電極布置對電滲加固軟黏土的影響

司馬磊磊 王頌科

摘 要：本文通過室內試驗在固定尺寸的試驗箱內，同時進行了兩組不同電極布置形式的電滲試驗，此試驗采用不對等的陰陽極布置，其電極布置分別為：一個陽極對應四個陰極、一個陰極對應四個陽極，每個電極都與電源相連，保證有相同的電壓輸出。本試驗共計通電三十個小時，在通電完成后立刻對所加固的土體進行抗壓強度的測量，從所測量的強度數據中可以得出以下結論：多陽極布置情況下電滲加固后的軟黏土抗壓強度提高較大并且整個土體抗壓強度比較均勻，在電滲時應盡可能多的布置陽極；在電源電壓恒定，多陽極布置情況下電滲的電流強度較高有利于縮短電滲時間。

關鍵詞：電滲；電極布置；抗壓強度；抗剪強度；

0引言

電滲這一學科起步雖然很早，casagrande[1]于1939年首次將電滲成功地應用于德國某鐵路挖方邊坡工程中此后，電滲法被嘗試應用于不同類型的工程，但其發展道路及其坎坷，時至今日也沒有很好的推廣和應用，隨著這些年沿海城市的進一步開發，這也給我們提供了很好的試驗與推廣相結合的機會。電滲用于加固軟黏土地基已經有很長的歷史，但是其復雜的作用機制和眾多的不確定性因素一直阻礙它成為地基處理中的常規手段，并且在很長一段時間內幾乎無人問津。我國近年不斷增多的吹填造陸工程和疏浚淤泥的處理使得電滲重新成為國內巖土界關注和研究的熱點。國外學者Chew S H[2] 、Esrig[3]及國內學者曾國熙[4]、王協群[5]等已在許多方面對電滲進行研究，國內主要包括：利用間歇通電、電極轉換、或通過注入化學鹽溶液等技術手段來提高電滲處理效果；總而言之，目前對電滲的研究越來越全面但是在基礎方面還有問題值得去探究，比如不同電極布置對電滲強度的影響。

本文通過不同的電極布置方式去探究經過電滲加固后的軟黏土的強度對比，尋找出更為合理地的電極布置方式，提出可以通過改變電極布置方式來加固出滿足不同實際工程狀況的土體。

1 試驗基本情況

試驗用土為營口地區淤泥質粉質黏土。淤泥質粉質黏土夾薄層粉砂：灰～灰黑色，飽和，軟塑～流塑狀態，高壓縮性，稍有光澤，含有腐殖質，含大量貝殼碎片，有腥臭味，夾多層薄層粉砂。土體的物理力學性質如表1所示。

本試驗為電滲且不排水試驗，采用長×寬×高為28cm×22cm×17cm尺寸的驗箱，電極的布置方式如圖一所示，將一個陽極對應四個陰極的一組編號為A、將一個陰極對應四個陽極的一組編號為B，電極采用直徑為6mm的圓鋼，長度為25cm，電源電壓為恒定的直流電壓，電源的最大輸出電壓為100V，最大輸出電流為30A。

試驗步驟：首先將電極按照如圖一所示布置在試驗箱內，然后將電極分別用導線與直流電源直接連接，A組試驗的電流表接在陽極與電源相連的導線上量測A組試驗過程中的總電流，B組試驗的電流表接在陰極與電源相連的導線上量測B組試驗過程中的總電流；用VC8900D型號萬用表測量A、B組的陰極與陽極之間的電勢差；用型號為LCDG-ZJ1-51010的轉接式計量插座測量試驗過程中的總能量消耗；導線與電流表、電源、電極接好后開始通電，在前6個小時每隔半個小時記錄一次數據，在之后的24小時每隔一個小時記錄一次數據，數據內容包括：電流、電勢差、總的能量消耗；通電滿30個小時后停止通電與此同時測量A、B組陰極區和陽極區及中間部位的抗壓承載力及抗剪承載力。

試驗通電后兩組試驗的陰極均有氣泡冒出，并且B組試驗產生的氣泡比較明顯；在通電進行大約兩個小時之后兩組試驗都開始產生了裂紋，不過兩組試驗的裂紋的分布與裂隙大小有著截然不同的特點：A組試驗的裂紋以陽極為中心呈波紋型圍繞陽極分布但是裂隙較小；B組試驗則是在陰極與陽極間呈直線分布并且裂隙較大；并且兩組試驗產生裂縫的時間也不相同，B組實驗在電滲進行了一個小時的時候便出現了劈裂式裂縫而A組試驗則是在接近兩個小時的時候才出現波紋式裂縫。通電結束后的裂縫（見下圖）。

