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，港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，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應用于巖土工程中，后來各國學者在其加固機理與應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，對細顆粒、低滲透性土有良好的加固效果等優點。隨著我國港口建設的飛速發展，利用港池和航道疏浚土吹填造陸工程大量涌現。疏浚土往往具有細顆粒、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、電阻率等參數都是電滲加固中的重要參數，然而對電滲透系數，很多情況都是取經驗值，這是一種粗略的處理方法。不同的土類其電滲透系數并不一樣[7]，獲取準確的電滲透系數可以更科學嚴謹地進行工程設計，然而，關于電滲透系數等參數的測量裝置和測試方法的詳細研究工作卻不多見。為將電滲廣泛應用于工程實踐，必須發展一套電滲透系數的測試設備和測試方法。本研究通過對國內外相關資料的整理分析，并結合現有技術條件，研制出了用于電滲透系數和電阻率量測的室內試驗設備電滲儀。

1 電滲儀的設計及其實現

1.1 設計思想

電滲儀應具有下列功能：

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

為完成上述功能，電滲儀應具有下列技術特點：

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確地收集；4）能監測土體中電勢分布；5）能監測加固中土體表層位移。

1.2 電滲儀的結構

電滲儀整體結構見圖1。

電滲儀除電極外，基本由有機玻璃制成，主要構成部分有土樣室、上下電極、上下排水管、加載系統、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。電極采用導電性能優良的多孔銅板，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測。加載系統可以垂直加載，因此電滲儀可以研究電滲加固、預壓加固及其之間的聯合加固方法。此外，由于在電極間形成了一維均勻穩定電場，電滲儀還可以測定土樣的電阻率。

圖1 電滲儀示意圖

2 電滲儀的應用

2.1 電滲透系數測定

電滲透系數是衡量電滲加固效果的重要參數，從數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；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生，在ke未知和不設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的試驗結果產生的影響可以忽略不計。

因此，有：

利用式（4），可以對電滲透系數進行測定。

試驗中，為了防止由于電滲導致陽極排水而使得土壤性質發生顯著地改變，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及陽極和土的接觸電阻發生顯著變化，又能使由于水力滲透導致的Qh小到可以忽略的程度。電滲儀測試系統見圖2。

圖2 電滲儀測試系統圖

試驗土樣采用青島疏浚軟土，其物理性質見表1，試驗結果見表2。

表1 土樣物理性質

表2 電滲透系數測試結果

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。

2.2 電阻率測定

土體電阻率也是電滲設計中的重要參數。由電滲固結理論可知，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。總電阻可以通過土樣的電壓-電流關系曲線獲得。土樣電阻與電阻率的關系為：

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總電阻后，作出系統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，其物理性質見表1。

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

圖3 土樣高度3.7 cm時系統總電阻

共進行了5組測試，不同試樣高度和系統總電阻的擬合直線如圖4。

圖4 系統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 結語

電滲透系數和土體電阻率是電滲加固設計中必須考慮的參數，對加固效果有重要的影響，采用最新研制的電滲儀，對此二參數進行測定，可以更科學嚴謹地進行工程設計。

電滲透系數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，有助于更科學地施工設計及對電滲加固的深入理解。

[1]Casagrande L.Electroosmosis in Soils[J].Geotechnique，1948，1：159-177.

[2]Casagrande L.Stabilization of Soils by Means of Electroosmotic State-of-art[J].Journal of Boston Society of Civil Engineering，ASCE，1983，69（3）：255-302.

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