土壤含鹽量對電勢作用下黃土水分遷移影響試驗研究

焦丹，任芮花，王鐵行，宋彥琳，張磊

(1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安，710055；2.西安建筑科技大學理學院，陜西西安，710055)

淺層黃土基本處于非飽和狀態。非飽和黃土質地疏松、孔隙大、垂直節理發育，可溶鹽含量高，具有濕陷性。隨著含水量的增加，黃土強度與穩定性都逐漸降低，從而給黃土地區的工程建設帶來隱患。土體含水量的變化是土體水分遷移的結果。對淺層黃土體而言，土體水分遷移的動力(水勢)主要包括重力勢、基質勢和溫度勢，本試驗對土體施加直流電場，將電勢作為一種新型驅動力研究其對非飽和黃土水分遷移的影響。降低土體含水量對于黃土基坑、隧道等工程而言能夠增加其工程穩定性[1]。黃土地區直立邊坡高度多為10～20 m，土體含水量為6%～10%。根據地質類比法，利用電勢作用降低靠近坑坡土體含水量，形成低含水量坡體或重力式墻，從而增大基坑穩定性。目前，電滲法多應用于飽和軟土[2-9]及海相黏土[10]的排水固結，李瑛等[11]研究了不同電源電壓對飽和軟土電滲排水的影響。王協群等[12]采用不同電極材料對湖相軟土進行了電滲排水固結試驗，提出采用電滲排水法加固效果好、速度快。李瑛等[13]通過對比分析排水量、含水量等研究含鹽量對飽和軟土電滲排水的影響。王甦達等[14]結合電滲脫水原理及路基施工情況提出了過濕土填筑路基電滲法施工工藝。這些研究均表明電滲法加固飽和土效果顯著，但電滲法在非飽和黃土方面的研究較少。黃土組成成分中有一定含量的鹽分，其中易溶鹽類包括氯化物鹽類、易溶的硫酸鹽及碳酸鹽類等，含鹽量對土體工程地質性質產生很大影響，且不同地區黃土含鹽量不同，成分也大不相同。本文作者以非飽和黃土作為研究對象，研究不同含鹽量對電勢作用下黃土水分遷移的影響，為處理黃土地基提供新思路。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

為了滿足土樣制備及觀察試驗過程中土樣變化情況，試驗盒采用8 mm厚可拆卸透明耐壓玻璃制成，分為上部土樣盒和下部固定支座。土樣盒內部長×寬×高為21.5 cm×10.0 cm×16.0 cm。陽極和陰極均采用10 cm×10 cm的鐵絲網格，鐵絲直徑為1 mm。電極材料與土樣之間放置土工布作為反濾層。考慮電極材料與土工布厚度，實際陽極材料與陰極材料間距為21 cm。土樣長×寬×高為21 cm×10 cm×10 cm。圖1所示為電滲裝置圖，其中，V1～V5表示電勢測針，用于測量該處土體的電勢。

圖1 一維電滲裝置圖Fig.1 Setup developed for one-dimension electro-osmosis

試驗電源采用直流電源，最大輸出電壓為30 V，并能保證長時間穩壓輸出。試驗控制電勢梯度為1 cm/V。各組試驗電壓均采用20 V。采用萬用表測量電流及電壓變化。

1.2 試驗土樣

試樣土料取自陜西西安，為晚更新世Q3馬蘭黃土，根據勘察報告可知：該地區土體干密度介于1.35～1.65 g/cm3之間，土體含水量最小值為14.2%，平均含水量為20.3%。表1所示為原狀土試樣基本物理參數。

試驗前將原狀黃土風干、碾碎并過孔徑1 mm篩備用。為保證試驗過程中土體接觸性良好，配置土樣干密度為1.65 g/cm3。按土、水質量比1:5浸水攪拌均勻，待溶液澄清后用吸管將清液排出，反復進行7次，土懸液電導率小于1 ms/cm時，土樣變成素土[15]。將素土烘干、碾碎，過孔徑1 mm篩備用。試驗時先將鹽溶于水，再用溶解充分的鹽水配制土樣。試驗用鹽為NaCl。含鹽量為NaCl與干粉質量比，分別為0，0.25%，0.50%和1.00%。

表1 原狀土物理參數Table 1 Physical parameters of undisturbed soil

1.3 試驗步驟

按照初始含水量與含鹽量不同分成7組試樣，試驗條件如表2所示。

試驗步驟如下：

1)按照設計含水量、含鹽量配制土樣，靜置24 h，使土樣均勻；

2)拼裝試驗盒，在陰陽兩級放置電極材料及土工布，將配制好的土樣分層填入試樣盒中，靜置24 h；

3)連接電路，并插入電勢測針。打開直流電源開關，試驗中每隔1 h記錄1次電流和電壓。當電極腐蝕嚴重后各測針處土體電勢不再變化時結束試驗，其中，第4組試樣通電25 h，第7組試樣通電20 h，其他試樣均累計通電45 h。

