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电渗固结中接触电阻影响因素的试验研究

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2018年第3期

论文作者:郑凌逶 XIE Xin-yu(谢新宇) 李卓明 LI Jin-zhu(李金柱) 刘亦民

文章页码:655 - 663

关键词:电渗固结;接触电阻;电极腐蚀;导电面积比;影响因素

Key words:electroosmosis consolidation; contact resistance; electrode corrosion; ratio of conductive area; influencing factors

摘    要:为研究电渗固结过程中接触电阻的影响因素,使用铝电极在等电势情况下对滩涂淤泥开展电渗模型试验。分别采用不同预腐蚀处理的阳极和不同导电面积比的阳极进行电渗试验,并测量排水速率、电流、电势和试验前后的含水率。研究结果表明:腐蚀对电极–土的接触电阻影响不大,不同的腐蚀程度在电渗前期乃至整个电渗过程的排水效果未出现明显差异;增加导电面积比即阳极导电面积与被处理土体横截面积的比值可以减小接触电阻、提高电流,并且阳极导电面积比的最优值为0.47。建议工程应用中适当增加阳极导电面积比以提高电渗效率,可通过接触电阻试验确定最优值。

Abstract: A series of electroosmosis tests were conducted with aluminum electrodes and beach silt to study the influencing factors for contact resistance during electroosmotic consolidation on the condition of same potential. Anodes with different degree of corrosions and different conductive areas were used in the tests. Rates of drainage, current, potential and water content before and after the tests were measured. The results show that the electrodes corrosion has little effect on contact resistance between electrodes and silt, and there is no obvious difference of drainage for anodes with different degree of corrosions early or during the whole process. Increasing the ratio of the conductive area of anodes and the cross–sectional area of the soil can reduce the contact resistance and improve the conductivity. An optimum ratio of conductive area exists, which is 0.47. It is recommended that the ratio of conductive area should be increased appropriately in engineering applications to improve the efficiency of electroosmosis and its optimum value can be obtained by contact resistance trial tests.



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DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.019

电渗固结中接触电阻影响因素的试验研究

谢新宇1, 2,李卓明1, 2,郑凌逶1, 2,李金柱2,刘亦民1, 2

(1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心,浙江 杭州,310058;

2. 浙江大学宁波理工学院 土木建筑工程学院,浙江 宁波,315100)

摘要:为研究电渗固结过程中接触电阻的影响因素,使用铝电极在等电势情况下对滩涂淤泥开展电渗模型试验。分别采用不同预腐蚀处理的阳极和不同导电面积比的阳极进行电渗试验,并测量排水速率、电流、电势和试验前后的含水率。研究结果表明:腐蚀对电极–土的接触电阻影响不大,不同的腐蚀程度在电渗前期乃至整个电渗过程的排水效果未出现明显差异;增加导电面积比即阳极导电面积与被处理土体横截面积的比值可以减小接触电阻、提高电流,并且阳极导电面积比的最优值为0.47。建议工程应用中适当增加阳极导电面积比以提高电渗效率,可通过接触电阻试验确定最优值。

关键词:电渗固结;接触电阻;电极腐蚀;导电面积比;影响因素

中图分类号:TU472.5        文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2018)03-0655-08

Experimental study on influencing factors of contact resistance on electroosmotic consolidation

XIE Xinyu1, 2, LI Zhuoming1, 2, ZHENG Lingwei1, 2, LI Jinzhu2, LIU Yimin1, 2

(1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;

2. College of Civil Engineering and Architecture, Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China)

Abstract: A series of electroosmosis tests were conducted with aluminum electrodes and beach silt to study the influencing factors for contact resistance during electroosmotic consolidation on the condition of same potential. Anodes with different degree of corrosions and different conductive areas were used in the tests. Rates of drainage, current, potential and water content before and after the tests were measured. The results show that the electrodes corrosion has little effect on contact resistance between electrodes and silt, and there is no obvious difference of drainage for anodes with different degree of corrosions early or during the whole process. Increasing the ratio of the conductive area of anodes and the cross–sectional area of the soil can reduce the contact resistance and improve the conductivity. An optimum ratio of conductive area exists, which is 0.47. It is recommended that the ratio of conductive area should be increased appropriately in engineering applications to improve the efficiency of electroosmosis and its optimum value can be obtained by contact resistance trial tests.

