間歇通電下軟黏土電滲固結性狀試驗分析

龔曉南，焦丹,

(1. 浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州，310058；2. 西安建筑科技大學 理學院，陜西 西安，710055)

軟黏土廣泛分布于我國東南沿海和珠江三角洲地區，因其具有高含水量、高壓縮性、低強度等性質，給工程施工帶來了不便，因此，在施工前要對這種土質的地基進行處理。在諸多地基處理方法中，電滲法作為一種比較有效的方法，在許多工程中得到應用。電滲法是在土體兩端通以直流電，使土體在短時間內完成滲透排水，并逐漸固結的一種地基處理方法。自Casagrand[1]將電滲排水法成功運用于鐵路挖方工程以來，電滲法逐漸應用于實際工程，同時，相關的理論研究也不斷取得進展，如：Esrig[2]提出了一維電滲固結理論；Lewis等[3]提出了二維電滲固結理論[3]，并給出了控制方程；Wan等[4]對電滲和荷載共同作用下土體電滲固結特性進行了研究，并提出了電滲加固中的“電極轉換”技術；Shang[5]提出了電滲與堆載預壓聯合加固法的理論模型；Micic等[6]研究了間歇通電技術在電滲中的應用效果，并指出間歇通電可以減少電滲過程中的電極腐蝕和電能消耗。與此同時，汪聞韶等[7-9]進行了電滲相關的理論研究和室內試驗；Zhang等[10-14]從電極材料和界面電阻角度出發，研究了電滲固結，并進行了相應的數值模擬；房營光等[15-16]則研究了電滲和真空預壓的聯合作用。已有的研究結果表明，在滲透系數小于0.1 m/d的以黏粒為主的流泥、淤泥或淤泥質土中，電滲法處理地基效果差[17]，且電極腐蝕嚴重、耗電量大，同時，在電滲過程中，土體物理力學性質變化規律即電滲固結性狀尚不明確。針對以上問題，本文作者利用自制的試驗裝置進行軟黏土軸對稱邊界條件下的電滲固結試驗，通過比較間歇通電和持續通電條件下的試驗結果，得到間歇通電條件下土體電滲固結的一些試驗規律，這對實際工程具有一定的指導作用。

1 試驗

1.1 試驗材料

本試驗土體取自杭州余杭地區軟黏土，天然狀態下土體各項物理性質指標見表 1。試驗使用原狀土體重塑后的重塑土樣，制作過程是：將烘干、磨碎、篩分后的干燥粉末加適量的水調勻，密閉靜置24 h，以保持土樣含水量均勻。

表1 天然狀態土的基本物理性質指標Table 1 Basic physical properties of natural soil

1.2 試驗裝置

試驗在自制的電滲固結裝置上進行。該裝置由主體部分、測量部分和電源3部分組成，如圖1所示。主體部分是1個有機玻璃桶，電極放置其中，上部有蓋板及桿件相連。其中有機玻璃桶底部中心處開有直徑為0.8 cm的小孔(試驗過程中的排水通道)；陰極是直徑為1 cm、表面開有細縫的鐵管，土工布包裹后豎直放置于桶底中心處；陽極是高度為15 cm、外半徑為14 cm的白鐵皮圓環，緊貼于有機玻璃桶內壁放置；上部有機玻璃蓋板和鐵蓋板，中心有直徑為1.2 cm的孔，沿徑向鉆有直徑為0.2 cm的小孔6個，作為試驗中的電勢測試孔，鐵蓋板與下部掛有砝碼的橫桿相連。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Diagram picture of test device

測量部分由百分表、量筒、電壓表、電流表及測針組成。百分表表頭與橫桿接觸，測量試驗中土體表面平均沉降的變化、蓋板及下部重物對土體的影響很小，只起到穩定橫桿和百分表讀數的作用，可忽略；土體排出的水由導管從有機玻璃桶底部引到燒瓶中，然后倒入量筒中進行讀數；在電勢測試孔內部依次插入6根直徑為0.1 cm細鐵絲制作的測針，用電壓表測量試驗中測針上的電勢；電流表用來測量土體瞬時電流。試驗所用電源為固緯SPD-3606穩壓直流電源。

