摘要：本文以天津滨海地区软土为试验对象，通过电渗加固的方式对其加热，使土里的水以蒸汽形式排出，达到降低含水量和提高强度的目的。试验采用自制的由电加热管制成的装置，利用智能巡检仪测出加热过程中电加热装置周围土体中不同位置、不同时刻土体的温度。
关键词：滨海软土；电加热；温度变化；含水量
1引言
天津滨海分布有大量软土，其重要特点就是含水量大，所以尽快且有效的排出土体内的水分是软土处理的关键。寻找一种更合理、更经济的加固技术，使软土尽快从泥浆状态转变为具有一定承载力的地基，从而给围海造陆工程建设带来巨大的经济效益，成为国内外诸多学者努力的方向[1-2]。根据软土的性质和现有处理方法的局限性，笔者认为可以采取电渗加固的方法处理软土，它可以快速有效的排出土体内的自由水、弱结合水和部分强结合水[3]。这种方法处理效果的好坏取决于电加热装置性能的优劣和加热过程中土体传热系数的变化等方面。该方法的优点是不需要土体表面具有一定的强度就可以进行处理。
2试验设计
本课题主要是通过室内试验，以天津滨海地区软土为研究对象，采用电加管对土体进行加热，利用智能巡检仪测出加热过程中土体不同部位、不同时刻的温度值。等土体中的水蒸汽不再明显排出时，停止加热，加热完毕后取不同位置的土样来测定土体的含水量。推算出处理每立方米软土所需要的费用。
2.1试验装置
本试验为了测定土体加热过程中温度和含水量的变化，采用1100㎜(长)×600㎜（宽）×1200㎜（高）的木箱子和两个由适用于干烧的电加热管做成的电加热装置，两个加热装置在木箱子宽度（600㎜）方向对称放置，两个加热管之间的距离是300㎜，加热管与箱壁之间的距离是150㎜。箱子长度（1100㎜）方向加热管与箱子侧壁之间的距离分别为200㎜。取土前箱子内放上订做好的与箱体尺寸一致的塑料布，以防土体内水分流失，试验用土体的深度为900mm。用室内温度计测量室温，以便对试验环境有更好的了解。
2.2试验材料
2.2.1试验用土
本次试验用土为取自天津市塘沽区某地的软土，因已露天放置了一年多，含水量已经很低了，为了达到软土含水量的要求，向土里加水，使其达到饱和，并充分搅拌尽量使土均匀。
2.2.2电加热装置
本试验的电加热装置所用的材料是直径为14㎜的电加热管，本试验为了测试加热管水平放置较优，还是竖直放置较优，把加热管订做成设计形状，右边有三道横管是为了对不同位置横管周围的温度变化值进行比较。土体加热完毕以后，为了能更直观的得到加热后土体含水量的变化情况，在土体平面内每层取11个点处的土样，测出各土样的含水量，取样深度从上到下为0㎜、80㎜、150㎜、220㎜、300㎜、370㎜、450㎜、520㎜、600㎜、670㎜、750㎜、830㎜、900㎜，共13层，143个土样。层与层之间的间距为80㎜或70㎜。
2.2.3测温装置
本试验采用16路智能巡检仪（图2-4）采集试验过程中土体各部位的温度变化情况，顾名思义16路智能巡检仪就是能测出16个点的温度。16路智能巡检仪具有自动采集、显示数据的功能。显示方式:有定点显示和巡回显示,可以根据需要设置对某个测点进行定点显示或巡回显示所有的测点,并设置巡检时间间隔。总体的布置原则是距离加热管较近的点（1点、4点、5点、7点、9点、11点、13点、15点）的距离为70㎜，距离加热管较远点（2点、3点、6点、8点、10点、12点、14点、16点）的距离为150㎜。1点、2点、3点、4点主要是测竖向加热管在水平向传热，土体温度的变化情况。5点、6点、7点、8点、9点、10点、13点、14点主要是测水平向加热管在竖直向传热，土体温度的变化情况。11点、12点、15点、16点主要是测水平加热管在水平向传热，土体温度的变化情况。3点、8点、10点、12点、16点主要是测两竖直或水平加热管之间中点（换言之离加热管最远的一点）的温度，由这几点的温度变化情况就可以知道，土体整体处理的效果如何。加热过程中，每十分钟记录一次智能巡检仪显示的温度值。
3试验过程