將土樣取出并用削土刀削去上半部分土樣，在截面上依次從距陽極0.5，2.5，4.5，6.5，8.5，10.5，12.5，14.5，16.5，18.5和20.5 cm處取樣，并用烘干法測量各處土體含水量。

表2 試驗條件Table 2 Test condition of soil sample

2 試驗結果和分析

2.1 水分遷移結果分析

為了便于對土體內含水量變化進行描述，將試驗土樣沿水平方向分為陽極區與陰極區，靠近陽極的一半土體為陽極區，另一半為陰極區[16]。通電結束后，陽極區土體的含水量低于初始含水量，陰極區土體的含水量高于初始含水量，且越靠近陽極，含水量的降低越大。直流電場作用下土體中的水向陰極移動。陽極附近含水量降低最多，兩極之間次之，陰極附近含水量高于初始含水量。

試驗過程中均無水分排出。圖2所示為沿土樣長度方向上土體含水量的變化。由圖2可知：初始含水量為14.2%時，第3組試樣陽極附近含水量的降低幅度最大，達到6.66%。不同含鹽量土體含水量降低效果從大到小依次為第3組、第2組、第1組、第4組試樣，結果表明：土體含鹽量較低時，鹽分的增加能夠促進土體水分遷移，且土體含鹽量在0.25%～0.50%時水分遷移效果最顯著。含鹽量對含水量降低的影響規律為先增大后減小。當含鹽量過高時，由于Cl-對電極的腐蝕作用，電滲效果逐漸降低，當電極材料腐蝕斷裂時，通過土體的電流幾乎為0A，此時土體無電滲效果。

圖2 土體含水量的變化分布曲線Fig.2 Change values of water content of soil

初始含水量為20.3%時，第5組試樣陽極附近含水量的降低最多，達到5.79%。由于電極材料的腐蝕，試驗后期土體內電流很小，第6組和第7組試樣電滲作用減弱。對比初始含水量為14.2%與20.3%的土體，土體不含鹽時，初始含水量越高，水分遷移效果越明顯，陽極附近土體含水量的降低越大。土體含鹽且初始含水量較高時，含鹽量越高對電極的腐蝕作用越強，對土體水分遷移的促進作用越差。

試驗過程中，陰極無水排出，土體含水量的變化一部分是由電勢作用下土體的水分遷移造成，另一部分是由電場作用下的電化學反應造成。

陽極電化學反應方程式：

陰極電化學反應方程式：

由于陰陽兩級附近電化學反應的發生，因此，陽極附近土體呈酸性，陰極附近土體呈堿性。

2.2 電極腐蝕

通電結束后，第1，2，5組試樣陽極材料被腐蝕變細，無斷開現象；第3，4，6，7組試樣陽極腐蝕嚴重，陽極材料出現斷開、斷裂現象。圖3所示為第1組和第6組腐蝕后的陽極材料。

圖3 腐蝕后的陽極材料Fig.3 Anode material after corrosion treatment

試驗過程中，除了水分遷移，土體還進行著一系列復雜的化學反應。陽極金屬電極失去電子被氧化成為金屬陽離子，反應過程為

Cl-與Fe2+生成FeCl2，加速陽極過程，導致金屬發生嚴重的腐蝕，且含鹽量較高時，土體Cl-濃度高，對金屬電極材料腐蝕更嚴重。陰極發生還原反應，電極材料無明顯腐蝕現象。

2.3 電勢分布

電滲試驗所施加的電勢指的是電滲土樣兩電極之間的電勢，由于在電極和土體的接觸面上存在界面電阻，實際用于土體電滲的電勢并不等于電源電壓，而是實際作用在土體兩端的電壓差，即測針1與測針5的電勢差。界面電阻會分去一部分電勢，損失在陽極與土體接觸面上的電勢稱為陽極電勢降，損失在陰極與土體接觸面上的電勢稱為陰極電勢降[16]。

表3所示為界面電阻引起的陽極電勢降。由表3可見，第2組試樣陽極電勢降隨電滲時間先降低后逐漸趨于穩定，其他試樣的陽極電勢降均隨著電滲時間逐漸升高。

表3 界面電阻引起的陽極電勢降Table 3 Reduction of positive voltage caused by interface resistance V

