電滲儀的研制及其典型試驗

曹永華，高志義

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222）

0 引言

在土中通以直流電，在電勢差的作用下，土中水從陽極流向陰極，這種現(xiàn)象即為電滲。如果將匯集于陰極的水分及時排出，就可以不斷降低土的含水率，因此電滲可以用于對地基進行加固處理。Casagrande于1939年第一次將電滲技術(shù)應(yīng)用于巖土工程中，后來各國學(xué)者在其加固機理與應(yīng)用方面開展了大量的研究工作[1-6]。電滲法具有加固速度快，對細(xì)顆粒、低滲透性土有良好的加固效果等優(yōu)點。隨著我國港口建設(shè)的飛速發(fā)展，利用港池和航道疏浚土吹填造陸工程大量涌現(xiàn)。疏浚土往往具有細(xì)顆粒、高塑性、低滲透等特性，因此電滲法有望成為此種土的有效加固方法。在電滲加固中，土體的電滲透系數(shù)、電阻率等參數(shù)都是電滲加固中的重要參數(shù)，然而對電滲透系數(shù)，很多情況都是取經(jīng)驗值，這是一種粗略的處理方法。不同的土類其電滲透系數(shù)并不一樣[7]，獲取準(zhǔn)確的電滲透系數(shù)可以更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M行工程設(shè)計，然而，關(guān)于電滲透系數(shù)等參數(shù)的測量裝置和測試方法的詳細(xì)研究工作卻不多見。為將電滲廣泛應(yīng)用于工程實踐，必須發(fā)展一套電滲透系數(shù)的測試設(shè)備和測試方法。本研究通過對國內(nèi)外相關(guān)資料的整理分析，并結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件，研制出了用于電滲透系數(shù)和電阻率量測的室內(nèi)試驗設(shè)備電滲儀。

1 電滲儀的設(shè)計及其實現(xiàn)

1.1 設(shè)計思想

電滲儀應(yīng)具有下列功能：

1）能勝任電滲透系數(shù)測量；2）能勝任土體電阻率測量；3）具有固結(jié)儀的一般功能，能垂直加載，勝任固結(jié)試驗。

為完成上述功能，電滲儀應(yīng)具有下列技術(shù)特點：

1）能在土體中形成均勻一維電場；2）具有雙面排水功能，并能靈活控制排水條件；3）能對電滲排水進行準(zhǔn)確地收集；4）能監(jiān)測土體中電勢分布；5）能監(jiān)測加固中土體表層位移。

1.2 電滲儀的結(jié)構(gòu)

電滲儀整體結(jié)構(gòu)見圖1。

電滲儀除電極外，基本由有機玻璃制成，主要構(gòu)成部分有土樣室、上下電極、上下排水管、加載系統(tǒng)、孔壓測試裝置和電勢測試裝置。土樣室安置試驗土樣，土樣室高10 cm，直徑18 cm，其寬高比符合形成一維均勻電場的要求。電極采用導(dǎo)電性能優(yōu)良的多孔銅板，既可形成均勻電場，又能使電滲排水通暢排出。排水管的功能是將匯集于電極的水排出，并通過采集裝置將排水收集。電線與電極相連，從而在銅板電極間形成均勻電場。電勢測頭深入土體0.5 cm，與萬用表相連，可以對各點電勢進行監(jiān)測。加載系統(tǒng)可以垂直加載，因此電滲儀可以研究電滲加固、預(yù)壓加固及其之間的聯(lián)合加固方法。此外，由于在電極間形成了一維均勻穩(wěn)定電場，電滲儀還可以測定土樣的電阻率。