Key words: electroosmosis consolidation; contact resistance; electrode corrosion; ratio of conductive area; influencing factors

沿海城市的发展促使滩涂场地开发成为岩土工程的热点之一。滩涂淤泥黏粒含量高、渗透性差、含水率高,传统排水固结技术(如真空预压、堆载预压等)对滩涂地基的处理效果不佳。电渗技术[1]凭借电渗透系数与土体粒径无关的优势逐渐得到越来越多的关注。电渗是向插入土体中的阴极和阳极通以直流电形成电场,使土体中水分随阳离子在电场作用下流向阴极并排出,对地基土起到排水加固作用。CASAGRANDE[1]将电渗现象引入土木工程领域,之后不同学者对电渗技术在地基处理应用领域进行了广泛研究。在理论研究方面,ESRIG[2]假设电势差和水头差形成的水流可以叠加,提出了一维电渗固结理论;苏金强等[3]在此基础上研究了电渗二维固结理论,给出了不同边界条件与初始条件下的特解;吴辉等[4]通过室内电渗试验分析电导率的变化规律提出了考虑土体电导率变化的电渗固结理论模型;王柳江等[5]建立热-水-力多场耦合数学模型分析了电极处产热对电渗效果的影响。在试验研究方面,李一雯等[6]指出裂缝大量开展前,电流降低率较小;符洪涛等[7]通过开展低能量强夯与电渗法联合加固软黏土地基试验,研究两者相互作用对电渗效率的提升;龚晓南等[8]研究了间歇通电模式对降低界面电势损失、提高电能利用率的影响;CASAGRANDE[9]指出电极与土体接触面上的接触电阻导致的电势损失可达到总电势的40%,是影响电渗效率的重要因素。此后,ZHUANG等[10]基于界面电压降假定,给出了界面电阻的简易表达式;OU等[11]通过向阳极与土体接触位置添加盐溶液研究减小接触电阻的方法。但是目前关于电渗过程中接触电阻影响因素的研究还比较少。

HOLM[12]解释了接触电阻的物理本质,提出Holm接触电阻模型。Holm接触电阻模型表明:接触电阻由界面电阻与收缩电阻组成。界面电阻由两接触材料的表面情况决定,电渗中受电极表面腐蚀等因素影响。收缩电阻与接触材料电阻率和导电面积相关。

本文作者从Holm接触电阻模型出发,在等电势情况下,采用不同腐蚀程度阳极开展界面电阻试验,采用不同导电面积阳极开展收缩电阻试验;研究电渗固结过程中接触电阻的影响因素,为提高电渗效率提供参考。

1  试验方案

1.1  试验装置

试验装置如图1所示,试验槽由左侧的土样室和右侧的排水室组成。土样室放置土样和电极,电渗过程中流向阴极的水分通过排水室进入排水室下方烧杯。土样室长×宽×高为188 mm×120 mm×130 mm。界面电阻试验的阳极板为铝板,长×宽×厚为130 mm×120 mm×4 mm。收缩电阻试验的阳极板由不同数量并按一定规则排列的长×宽×厚为130 mm×14 mm×4 mm铝板并联组成;阴极板长×宽×厚为130 mm×120 mm×4 mm的铝板。阴极板上均匀布置56个直径为4 mm的圆孔,以利于电渗汇集到阴极的水分顺利排出。阴极与土样接触面包裹纱网作为反滤层,并在试验前用水润湿,减小试验中排水量的测量误差。为了测量试验中的有效电势以计算接触电阻,在距离阴极和阳极20 mm处分别插入2根长70 mm、直径1.5 mm的不锈钢测针W1和W2用于测量电势。

图1  电渗试验装置图(单位:mm)