土體含水量較低時，陽極電勢降隨著含鹽量的增加先減小后增大，且含鹽量為0.25%時電勢降最小。洗鹽過程僅洗去部分易溶鹽，微溶硫酸鹽等仍留存于土體中，電勢作用下陽極電極附近土體呈酸性，微溶硫酸鹽在酸性介質中有可觀的溶解度[17]。由于土體除Cl-外還含有，金屬腐蝕速率隨溶液中Cl-與物質的量比的增大呈先減小后增大趨勢，界面電阻隨著溶液中Cl-與物質的量比的增大呈先減小后增大的趨勢[18]。初始含水量為14.2%的土體，當含鹽量為0.25%時，界面電阻達到最小。當含鹽量較高，即Cl-濃度較高時，電極表面沉積鹽膜較疏松，加速腐蝕反應進行。對于初始含水量為20.3%的土體，當含鹽量為0.25%時，試驗前期陽極電勢降較小，隨著試驗的進行，界面處Cl-濃度不斷升高，陽極材料不斷被腐蝕，導致陽極電勢降變大。對比第1組和第5組試樣，土體不含鹽時，初始含水量越大陽極電勢降越小。表4所示為界面電阻引起的陰極電勢。由表4可知：含鹽量越高陰極電勢降越大，且陰極電勢降隨電滲時間逐漸降低。

表4 界面電阻引起的陰極電勢降Table 4 Reduction of negative voltage caused by interface resistance

圖4所示為第1～3組試樣不同時刻的電勢分布。由圖4可知：第2組試樣陽極區土體電勢隨電滲時間逐漸降低且變化較小，陰極區土體電勢斜率在10 h后隨電滲時間不斷增大。這是由于土體水分遷移量隨電滲時間延長不斷增大，而且陰極區含水量分布梯度較大(圖2)，導致陰極區電勢斜率比陽極區的略大。第1組和第3組試樣不同時刻電勢均近似呈線性分布，隨著電滲時間的延長，不同位置土體電勢逐漸增大且電勢斜率逐漸變小。土體含鹽時土體電勢增大速率比土體不含鹽時的大，且試驗后期，不同位置處土體電勢均接近于電源輸出電壓。

對比圖4(a)和圖2可知：通電45 h后，土體電勢分布曲線與含水量變化值的分布曲線變化趨勢一致。電勢作用下黃土發生水分遷移，沿土體長度方向上電勢的變化主要由土體含水量的變化引起。第2組試樣的陽極區與陰極區電勢分布斜率變化最明顯，土體水分遷移最顯著，第3組試樣的陽極區與陰極區電勢分布斜率變化次之，水分遷移量次之，第1組試樣陽極區與陰極區電勢分布斜率變化最小，水分遷移量最小。陽極區與陰極區電勢分布斜率的變化間接反映土體水分遷移程度。

由于電極與土體接觸面上存在界面電阻，試驗過程中實際電勢梯度并非為1 cm/V，而是用土體兩端的電勢差與土體長度的比值。將測針1與測針5之間電勢差作為有效電勢，將其與兩測針間土體長度的比值作為有效電勢梯度。

圖4 第1～3組試樣不同時刻電勢分布Fig.4 Voltage distribution at different times of samples 1-3

圖5所示為有效電勢梯度隨電滲時間的變化曲線。由圖5可知：除第2組和第6組試樣以外，其余試樣的有效電勢梯度均隨電滲時間逐漸降低，第2組試樣有效電勢梯度先隨時間不斷升高，后趨于穩定。由于帶有2個負電荷，具有極強的親核性，與Cl-在金屬表面的競爭吸附降低了金屬的腐蝕速率，因此，對金屬具有一定的緩蝕作用[18]。初始含水量為14.2%，含鹽量為0.25%時，對金屬的緩蝕效果達到最大，隨著試驗的進行，陽極電勢降減小，有效電勢增大，從而導致有效電勢梯度優于其他試驗。初始含水量為20.3%，含鹽量為0.25%時，由于對金屬的緩蝕作用，土體有效電勢梯度先隨時間緩慢上升，隨著時間延長，界面處Cl-濃度逐漸增大，電極材料的腐蝕嚴重，導致試驗后期有效電勢梯度不斷下降。

圖5 有效電勢梯度隨電滲時間的變化曲線Fig.5 Variation of effective voltage gradient with time

2.4 電流變化

圖6所示為電流隨電滲時間的變化曲線。由圖6可知：含水量越高，土體導電性能越好，通過土體的電流越大。含鹽量越高，土體溶解離子的濃度越高，土體導電能力越強，電流越大。電流隨時間的總體變化趨勢為先短暫增大后不斷衰減，且含鹽量越高，波峰越明顯，其后衰減的速率也越快。隨著時間延長，陽極材料不斷被腐蝕，含鹽量較高時，腐蝕速率較快，界面電阻不斷增大，導致電流不斷衰減，且含鹽量越高，衰減速度越快。由于電極腐蝕嚴重，第3，4和7組試樣后期電流趨近于0 A。第2組試樣的腐蝕程度較小，后期電流衰減速度越慢，且均比其他試樣的高。

