間歇通電模式影響電滲效果的試驗

陶燕麗，周 建，龔曉南，陳 卓

間歇通電模式影響電滲效果的試驗

陶燕麗1，2，周 建2，龔曉南2，陳 卓2

（1天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，300384天津；2.浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，310058杭州）

為了研究間歇通電模式對電滲加固效果的影響，采用實驗室一維模型箱，在不同通斷模式下開展電滲試驗.試驗分兩個階段，第一階段固定通斷時間比，研究不同通電周期對電滲的影響，同時與連續通電對比；第二階段，固定通電周期，研究通斷時間比對電滲的影響.測量試驗過程中的電流、陰極排水量，試驗結束時的抗剪強度以及含水量分布，并給出不同組試驗的陽極板腐蝕圖.結果表明：間歇通電能否有效以及通電周期和通斷比對電滲效果的影響會因試驗時間的不同而存在差異；采用適當的通電周期和通斷時間比，間歇通電可以減緩電極腐蝕，提高電滲效果.文章最后對已有文獻中的分歧作出了解釋，并指出電滲法實際工程應用中，建議通電周期選取1～4 h，通斷時間比取2.0.

間歇通電；電滲效果；通電周期；通斷時間比

電滲法排水速率與土顆粒大小無關，被認為是處理低滲透性軟土地基較為有效的方法.1939年Cassagrande［1］首次將電滲法成功應用于土木工程，隨后各國學者對其展開了較多研究［2-5］，但電滲法始終沒有成為主流的地基處理方法，原因在于本身存在諸多不足：電勢損失大、電極腐蝕嚴重、能耗高、效果不理想等.如何克服不足之處，改善處理效果，是現階段電滲法研究亟需解決的關鍵問題.

間歇通電被認為是改善電滲效果容易實現的手段之一，只需在電路中串聯一個循環電流控制器控制電流通斷，因此備受關注.然而，關于該技術的有效性，已有文獻報道并不一致［6-10］.這固然有試驗土質、模型尺寸差異等原因，而更多的是因為采用的通斷電時間不一致.通斷時間主要從兩方面來控制：通電周期和通斷時間比.通電周期指的是一個通斷循環的通電時間，國內傾向于較長周期，時間以小時計［10-11］；而國外傾向于較短周期［3-4，12-13］.另一個變量——通斷時間比，是通電和斷電時間的比值，也有學者在不同通斷比下進行對比試驗，以獲得最優的通斷比［3，8］.然而，已有研究多針對短周期的電滲試驗，尚缺乏長短周期電滲效果的比較，且已有研究成果無法給實際工程中間歇通電模式的選取提供全面指導.另外還需指出的是，不管是電滲法工程應用實例還是大面積的場地試驗，電壓多非連續施加，而是間歇性地通電，如文獻［14］采用電滲法加固粘土地基，文獻［15］處理上海鐵道學院的人防沉井，文獻［16］在現場試驗中采用間歇通電技術.長時間的電滲處理中采用間歇通電技術不僅有電滲效果的考慮，也有施工工序的影響，本文將在討論部分對此進行詳細敘述.由此可見，研究不同間歇通電模式對電滲效果的影響不僅具有理論意義，也具有較高的實際工程價值.

基于此，作者在不同通電周期和通斷時間比下開展多組電滲試驗，從排水量、含水量、抗剪強度以及電極腐蝕角度比較了通斷電模式對電滲效果的影響，以探究間歇通電技術的有效性，評述各種通斷模式對電滲加固效果的影響，最終基于試驗結果提出最優的通斷電模式，以期為電滲法工程應用提供試驗指導.

1 試驗設計

1.1試樣制備

試驗土樣取自杭州三墩某基坑工程，原狀土性質見表1.參照已有文獻中試驗土樣含水量數據：文獻［4］100%～120%，文獻［17］120%，文獻［18］80%，本試驗初始試樣的目標含水量約為100%.制備試樣時，將適量水與土倒入大型土樣容器中拌合，用攪拌器攪拌均勻，所制備的重塑土樣含水量為105%.并密封靜置24 h以上.

表1 原狀土的基本物理指標

1.2試驗裝置

試驗電路見圖1，由直流電源（GW SPD-3606）、循環電流控制器（軍達科技JXH-1型）、模型盒、板式電極等組成.