Fig. 1  Diagram for electroosmotic device

1.2  试验土样

试验土样取自浙江宁海滩涂淤泥,土样基本物理力学性质见表1。原状土烘干后按照95%的目标含水率配制成重塑土。

表1  原状土的基本物理指标

Table 1  Physical parameters of original soil

1.3  试验设计

界面电阻由电极表面决定,在电渗试验中主要反映在阳极的腐蚀程度等方面,本文研究电极腐蚀对界面电阻的影响。在进行界面电阻试验前对阳极进行预腐蚀以形成不同腐蚀程度的阳极表面。结合以往学者的文献和前期试验规律,为保证腐蚀均匀度和对应电渗周期不同阶段的腐蚀情况,在容器盛放的海水中进行预腐蚀处理。采用1 A恒流电源,对4块阳极分别进行0,12,24和36 h的预腐蚀,试验编号分别为A1,A2,A3,A4。然后将其作为阳极在等电势情况下进行电渗试验以研究电渗固结过程中腐蚀对接触电阻的影响,电源电压Et均采用18 V,试验分组情况见表2。

收缩电阻与导电面积相关,在电渗试验中与电极–土接触位置导电面积相关。考虑导电面积绝对值在模型试验采用不同缩放比时不可比较的局限性,本文采用电极–土接触位置导电面积与被处理土体横截面积的比值(即导电面积比)替代导电面积进行研究。收缩电阻试验不同导电面积比是通过并联不同数目的同尺寸阳极板实现的,并联数目分别为1,2,4,6,试验编号为B1,B2,B3,B4。电源电压Et均采用9 V进行电渗试验以研究导电面积比对接触电阻的影响。试验分组条件见表2。

表2  试验条件汇总

Table 2  Summary of test conditions

填装土样前在试验槽内壁均匀涂抹凡士林,以减小试验过程中内壁对土体沉降的阻滞作用;试验槽中布设相应阳极板和包裹反滤层的阴极板;将土样搅拌均匀后,在试验槽中分层密实填入土样,保证土样内部自然密实、土样与电极紧密接触;试验槽中取土样测量土样含水率后,在试验槽上方密封一层塑料薄膜隔离土样与外部流通空气的接触,以减小试验过程中土样水分蒸发损失;安插、固定电势测针和连通电源导线后静置12 h,再通电进行电渗试验。界面电阻试验(A组)和收缩电阻试验(B组)在试验过程中分别间隔1 h和2 h记录一次电流、排水速率和测点处电势;试验结束后分别在土样室中部和距离阴极、阳极20 mm处3个位置取样测含水率。

2  界面电阻试验结果

2.1  界面电阻试验电流

电流随时间变化曲线如图2所示。由图2可见:在电渗的前期,4组不同腐蚀程度阳极的试验电流随时间变化曲线几乎重合。说明在土样含水率和施加电势相同时,电极腐蚀对接触电阻的数值影响较小。在电渗中后期,各试验组电流–时间曲线产生微小的交叉,但表现出相同的变化趋势,且都在试验进行到15 h后趋于稳定。因此,电极腐蚀在A组试验过程中对电流影响较小,即电极腐蚀对界面电阻影响较小。

试验电流呈现先增大后减小的趋势,这与多数学者试验研究中电流单调下降趋势不同。李瑛等[13]关于含盐量对电渗效果影响的试验研究中也表明:土体含盐量低时,电流呈下降趋势;随着含盐量提高,电流逐渐呈现先升高再下降的趋势。本文试验土样为含盐量较高的滩涂淤泥,电流的变化趋势与试验土样高含盐量有关。

图2  电流随时间变化曲线

Fig. 2  Variation of current with time

2.2  界面电阻试验排水速率

根据ESRIG[2]电渗排水固结理论,排水速率为

                (1)

式中:ve为电渗排水速率;ke为土体的电渗透系数;Et为施加在阴极和阳极之间的电势差;S为通过水流或电流的土体横截面积。

式(1)中的电势差用电流强度代替,则有

               (2)