2 試驗中電流的變化情況

對于裂縫出現時間的不同以及裂縫大小的不同，從電流大小上我們可以看出，B組電流在0-1小時之間一直很大，而A組則相對較小，電流大的B組土體出現裂縫的時間比較早并且裂縫的寬度也比電流小的A組土體大，說明多電極陽極多的情況下電滲發生的層度比較劇烈；隨著劇烈的電滲反應土體開始出現裂縫，裂縫的出現導致土體電阻突然增大從而在A、B兩組試驗中電流出現了陡降區段；裂縫的出現使得電滲的效率有所降低。

試驗通電開始后，兩組試驗的電流變化趨勢相似，都是先增大后減小然后逐步趨于穩定，不過A組的最大電流和趨于平穩時的電流均比B租的電流小，由圖3可以看出A組試驗在試驗的整個過程最大電流為0.9安培而由圖3可以看出B組的最大電流則達到3.9安培；同樣由圖1可以看出A組試驗在試驗的最后趨于平穩的電流為0.05安培而由圖3可以看出B組趨于平穩的電流則達到0.6安培；A組試驗在進行到16個小時的時候電流已經下降到0.1安培，B組試驗則是在達到穩定的時候電流還接近0.5安培，從這些變化趨勢以及兩組試驗電流的最大值和最小值上我們可以得出：A組試驗在整個電滲過程電滲反應的強度一直低于B組試驗；A組試驗電滲的時間在16小時以后已經很微弱此時可以近似認為A組試驗已經結束，B組則保持0.5安培的電流強度，從電流強度的角度分析B組的電極選擇及排布優于A組。

從能量消耗的角度分析，A、B兩組試驗的能耗均是逐漸遞增的，但是能耗增加的幅度卻是逐漸降低的，其原因是剛開始土體的含水量很高土體的導電性較好電流是很大的，由于電源電壓恒定，所以其能量消耗單位時間內增加的幅度較大；隨著時間的增加A組的能量消耗增幅逐漸變小慢慢的逐漸趨于平穩而B組的能量消耗還呈現遞增趨勢，這是因為隨著電滲的進行兩組試驗土體均均產生了不同大小的裂縫導致土體電阻變大，電流變小其能量消耗幅值均有所降低；A組的最終能量消耗為0.17kw.h并且趨于穩定不在增加，說明其土體內電滲已接近結束，反應很微弱已經起不到加固的作用；B組的最終能量消耗為0.45kw.h如果繼續通電還有上升趨勢，說明B組試驗在試驗結束時電滲反應還在發生。

從能量消耗的曲線上可以得出在電滲過程中的電滲反應情況，在一定程度上可以作為停止通電及增加電壓的參考點，當能量消耗曲線趨于水平時此時可以選擇停止通電，如果想繼續使電滲發生則必須提高電源的輸出電壓，合理使用能量消耗曲線能夠節約不必要的通電時間。

在整個電滲過程總的能量消耗為3.2kw.h，而A、B兩組試驗的總有效耗能為0.62 kw.h占總能耗的19.4%，其能量主要消耗在直流變壓器以及土體的接觸電阻上面，可見電滲的電能利用率較低，因此在電能利用率這方面還需要做進一步的深化研究。

在通電結束后立即對A、B兩組試驗進行強度測量，每組試驗取30個強度測試點，每個電極周圍取3個點，陰陽兩極之間分散取了15個點，土體各個地方的強度值由這30個點的強度值繪制出等勢線來代替（如圖5和圖6）。

從圖5，圖6我們可以看到A、B組試驗土樣加固后都是陽極區域強度最大，陰極區域強度最小，中間區域強度居中；A組陽極區域最大值僅為58kpa并且離陽極越遠強度值越低，而B組加固后的土體強度最小值都比A組的最大值大，陰陽兩極之間的強度值相差較小，整個土體加固強度比較均勻；由上述可知陽極布置多的B組電流強度較大，電滲發生的劇烈程度較高，最后體現到加固后的土體強度上；比較兩組試驗的能量消耗與加固后土體強度的提升情況，可以以一定的能量消耗為代價換取更好的加固效果，同時在加固過程中時時結合能量消耗曲線用來監測電滲發生的情況以便于更充分的利用電能。

總而言之結合電流變化曲線、能量消耗曲線以及土體加固后強度等勢線可以得出：電滲過程中電流的大小對土體的電滲反應程度有著決定性作用，而電極的布置卻是影響電流大小的決定性因素，所以在電滲過程中合理選擇陰陽極的數量及電極布置情況，對電滲加固效果及能量消耗都有著重要的影響

結論：

多陽極布置情況下電滲加固后的軟黏土的抗壓強度提高較大并且整個土體抗壓強度比較均勻，在電滲時應盡可能多的布置陽極；電源電壓恒定時，多陽極布置情況下電滲的電流強度較高有利于縮短電滲時間，提高電滲效率；多陽極布置的情況下能量消耗是多陰極布置情況下的三倍，但其加固后平均強度提高明顯，且整體性好，因此可以以定的能量消耗為代價換取更好的加固效果。

參考文獻：

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司馬磊磊（1985– ），男，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向：復雜地質問題處理。

王頌科（1989–），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向：軟土地基處理及固化。