圖1 電滲試驗裝置（mm）

1.3試驗時間

時間控制條件的確定是間歇通電對比試驗的關鍵.由于以通電時間作為控制條件的試驗結果也能反映試驗時間（包括通電和斷電時間）一致時的規律，本試驗保證所有試驗組通電時間一致.其中，通電時間由連續通電組的試驗結果確定，排水速率連續3 h小于總排水量的2%時停止通電，最終確定通電時間36 h.

1.4試驗方案

研究間歇通電的關鍵問題是通電、斷電時間的分配，試驗方案的制定也是圍繞不同通斷電模式展開.首先，定義通斷比β為

式中：ton為通電時間，toff為斷電時間.

通斷模式由通電周期和通斷時間比兩個因素控制.因此，整個試驗過程分為兩階段.第一階段，研究不同通電周期的電滲效果，并與連續通電進行對比，見表2，驗證間歇通電技術的有效性，并給出通電周期對電滲的影響.通電周期作為試驗變量時，各對比試驗組的通斷比β一致.參考文獻［4，8，10，12］等，設定這一階段各試驗組通斷比為2∶1，即β為2.

基于第一階段試驗結果確定第二階段試驗通電周期.后面亦有提到，第一階段試驗結果表明，通電周期越短，電滲效果越好，因此第二階段設置通電周期較短為5 min，以得到對比更為明顯的結果.在第二階段，各組試驗通電周期一致，以通斷比β作為變量，通過對比各試驗結果，確定最優的β值.

表2 第一階段試驗條件

表3 第二階段試驗條件

2 試驗結果及分析

［8，10］等對間歇通電試驗結果的描述，以下從排水量，試驗結束時含水量分布，抗剪強度分布，電極腐蝕等角度對試驗結果進行分析.

2.1電滲排水量

排水量是衡量電滲效果最直觀的指標，圖2給出了不同組試驗排水量隨時間的變化.

圖2（a）中，排水量T1～T4依次為：605、582、627、649 mL.T4組的排水量最大，T3次之，T2最小，說明通電周期越短，排水效果越好，長周期的排水效果不如短周期.在36 h，也就是常規組試驗終止時，間歇通電組排水量均小于連續通電，這一現象與文獻［8］的結論一致，其后，間歇通電組曲線仍呈上升趨勢，而連續通電組趨向平緩，雖然T1組36 h后不再通電，但從圖中曲線走勢也可推想，若保證處理時間一致，試驗后期，連續通電組T1的效果亦會不如T3和T4組.再比較T1和T2，可以看到，兩曲線初始非常接近，第一次斷電后T2組效率明顯下降，導致其最終排水量不如其他3組試驗，這說明長周期間歇通電會降低電滲效率.由此可見，處理時間較短時，間歇通電的效果不如連續通電，只有在處理時間較長時，短周期間歇通電的優勢才會逐漸顯示出來，太長周期間歇通電不利于電滲.也就是說，處理時間不受限制時，選取較短的通電周期，間歇通電所能達到的處理效果優于連續通電.

圖2（b）是基于相同通電時間得到的試驗結果.從各曲線走勢可推知，處理時間較短時，通斷比越大，電滲效果越好，隨著處理時間的延長，通斷比較小的試驗能達到更好的電滲效果.另外，T6和T7最終排水量大致相同，約650 mL，其通斷比分別為1和2，表明在較小的通斷比下，電滲效果的差異并不明顯.因此，處理時間不受限制時，選取較小的通斷比，間歇通電可達到更好的處理效果.

圖2 排水量隨時間的變化曲線

從圖1還可看到，各試驗斷電期間陰極繼續排水，并會持續一段時間，其中T2組最為明顯.在斷電的6 h內，T2試驗前2 h排水量不斷增加，但排水速率逐漸減小，2 h末停止排水，直至再次通電，這些使得T2曲線不平滑，也表明6 h的斷電時間過長.由此可見，電滲期間停止通電水仍能繼續排出，可以認為間歇通電延長了排水時間，使得適當周期和通斷比的間歇通電排水效果要優于連續通電.