圖6 電流隨電滲時間的變化曲線Fig.6 Variation of current with time

隨著電滲試驗的進行，陽極電極材料不斷被腐蝕，界面電阻逐漸增大，導致土體總電阻增大，土體電流隨之下降，因此電流的變化間接反映電能利用率[19]。不同試驗土體初始電流不同，為便于對比分析，定義電流降低率：

式中：Q為電流降低率，%；I為土體電流，mA；I0為初始電流，mA。表5所示為不同試樣電流降低率。由表5可知：當土體不含鹽時，在相同通電時間下，初始含水量越高，電流降低率越小，電能利用率越高。當土體含鹽時，除第2組試樣外，通電結束時電流降低率均高于90%，電能利用率較低。當土體為低含水量、低含鹽量時，電流降低率較小。當含鹽量較高時，電極腐蝕嚴重，導致界面電阻增大，電流降低率越大，電能利用率越低。

表5 不同試樣電流降低率Table 5 Current reduction rate of different samples

2.5 土體電阻率變化

土體電阻率反映土體的導電性能，是土體性質的重要參數之一[20]。為了比較有效電勢作用下不同含鹽量土體的電阻率，定義土體電阻率：

式中：ρ為土體電阻率，Ω·m；E為土體有效電勢，V；A為土體橫截面面積，m2；L為有效電滲試驗土體長度，m；I為電流，A。各組試樣土體橫截面面積均為0.01 m2，有效電滲試驗土體長度均為20 cm。

2.5.1 初始土體電阻率隨含鹽量變化

圖7所示為含鹽量與初始土體電阻率的關系曲線，擬合后為一階遞減指數曲線。由圖7可知：初始含水量越高，初始土體電阻率越小；初始含水量相同時，土體電阻率隨含鹽量的增加呈指數降低。土體含水量越高，導電性能越好。土體含鹽量的增大導致陽離子濃度增大，導電能力越強，從而導致初始土體電阻率隨含鹽量的增加呈指數形式降低。

圖7 初始土體電阻率隨含鹽量變化曲線Fig.7 Variation of soil sample initial resistivity with salinity

2.5.2 土體電阻率隨時間變化

圖8所示為各組試驗土體電阻率隨時間變化曲線。由圖8可知，通電期間土體電阻率是動態變化的。試驗過程中土體電阻率隨土體中的離子遷移而發生變化。第1組試樣土體電阻率最大，試驗前期先降低后緩慢升高，試驗后期土體電阻率隨時間波動。除第1組試樣外，其他試樣的土體電阻率均先降低后升高。由于通電初期離子溶解度較高，土體電阻率呈現微降趨勢[21]，隨著離子的定向遷移，孔隙水中活性離子減少，土體電阻率隨之增大。

圖8 土體電阻率隨電滲時間的變化曲線Fig.8 Variation of soil sample resistivity with time

3 結論

1)通電條件下，土體含水量越高，水分遷移效果越明顯。初始含水量較低時，含鹽量對非飽和黃土水分遷移效果影響顯著。受土體中離子濃度的影響，水分遷移效果隨含鹽量的增加先增大后減小，含鹽量為0.25%～0.50%時效果最顯著。初始含水量較高時，含鹽量越高對電極的腐蝕作用越大，對土體水分遷移的促進作用越差。

2)土體含水量的變化由電勢作用下土體的水分遷移及電化學反應造成。由于陰陽兩級附近發生電化學反應，陽極附近土體呈酸性，陰極附近土體呈堿性。

3)土體含水量越高，電流越大，土體電阻越小。初始含水量相同時，電流隨土體含鹽量的增加而增大。含鹽量較高時，電流降低率越大，電能利用率越低。不同位置處土體電勢近似呈線性分布，陽極區與陰極區電勢分布斜率的變化反映土體水分遷移程度。含水量較低時，由于的緩蝕作用，隨含鹽量增加，界面電阻先減小后增大，導致陽極電勢降先減小后增大，含鹽量為0.25%時，有效電勢梯度隨著時間延長先增大后趨于穩定。

4)含水量越高，初始土體電阻率越小。含水量相同時，土體電阻率隨含鹽量的增加呈指數降低。試驗過程中土體電阻率隨著土體中的離子遷移而不斷發生變化。