圖1 電滲儀示意圖

2 電滲儀的應(yīng)用

2.1 電滲透系數(shù)測定

電滲透系數(shù)是衡量電滲加固效果的重要參數(shù)，從數(shù)量上等于單位電勢梯度作用下的水流速度，對于一維情況有：

式中：ve為電滲透流速；ke為電滲透系數(shù)；為電勢梯度。

對于一維情況，在水力梯度和電勢梯度的共同作用下，土中水的滲透流速可以表示為：

式中：Qe是電滲滲流的流量；Qh是水力滲流的流量。

由于試驗中電滲滲流和水力滲流同時發(fā)生，在ke未知和不設(shè)置常水頭裝置的情況下，Qh是無法確定的。但通過試算可知，在本試驗的試驗裝備和方法的情況下，Qh要比Qe小很多倍，因此，將Qh忽略，其對ke的試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響可以忽略不計。

因此，有：

利用式（4），可以對電滲透系數(shù)進行測定。

試驗中，為了防止由于電滲導(dǎo)致陽極排水而使得土壤性質(zhì)發(fā)生顯著地改變，于土樣上部注入與土壤中水分相同的水，約1 cm高度，這樣既能避免陽極土性質(zhì)及陽極和土的接觸電阻發(fā)生顯著變化，又能使由于水力滲透導(dǎo)致的Qh小到可以忽略的程度。電滲儀測試系統(tǒng)見圖2。

圖2 電滲儀測試系統(tǒng)圖

試驗土樣采用青島疏浚軟土，其物理性質(zhì)見表1，試驗結(jié)果見表2。

表1 土樣物理性質(zhì)

表2 電滲透系數(shù)測試結(jié)果

試驗中對一定電勢梯度作用下土體的出水量等進行記錄，由式（4）可以計算得到土體的電滲透系數(shù)。

2.2 電阻率測定

土體電阻率也是電滲設(shè)計中的重要參數(shù)。由電滲固結(jié)理論可知，由電滲引起的水體運動速度與電勢梯度成正比，因此，較大的電勢梯度有利于提高加固速度和效果。但電勢梯度的加大使得土體中電流密度增大，在土體電阻率較小時尤為明顯，從而導(dǎo)致了陽極腐蝕速度的加快，這又是對加固不利的，因此，土體電阻率對電滲設(shè)計也是非常重要的。

在電阻測量中，接觸電阻是不可忽略的。為了消除接觸電阻對試驗結(jié)果的影響，可以測量不同長度土樣的電阻，繪制成土樣長度-電阻曲線，此曲線在長度為0時的電阻即為接觸電阻。用總電阻減去接觸電阻即可得到實際土樣的電阻?？傠娮杩梢酝ㄟ^土樣的電壓-電流關(guān)系曲線獲得。土樣電阻與電阻率的關(guān)系為：

式中：RS為土樣電阻；ρ為電阻率；S為試樣截面積；L為試樣長度。

因此，求得不同試樣高度的系統(tǒng)總電阻后，作出系統(tǒng)總電阻與試樣高度的擬合直線，此直線的斜率即是試樣截面積等于當(dāng)前試樣的單位長度土樣的電阻，將斜率乘以試樣截面積就能得到電阻率。

試驗土樣與2.1中相同，其物理性質(zhì)見表1。

首先求不同試樣高度時的系統(tǒng)總電阻。試驗中的電壓電流關(guān)系擬合直線的斜率就是系統(tǒng)總電阻，典型的擬合直線如圖3。

圖3 土樣高度3.7 cm時系統(tǒng)總電阻

共進行了5組測試，不同試樣高度和系統(tǒng)總電阻的擬合直線如圖4。

圖4 系統(tǒng)總電阻隨土樣高度的變化

由圖4，直線斜率為26.472，表示試樣長度為1 m時具有的電阻值為26.472 Ω，因此土體的電阻率為：

3 結(jié)語

電滲透系數(shù)和土體電阻率是電滲加固設(shè)計中必須考慮的參數(shù)，對加固效果有重要的影響，采用最新研制的電滲儀，對此二參數(shù)進行測定，可以更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M行工程設(shè)計。

電滲透系數(shù)和土體電阻率受多種因素的影響，對其主要影響因素進行深入研究，有助于更科學(xué)地施工設(shè)計及對電滲加固的深入理解。

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