1.3 試驗方案

試驗包括2部分：① 在20 V輸出電壓下，間歇通電電滲固結試驗；② 在20 V輸出電壓下，持續通電電滲固結試驗。2次試驗中土體初始含水量差別不大(試驗①和②的土體實測初始含水量分別為 68.11%和 65.06%)，可認為土體初始狀態相同，試驗②主要起對比作用。2次試驗過程中的通電時間見表2。

表2 試驗通電時間Table 2 Current time during test

通電后，每間隔1 h測量1次土體的排水量、土體中瞬時電流、每根測針上的電勢及百分表讀數；試驗結束時測試土體表面不同位置的最終沉降、土體的最終含水量及抗剪強度等。試驗中各步驟可參照土工試驗規程SL237—1999進行。

2 試驗結果分析

2.1 排水量及能耗變化

試驗中累計排水體積隨時間變化關系曲線見圖2。從圖2可見：試驗①和②累計排水體積均隨通電時間的增大而增大，其中在通電前16 h內，即間歇通電試驗第1次斷電前，試驗①和②累計排水量基本相同；隨著通電時間的延續，因受間歇斷電的影響，試驗①的累計排水體積比試驗②的略小。其原因是：間歇通電時，在斷電時間段內，水分子因其自由擴散作用而重新分布，致使剛剛聚集到陰極的水分子再次分布到土體中各處，從而降低了累計排水體積。

圖2 排水體積變化曲線Fig.2 Curves of effluent volume variation

電滲的效率是指排出單位體積的水或產生單位沉降所消耗的電能，電滲中電能的利用率則是指消耗在土體固結上的電能占總電能的百分數，二者存在本質區別。

為研究電滲的效率，引入能耗系數C，它反映了排出單位體積水所需要消耗的電能：

式中：U為電源電壓，V；It1t2為t1到t2時間內土體中的平均電流，A；Vt1和 Vt2分別表示土體在 t1和 t2時排出水的累計體積，mL；t1和t2為通電時間，h。

能耗系數隨時間變化關系見圖3。從圖3可以看出：試驗①和②能耗系數均隨通電時間的延長而不斷增大，通電前16 h，二者能耗系數曲線均比較平緩，且變化不大；當通電時間超過16 h后，試驗①和②能耗系數均快速增大，此時通電效率較低，尤其在通電進行50 h后能耗系數急劇增大，繼續通電已不經濟，此時即可以斷電，并結束試驗。在整個試驗過程中，間歇通電下的能耗系數一直都比持續通電下的略大，這也是土中水分子重新分布后再被移動需要二次消耗能量所致。

圖3 能耗系數變化曲線Fig.3 Curves of energy coefficient

2.2 電勢分布

試驗中從陽極到陰極依次布置6根電勢測針，不同時間下對應的各點電勢與點到陽極距離關系曲線見圖 4。考慮到電極與土體接觸處界面電阻對電源電壓的消耗，對土體電滲固結起有效作用的電勢可以等效為最靠近陰極和最靠近陽極處2根測針間的電勢差，這部分電勢差稱為土體有效電勢。

由圖4可知：試驗①和②中各個測針處的電勢均隨時間的延長而降低，且試驗①和②中不同時間下土體有效電勢變化均不大；在通電時間相同時，間歇通電下的土體有效電勢明顯大于持續通電下土體有效電勢。這是因為間歇通電下水分子的重新分布致使陽極處水分得到補充，從而致使土體與電極接觸導電性能良好，界面電阻消耗電壓降低。綜上可知：間歇通電能起到提高土體電能利用率的作用，在一定程度上比持續通電下的效率高。