由于本试验所用的加热装置的功率比较小，电源采用的是220V直流电压。在进行正式的试验之前先做了一个小型的试验，试验的目的是为了确定对于本试验来说，是选用适用于干烧的加热管做电加热装置较好，还是适用于水烧的加热管较好，及用电加热法处理软土的有效性。该试验用一个450㎜长×320㎜宽×220㎜高的一个塑料箱子装土，土取的是滨海新区的淤泥，取回后加水调成糊状，含水率在70%左右。该试验做了两个“U”（170㎜宽×150㎜高）形电加热管，一个电加热管的材质是适用于干烧（可以放在水里，也可以不放在水里使用）的，另一个电加热管的材质是适用于水烧（不能离开水）的，该试验总共做了将近五个小时，水烧的只用了几分钟就坏了，而干烧的到试验做完时还在工作，干烧的加热管周围土体的含水量降到30%左右。通过做这个试验得出以下结论：处理软土的电加热管只能采用干烧的，用电加热法处理软土是有效的。
正式试验时把土调成稀泥状，测得含水率为40%。开始加热前把电加热装置和固定好热电偶的架子，放进软土里，并且固定好，实测出每个加热管的功率为2843W，两个为5686W。
试验一开始土体就出现沸腾，箱子里面的土体大面积开花，箱子的内壁上出现很多的泡泡（沸腾）。3个小时以后箱子短边上不再出现泡，长边局部出现。１点20分两加热管之间的中心部位出现泡泡，南（方向按图中所示上北下南左西右东）侧靠木箱边缘无泡出现，北侧在固定位置出现泡，出泡的地方表面含水量特别大，而不出泡的地方表面含水量相对较低。1点30分土体表面局部有裂纹出现，1点40分东侧露在外面的加热管周围土体已变干（不再含水变成干土的样子），西侧（一根竖直管那边）土体表面没有反应，从最初的加热管周围沸腾，变成固体之间的传热，并且南北两侧木箱外侧温度由底向上温度逐渐高于手温，箱子边缘虽然不冒泡，但是一直有热气冒出。孔隙通道不一样，出现的泡泡也不一样，南边一直是排小泡，北边是一个大泡，2点40分用手触摸箱子外皮明显感觉南北两侧中间和下面温度升高，中间的温度大于下面的，东侧稍微有温度，西侧没有温度升高的迹象，3点20分整个东半边表面由稀变稠，泡泡明显沉在土坑里（说明含水量明显下降），3点50分外逸的水蒸汽明显增多，底下的水蒸汽排不出去，会形成由下到上联通的通道。由加热过程中的现象可以得出横管换热强度大，竖管换热强度小，因为横管这边冒泡会带出大量的热量，竖管周围后来没有冒泡情况出现，只见水蒸汽慢慢的逸出，但竖管排出的水蒸汽容易在离土面较近地方的物体上形成凝结（如果周围没有东西就不会凝结），变成水又滴回到土体表面。26日凌晨5点南边（竖管周围）水位明显下降，表面出现裂纹，以加热管为中心轴向四周发散。8点40分加热部位明显开始向西推进，西面水蒸汽变多。这是由于加热管的形状造成的，东面加热管的总长度大约是西面加热管长度的三倍。26日11点50分当箱子最底下的温度达到103℃时，足以看出各点温度的变化情况，停止对土体加热。
4试验结果
4.1测温数据的说明
4.1.1各测温点温度变化曲线图
本次试验共进行了16.5小时，共得到1584个温度值。加热完毕后取土样时发现，横管加热管周围半径为60毫米范围内是是全干的，竖管由上到下逐渐变干，管四周周围半径150毫米范围内由干变湿。紧靠竖管的土从下向上，400毫米左右高度以下有干的地方（厚度很薄）。这就证明了竖管的形状比较适合做加热装置，而且加热装置距离较远的话热量损失也小。
4.1.2各测点温度变化的说明
2点为离竖直加热管最远的点，不与其它的加热源有联系，所以温度上升的最慢，最终温度为92.2℃。14点为土体表面的一个测温点，可以看出加热过程中随着水蒸汽的逸出土体高度下降，所以温度从低到高再到低。我们比较一下1、2、3、4点的温度，2、3两点是距加热管较远的点，但是3点的温度升高的明显比2点快，说明了热量的传递在加热管密度高的地方相互影响是很大的。把各测温点的温度总体比较一下的话可以看到，位于土体上面测点的温度，比下面测点的温度升高的快，可见热量是向上走的，下面的加热管产生的热量对上面的土体加热是有贡献的。
试验中可以看到，室温一直是下降的，因为下雨影响，室温一直没上来，由于本试验是强制换热，室温的升降对本试验没有多大影响。而11点、15点（距就近加热管1的水平距离为70㎜），在1：10时温度也达到了100℃以上，因为11点在15点的上面所以速度要快一些。仔细看一下12点、16点（距加热管1的水平距离为150㎜）的升温情况，可知16点的温度比12点升高的快，推测得到因为随着时间的推移，下部的水分被气泡带到了上面。5点在4：00温度达到了100℃以上，这就可以解释为什么横管周围有大约60毫米是全干的了。6点是布置在箱底的一点，它周围土体的温度也在上午10：30分时达到了100℃。