2.2抗剪強度分布

試驗結束時，進行抗剪強度測試.采用微型十字板剪切儀作為測量儀器（型號PS-VST-M，測試范圍0～100 kPa，十字板頭尺寸Φ25 mm，測試精度大于5%），分三層取樣，每層取樣點見圖1（a），然后對各截面所測數據取平均值作為該截面的抗剪強度值，得到土體抗剪強度分布曲線見圖3.

圖3 電滲后土體抗剪強度分布

由圖3可知，T1～T7組，抗剪強度分布都從陽極到陰極逐漸遞減.不同組抗剪強度分布的差異體現在土體中間部分，而陰陽極附近土體抗剪強度差別較小.在圖3（a）中，T4組的整體效果最好，T3組次之，T1和T2組效果差別不大；在圖3（b）中，除了T5組效果稍差，T6、T7組區別并不明顯.抗剪強度反映出的各組試驗電滲效果差異也有力地佐證了上述排水量分析結果.

2.3含水量分布

為了探究電滲對土體含水量的影響，試驗結束時，沿著土樣長度方向在圖1（b）所示位置分5個截面進行含水量測試，每個截面有3個測點，取3個測點位置的平均值作為該截面的含水量.試驗結果見圖4.

由圖4看到，T1～T7組的含水量分布從陰極到陽極整體均呈遞減趨勢，T4～T7組含水量從陰極到陽極一直遞減，T1～T3組是先略有上升，然后逐漸減小.整體來說，T4組含水量較小，T1和T3組大致相當，而T2組含水量最高.另外，T6、T7兩組含水量差別不大，低于T5組.由此可見，本試驗保證通電時間一致時，采用較短周期和較小通斷比時，間歇通電的最終電滲效果更好.

2.4單位排水量能耗

為了比較各組試驗能耗效率，計算各組試驗總能耗，除以總排水量得到單位排水量能耗見圖5.可以看出，除了T2、T5組，其他試驗組的單位排水量能耗要低于連續通電.由此可見，合理設置通斷電時間間歇通電技術可以提高電滲效率.

圖4 電滲后含水量分布

圖5 單位排水量能耗

2.5試驗結束時電極腐蝕情況

電滲效果不理想，原因之一是電滲過程中，陽極腐蝕嚴重，增大了界面電勢損失.以下給出幾組對比較為明顯的陽極板腐蝕圖，圖6（b）為T1組陽極腐蝕情況，T2組與之類似，腐蝕嚴重，將T2陽極從土樣槽中取出時，可以明顯看到整個土——電極接觸面上較厚的銹蝕層.圖6（c）為T6組陽極腐蝕圖，板面上腐蝕較輕，并沒有形成完整的銹蝕層.其他各組的陽極腐蝕情況介于（b）和（c）之間.由此可見，合理的間歇通電，可以減緩電極腐蝕.

圖6 電滲前后電極腐蝕情況

3 討 論

3.1通斷電模式的影響

第一階段，在相同通斷比下，進行多組不同通電周期的試驗，并與連續通電對比.結果表明，在處理時間不受限制的情況下，采用短周期的間歇通電可以改進電滲處理效果.通電周期不能過長，長周期間歇通電如T2組，無論排水量，還是抗剪強度都不如連續通電，這一結論與文獻［10］進行的長周期間歇通電試驗結果一致.而短周期的間歇通電，如T4組，電滲后的整體效果要優于連續通電.

第二階段，采用短周期間歇通電，通過對比不同通斷比的電滲效果來確定最優通斷模式，結果表明處理時間不受限制時，選取較小的通斷比，間歇通電可達到更好的處理效果，試驗結果與文獻［3］一致，與文獻［13］相反.這主要是因為，文獻［13］采用的控制條件為電滲處理時間，而非通電時間，其試驗處理時間均較短，小通斷比的優勢無法體現.而本試驗和文獻［3］處理時間均較長，較小通斷比下能實現后期電滲效果的發揮.

可見，間歇通電能否有效以及通電周期和通斷比對電滲效果的影響會因試驗時間的不同而存在差異，這也是已有文獻報道對間歇通電認識不同的主要原因.由本文基于杭州軟土的試驗結果可知，采用較小的通電周期和通斷比將達到更好的電滲效果.