2.3 土體沉降的變化

試驗結束后土體表面沉降不均，試驗①和②中土體表面沉降對比曲線見圖5。從圖5可以看出：間歇通電與持續通電相比有利于減小土體表面差異沉降；間歇通電下土體表面沉降比持續通電下更加均勻。這是由于間歇通電時土體中水分子重新分布，填充已有孔隙，減緩了排水固結速度。由此可見：間歇通電與持續通電相比更有利于減小土體表面沉降差，有利于電滲結束后土體的后期施工建設。

圖4 電勢分布關系曲線Fig.4 Curves of potential distribution

圖5 沉降關系曲線Fig.5 Curves of surface settlement

2.4 抗剪強度變化

使用室內微型十字板剪切儀對試驗①和②試驗前、后土體的抗剪強度進行測試，土體抗剪強度變化曲線見圖6。從圖6可以看出：隨陽極距離的增大，抗彎強度提高倍數減小，但試驗①和②結束后土體的抗剪強度均明顯提高，間歇通電下土體強度提高了3～5倍，持續通電下提高了3～9倍，持續通電下強度提高得更多；試驗①和②結束時陽極附近土體強度均要高于陰極處強度，頂部強度要高于底部強度，且間歇通電時，土體抗剪強度的差異比持續通電時的低，這同樣是間歇通電下水分子重新分布所致。綜上可知：間歇通電下土體頂部與底部強度差別比持續通電時的小，土體強度變化更加均勻。

2.5 含水量分布

圖6 抗剪強度變化曲線Fig.6 Curves of shear strength

試驗結束時取土體中上、中、下，左、中、右位置點進行含水量測試，不同位置的含水量分布見圖7。從圖7可以看出：試驗①和②土體底部含水量均比頂部的高，且陰極附近含水量也比陽極附近的略高，試驗①土體頂部與底部含水量差別比②的小，這是因為間歇通電下土中水分子重新分布。可見：間歇通電下含水量分布相對均勻，土體性質差異性小。

圖7 含水量分布曲線Fig.7 Curves of water content

2.6 其他試驗現象

試驗結束后，2組試驗的電勢測針和陽極表面均有少量腐蝕，且持續通電比間歇通電腐蝕得嚴重，陰極表面有白色物質沉淀，說明在電滲固結過程中伴有一定的化學反應。陰、陽兩極處的化學反應方程式如下。

陽極：

陰極：

其中：M表示陽極金屬，白色沉淀主要是Ca2+和Mg2+的碳酸沉淀物。

試驗結束后，土體表面有裂縫出現，裂縫最大寬度可達0.5 cm，且持續通電下裂縫比間歇通電下裂縫數量略多，持續通電試驗結束時裂縫及陰、陽兩極外觀見圖8。

圖8 試驗結束后裂縫及電極外觀Fig.8 Appearances of cracks and electrodes after test

3 結論

(1) 間歇通電下土體累計排水量比持續通電下的略少，能耗系數卻比持續通電時土體的能耗系數略大，電滲的效率略小于后者，但差別不大。

(2) 在間歇通電下，對土體固結起作用的有效電勢比持續通電時的大，且電極腐蝕程度比持續通電下的電極腐蝕程度小；電滲試驗降低了電能在界面電阻上的消耗，提高了電能的利用率；同時，間歇通電可以降低對電源等設備在長時間持續通電時的損害，提高了設備的使用壽命。

(3) 在間歇通電下，土體的表面沉降、抗剪強度變化及含水量變化都比持續通電時的均勻，即降低了土體的整體差異性，有利于電滲處理結束后進行土體后期施工。

(4) 間歇通電下土體抗剪強度的提高量比持續通電時的略低，且所需時間較長，這也是間歇通電的不足之處。在實際電滲工程中，多利用電極轉換技術來減少電滲后期土體的性質差異，間歇通電在節約電能損耗方面比持續通電時的小。

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