从以上的温度变化曲线图可以看出来有的曲线图整个可以用一条直线拟合出来，而有的温度变化的曲线图一开始可以用直线拟合出来，后面的曲线就趋于平缓，到134℃左右温度就不再升高，这时土体的热量=土体与环境的对流传热量+辐射传热量+水分蒸发带走的热量，土体在这一点的传热达到了平衡。出现这种情况有两种可能，一种是水分在均匀蒸发，还有一种是水分已经没有了。这个还和内部的孔隙分布以及离表面的距离有关系。当然不同的测温点趋于平缓的时刻是不一样的。
从各测温得到的数据我们可以看到，下面的加热管产生的热量对上面的土体加热是有贡献的，所以设计加热装置时，上面的横管可比下面的间距大一些。
4.2含水量变化说明
4.2.1含水量的说明
加热完毕以后用目测就可以看出来，土体表面和箱子四周两厘米范围内，含水量降低较少，从最后得出的含水量的数据我们可以看到，整体上来说下面的含水量比上面的低。从取点位置来看，1点取的是紧靠箱壁的一点，它距加热管最远（185㎜），只靠一根竖直加热管传递热量，没有别热量补给，获得的热量最少，所以含水量降低的最少。3、4、5三点取的是两个竖直加热管之间的点，从所得结果上看3、5两点的含水量比较一致。而4点在两个加热管中间，离加热管较远，所以含水量要比3、5两点高一些。2点周围区域的表面含水量较低，可以看到水蒸汽慢慢的从土体里逸出。从整体来看，除了横管周围半径约60毫米范围内是全干的（所以应该存在传热恶化）以外，其余的含水量平均在21%左右。由经验得知，含水量在20%左右的软土承载能力在120Kpa左右。
从总体来看大部分曲线的含水量在深度为750mm（这也是最底下一根横向加热管的位置）的地方降到最低，到900㎜（土体最下面）的地方曲线上翘，而且在取土样测含水量时，我发现下面土体的密度要比上面的大，应该是由于热流和浮力的作用，把热量和水带到土体表面来，热量向上传递的速度比向下的快，土体在重力的作用下下沉，下面土体的处理效果要比上面好，密度也要大一些。
4.3土中水
土中的液态水主要有结合水（吸附水）和自由水两类[4-6]。结合水又分强结合水和弱结合水，强结合水是紧靠土粒表面的结合水，又称吸着水。它的特征为：无溶解能力，不受重力作用，不传递静水压力，温度在105℃以上时才能蒸发，本试验中的土中水，既包括强结合水和弱结合水又包括自由水，一般软土的处理方法不能把强结合水排出，本试验中从各测点的温度变化来看，很多地方的温度大于105℃，部分强结合水被蒸发出来了。
5结论
通过对软土的电加热试验和加热过程中土体内部不同位置温度变化以及加热后土体内部不同位置含水量测定结果分析，可以得出如下结论：
1、试验共测得1584个温度值，绘出16条温度——测点变化曲线图，由变化曲线图可以看出，竖管周围测点温度升高的较缓慢，整条曲线可以用一条直线拟合出来，横管周围温度变化曲线的形状是：土体的温度开始时呈直线变化，中间有一段直线斜率变小，表明升温的速率变小，到134℃左右温度就不再升高，最后面的曲线接近于一条水平直线，土体在这一点的传热达到了平衡。
2、加热完毕后，共取了143个土样来测含水量，得到11条含水量——取土深度变化曲线图，曲线呈下降趋势，由此得出土体从上到下含水量逐渐降低，从曲线上可以看出土体的平均含水量大约在21%左右，取样时看到横向加热管周围半径为60毫米的范围内全是干土，竖管周围刚刚有干土出现；由于热流和浮力的作用，把热量和水带到土体表面来，热量向上传递的速度比向下的快，土体在重力的作用下下沉，下面土体的处理效果要比上面好，土体的密度要比上面的大一些。
3、土中水包括自由水、弱结合水和强结合水，一般的处理方法排出的大多是自由水和弱结合水，强结合水是紧靠土粒表面的结合水，温度在105℃以上时才能蒸发，由土中水的性质结合本试验的结果可以得到，本方法不仅能除去软土中的自由水和弱结合水，而且可以除去部分强结合水。
4、从本试验过程中看到，用水平管加热的换热强度大于竖直管，所以电加热管的形状宜做成竖直管占大部分的装置。最底下一点的温度上升的较慢，说明热量大部分是向上传递的，往下传递的速度较慢。这与温度变化曲线相符，开始是对流传热温度升高的快，后来变成固体导热温度升高的速率就会变小。
参考文献:
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作者简介：
吕丽君，女，1984—，硕士，工程师，主要从事岩土工程及减灾、地质环境与灾害防治等科研工作；