3.2原因探討

對于間歇通電可以提高電滲效果的原因有兩點：文獻［8］認為，間歇通電可以減緩電極處的化學反應，減小陽極腐蝕，作者的試驗結果也證明了這一觀點，同時電滲過程中電極處電解反應產生氣體阻礙電極與土體接觸，而斷電期間剛好可以使氣體排出，引起土體斷電再通電后，電流會有所上升；斷電期間繼續排水，由于本次試驗設定各組通電時間一致，這樣間歇通電組的排水時間要長于連續通電.文獻［16］還指出，長時間通電會引起土體持續發熱，造成電能浪費，利用間歇通電能改善這一現象.長周期間歇通電處理效果不佳，主要是因為其通電時間太長，陽極處的腐蝕情況并不能得到緩解，斷電期間太長使得排水在斷電中后期已停止，且已經運移到陰極周圍的水，在毛細現象及反向水力梯度作用下，產生部分回流.

3.3工程應用指導

前面亦有提到，電滲法實際工程應用中往往采用間歇通電技術，除了前述電滲效果方面的考慮之外，還涉及機械設備高負荷運轉導致發熱、電滲排水需及時排出等因素.將已有工程中間歇通電模式總結于表4，可以看到，已有工程中通電周期和通斷比范圍均較廣.結合本試驗結果，也即短周期間歇通電優于長周期以及通斷時間比較小時電滲效果較好，建議通電周期不宜過長，取1～4 h為宜，再考慮到工期的限制推薦通斷時間比取2.0.另外，采用間歇通電后，工期必然要長于連續通電，若工期較緊，可酌情適量提高通斷時間比.

表4 實際工程間歇通電模式總結

4 結 論

本文采用杭州軟土開展一維電滲試驗，探究了間歇通電技術改善電滲效果的有效性，從排水量、抗剪強度、含水量等角度比較了不同通電周期和通斷比對電滲效果的影響.文中詳細介紹了試驗的過程和結果，在對比分析試驗數據的基礎上，得到以下結論：

1）處理時間較短時，間歇通電的效果不如連續通電，只有在處理時間較長時，間歇通電的優勢才會逐漸顯示出來，這也是導致已有文獻報道存在分歧的主要原因.

2）選取適當的通電周期和通斷時間比，間歇通電可以減緩電極腐蝕，提高電滲效率，使得排水量、抗剪強度等都優于常規電滲.

3）實際工程應用中，建議通斷周期選取1～4 h，通斷時間比取2.0.可視具體工期調整間歇通電模式，若工期較為緊張，可酌情適量提高通斷時間比.

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（編輯趙麗瑩）

Experimental research of the influence of current intermittence on electro?osmotic effect

TAO Yanli1，2，ZHOU Jian2，GONG Xiaonan2，CHEN Zhuo2
（1.Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，300384 Tianjin，China；2.Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University，310058 Hangzhou，China）

Series of one?dimensional electro?osmotic laboratory tests were conducted in a self?made tank to investigate the impactof currentintermittence on electro?osmotic effect.The tests were divided into two stages.In the first stage，time ratio of power on and off was fixed to study the effects of different power on periods，which were also compared with the result of continuous conduction.In the second stage，the power on period was fixed to study how different time ratios of power on and off affect electro?osmotic process.Currents and drainages were monitored every certain time during the test，while the distributions of shear strength，water content were measured after the test.The results suggest that the testing time possesses key influence on the effectiveness of current intermittence and the distinction of electro?osmotic effects obtained.With appropriate power on period and time ratio，current intermittence can result in lighter electrode corrosion and enhance electro?osmosis efficiency excessively.Finally，reasonable explanations of the different results in existing literature were given，and it is recommended to employ current intermittence for engineering application of the electro?osmosis technique，with the optimal power on period and time ratio of power on and off being 1-4 h and 2.0 respectively.

current intermittence；electro?osmosis effect；power on period；time ratio of power on and off

TU447

A

0367-6234（2014）08-0078-06

2013-07-18.

天津市軟土特性與工程環境重點實驗室開放基金資助項目（2011SCEEKL004）.

陶燕麗（1989—），女，博士研究生；

龔曉南（1944—），男，教授，博士生導師.

周 建，dzhoujian＠yahoo.com.