電滲試驗中土體電阻變化規(guī)律探究

摘 要：電滲法作為一種新興的地基處理方式，能加快土體的排水固結，提高土體強度。該文通過設置7組試驗，研究電滲試驗中土體電阻的變化規(guī)律。試驗結果表明，隨電滲時間的延長，土體總電阻值呈現出先減小后增大的變化趨勢，這種變化規(guī)律主要取決于靠近陽電極處土體電阻的變化。并且，土體電阻的大小與干密度和含水率均有關系，具體表現為土體的干密度越大，試驗后陽電極處土體的含水率降低越多;在一定范圍內土體的含水率越高，電阻越小。

關鍵詞：電滲;電阻;含水率;干密度;室內試驗

中圖分類號：TU472 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0073-04

Abstract： As an emerging foundation treatment method， electroosmosis can accelerate the drainage and consolidation of soil and improve soil strength. In this paper， 7 groups of tests were set up to study the change laws of soil resistance during electroosmotic tests. The test results show that with the extension of electroosmosis time， the total resistance of the soil shows a change trend of decreasing first and then increasing. This change rule mainly depends on the change of the resistance of the soil near the anode electrode. Moreover， the resistance of the soil is related to both dry density and water content. The specific performance is that the greater the dry density of the soil， the more the water content of the soil at the anode electrode decreases after the test; the higher the water content of the soil within a certain range， the smaller the resistance.

Keywords： electroosmosis; resistance; moisture content; dry density; indoor test

基于土顆粒本身帶負電荷這一現象，國內外學者開始利用電滲法對地基進行處理。在直流電場中，帶負電荷的黏土顆粒會在外加電勢的作用下移向正極，即電泳現象;而土體中的水分子和水化陽離子會移向負極，即電滲現象。當前，對電滲法在飽和軟土中的應用研究已較為成熟，常與堆載預壓、真空預壓等方法聯合加固土體。2021年呂延棟等[1]用“電滲-堆載-化學灌漿”法加固軟土地基，發(fā)現該方法能延長有效排水時間;2023年柏巍等[2]進行了電滲與真空預壓聯合室內試驗，分析了摻砂比和電壓對殘余含水率的影響;2024年劉娉慧等[3]在電滲試驗中摻加不同固化劑，發(fā)現電滲聯合固化劑可以更大程度地提高尾礦的強度;同年，周衛(wèi)東等[4]進行真空聯合陽極跟進電滲法室內試驗，提高了土體的加固效果。

電滲會加快土體的排水速率，改變其的含水率分布，使得試驗后陽極區(qū)土體含水率降低，陰極區(qū)土體含水率升高。本文在此理論基礎上，設計7組試驗，探討電滲試驗中土體電阻值的變化規(guī)律，進一步完善電滲試驗研究。

1 試驗設置

1.1 試驗土體初始條件

土體的孔隙比和導電性均受干密度這一指標的影響，故設置干密度不同的3組試驗研究電滲過程中土體電阻值的變化規(guī)律。各組試驗土體的初始條件見表1。

1.2 試驗裝置

試驗裝置分為固定底座和土樣盒，均由透明玻璃粘結而成。試驗時，在土體中布置V1—V5五根金屬探針，探針將土體分為R1、R2、R3和R4四個區(qū)域，布置一臺電壓表用于測定試驗中土體各探針處的電壓值，一臺電流表用于測定試驗中流經土體的電流值，試驗采用金屬網狀電極，直流電源。試驗裝置[5]尺寸和電路連接[6]如圖1所示。

1.3 試驗步驟

1）將制備好的土樣填入土樣盒后，調節(jié)電源電壓至20 V，接通電路開始試驗，為保證試驗的連續(xù)性，每隔1 h記錄一次經過土樣的電流值和土樣各探針處的電勢值。

2）達到設定的電滲時間后結束試驗，在土樣既定的含水率取樣點取樣并測其含水率。

3）由試驗中記錄的各探針處電壓值和電流值，計算各組試驗土體的總電阻和區(qū)域電阻。

2 試驗結果分析

2.1 含水率變化分析

圖2為不同干密度土體電滲試驗后各取樣測點的含水率分布圖。由圖2可知，在直流電場中，土中水可以在電勢能的驅動下發(fā)生遷移，使得靠近陽極區(qū)域土體含水率低于初始值，靠近陰極區(qū)域土體含水率高于初始值，這與現有研究結論相符合。除此之外，試驗結果還表明，干密度值越大的試驗土體，在陽極電極處其含水率降低值越大，電滲效率越高。這是因為干密度與土體密實程度成正相關，越密實的土體，其孔隙比越小，一則增大了電極與試驗土體的接觸面積，二則空氣含量低使得試驗土體的電阻率減小。

2.2 電阻變化分析

本次試驗中，系統誤差及試驗土體之外的其他電阻忽略不計，V1探針和陽電極、V5探針與陰電極的距離較近，故粗略認為界面電阻為V1和V5到陽、陰電極之間產生的電阻。故土體總電阻可表示為

式中：R界為界面電阻，Ri為被金屬探針分割的4個區(qū)域土體對應的電阻。

試驗電路中總電壓為20 V，由試驗過程中每小時記錄的各探針處電壓值和流經土體的電流值，根據歐姆定律可直接計算土體電阻值。圖3為電滲試驗中干密度不同的土體總電阻變化曲線，由圖3可知，隨電滲時間的延長，3組試驗土體總電阻值均呈現出先減小后增大的趨勢。這是因為電滲過程中電極發(fā)生電化學反應[7]，氧化物的產生使得其導電性降低;再者，電滲使試驗土體中的水分發(fā)生遷移，靠近陽電極處土體含水率降低增大了電阻率。進一步觀察發(fā)現，本次試驗中干密度為1.45 g/cm3的土體，其電阻值遠大于干密度為1.35 g/cm3和1.55 g/cm3的土體，這是因為影響土體電阻大小的因素，除干密度指標外，還有含水率指標，土體干密度值較大時，其對電阻率的影響程度高于含水率的影響程度，干密度值較小時，其對電阻率的影響程度低于含水率的影響程度。

圖4、圖5、圖6為電滲試驗中各區(qū)域土體的電阻變化曲線。由圖可知，對于干密度不同的土體，試驗中靠近陽電極處即R1和R2區(qū)域的土體，其電阻值均表現處較大程度的提高，且R1區(qū)域土體在試驗前期電阻值增大較為明顯，中后期電阻基本穩(wěn)定，而R2區(qū)域土體在試驗前期表現為電阻降低，中后期電阻迅速增加。這是因為電滲使土體中的水分從陽極遷往陰極，在試驗初期，從R1區(qū)域遷往R2區(qū)域的水分多于從R2遷往R3的水分，致使R1區(qū)域土體含水率迅速降低，電阻值增加，而R2區(qū)域土體則含水率提高，電阻值降低;試驗后期則與此相反，R1區(qū)域土體中的水分遷移速率降低，遷往R2區(qū)域的水分低于從R2遷往R3的水分，致使R2區(qū)域土體含水率降低，電阻值提高。進一步觀察圖4、圖5和圖6發(fā)現，土體中靠近陰電極的R3和R4區(qū)域在試驗中電阻值呈現較小的變化幅度。這說明土體總電阻的變化主要取決于靠近陽電極的R1和R2區(qū)域土體電阻值。

2.3 含水率與電阻關系分析

電滲過程中，R3和R4區(qū)域持續(xù)接受由R1和R2區(qū)域遷來的水分，R3和R4區(qū)域土體含水率持續(xù)提高，但其電阻值并未表現出持續(xù)降低的態(tài)勢，為進一步分析土體含水率與電阻值的關系，增做4組電滲試驗協助研究，試驗方法和步驟同1.2、1.3節(jié)，新增試驗的初始條件見表2。

如圖1（a）、圖1（b）所示，7組電滲試驗的土體共分得28個區(qū)域，每個區(qū)域土體包含3個含水率取樣測點，取3個取樣測點含水率的平均值作為本區(qū)域土體的含水率值，jJK0wRwmuHh3cu0jfFLTzQ==再由各探針處測得的電勢值和流經土體的電流值計算區(qū)域土體電阻值，經數據分析與擬合，即可得到含水率與土體電阻的關系曲線，如圖7所示。由圖7可知，土體電阻值與含水率呈非線性的遞減關系。具體而言，當土體的含水率處于18%～28%的區(qū)間內時，土體處于非飽和狀態(tài)，此時電阻值會隨著含水率的增加而急劇下降;而當含水率超過28%時，土體基本達到飽和狀態(tài)，此時電阻值受含水率變化的影響變得較小，趨于穩(wěn)定。故土體電阻值與含水率的關系表達式可表示為

R=42.35+3.74×103e-w/6.57 ， （2）

公式（2）未作量綱分析，且本次研究為更好地呈現試驗效果，初始含水率均設置較高，后續(xù)可進一步對低含水率土體展開研究。

3 結論

基于電滲法可以加固土體的原理，本文設計了7組試驗，旨在探究土體在電滲過程中電阻值的變化規(guī)律。試驗結果顯示，隨著電滲時間的延長，土體的總電阻值呈現出先減小后增大的變化趨勢，而這一變化模式主要受控于靠近陽電極部位土體電阻的變動。此外，土體的電阻大小與其干密度及含水率密切相關：具體而言，土體的干密度越大，試驗后陽電極附近土體的含水率降低幅度也越大;同時，在特定范圍內，土體的含水率越高，其電阻值則越小。

參考文獻：

[1] 呂延棟，朱龍祥，王旭，等.電滲-堆載-化學灌漿聯合處理淤泥質軟土的試驗研究[J].巖土工程學報，2021，43（增刊2）：100-103.

[2] 柏巍，王斐，孔令偉，等.湖相淤泥排水速率及殘余含水率的影響因素分析[J].土木工程學報，2023，56（增刊1）：116-124.

[3] 劉娉慧，趙琦琦，侯傳營.電滲法聯合固化劑改良尾礦漿液試驗研究[J/OL].華北水利水電大學學報（自然科學版），1-8[2024-08-04].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/41.1432.tv.20240328.1350.002.html.

[4] 周衛(wèi)東，張志鵬，符洪濤.電勢梯度對真空預壓聯合陽極跟進電滲法加固效果試驗研究[J].土工基礎，2024，38（2）：322-327.

[5] 焦丹，任芮花，王鐵行，等.土壤含鹽量對電勢作用下黃土水分遷移影響試驗研究[J].中南大學學報（自然科學版），2019，50（12）：3075-3083.

[6] 王華杰.非飽和黃土電滲作用及水分遷移規(guī)律研究[D].西安：西安建筑科技大學，2020.

[7] 張雷，王寧偉，景立平，等.電滲排水固結中電極材料的對比試驗[J].巖土力學，2019，40（9）：3493-3501，3514.

基金項目：廣東理工學院2023年校級科技項目（2023YBZK009）

作者簡介：王華杰（1994-），女，碩士，助教。研究方向為土力學、地基處理。