式中:ρ1和I分别为土体的电阻率和电路中的电流强度。

式(2)表明电渗排水速率与电流正相关。

排水速率随时间变化曲线如图3所示。对比图3与图2可知:试验过程中排水速率与电流变化趋势相同。排水速率也呈先升高后下降的趋势,且前期排水速率相近,中期略有区别,在15 h后差别缩小。当电极材料为纯铝时,电极腐蚀对电渗前期乃至整个电渗过程中的排水速率影响很小。

图3  排水速率随时间变化曲线

Fig. 3  Variation of rate of drainage with time

2.3  界面电阻试验最终含水率分布

最终含水率分布如图4所示。4组试验土样在处理前平均含水率为92.8%。在电渗处理后,含水率最高的阴极附近含水率低于75.0%,含水率较低的阳极附近与土样中部含水率降低到45.0%左右,电渗处理排水效果显著。4组不同腐蚀程度的阳极试验在电渗结束后含水率分布几乎重合,进一步说明电极腐蚀对界面电阻影响甚微,可以忽略。

试验发现处理后土样中部含水率略低于阳极附近土体的含水率,这一现象与多数学者研究不符。原因可能是阳极腐蚀后铝离子在阳极附近土体反应生成具有吸水性能的氧化铝或絮凝状的氢氧化铝等产物,吸收部分水分。在加热测量土样含水率时,水分受热蒸发,导致含水率测试值偏高,在一定的电渗处理时间后测得阳极附近的含水率仍然会略高于土样中部含水率。

图4  最终含水率分布

Fig. 4  Final distribution of water content

2.4  界面电阻试验接触电阻

陶燕丽等[14]研究发现电渗过程中阴极与土体接触位置接触电阻很小,因此假设接触电阻即为阳极与土体接触位置的接触电阻,两电势测针电势差即为土体两端电势差,则

               (3)

式中:Ec为土体与电极接触处电势损失;Es为测针测得的土体电势差。

由欧姆定律得接触电阻Rc

               (4)

由式(3)和式(4)结合土体电势差和电流等试验数据可得接触电阻在试验过程中的变化趋势,如图5所示。由图5可见:4组试验接触电阻均随时间逐渐增加,前期试验接触电阻差别不大,到中期接触电阻从高到低依次为A1,A3,A2,A4,后期接触电阻从高到低依次为A3,A1,A2,A4。接触电阻与电极腐蚀程度无关,因此电极腐蚀对接触电阻没有影响。

图5  接触电阻随时间变化曲线

Fig. 5  Variation of contact resistance with time

3  收缩电阻试验结果

3.1  收缩电阻试验电流

电流随时间变化曲线如图6所示。由图6可见:4组试验的电流均随时间先增大再减小。试验前期导电面积比高的试验电流高,中期三者逐渐靠近,后期电流反转。说明导电面积比的增加能够提高前期电流,即减少收缩电阻损失。中后期电流逐渐靠近甚至反转,是因为导电面积比较大的试验前期电渗效率高,排水速率更快,总电阻升高较多,导致电流下降较快;导电面积比小的试验则相反。所以中期电流逐渐靠近,到电渗后期导电面积大的试验电渗更早进入末期,电流曲线发生交叉。

随着阳极板数目n的增加电流增幅越来越小,持续增加导电面积比虽然能提高电流,但是增加的阳极已经不能充分发挥效用,电流提高幅度较小。由此可知,阳极导电面积比存在最优值,低于最优值的电渗效果不佳,高于最优值的能耗过高。

图6  电流随时间变化曲线

Fig. 6 Variation of current with time

3.2  收缩电阻试验排水速率

排水速率随时间变化曲线如图7所示。结合图7与图6可知:收缩电阻试验排水速率与电流的关系仍然符合式(4)描述的规律。排水速率随时间先增大后减小,前期排水速率从高到低依次为B4,B3,B2,B1,中期三者逐渐靠近,后期排水速率从高到低依次为B1,B2,B3,B4。导电面积比高的试验前期电流大,排水速率高,耗时更短进入电渗末期,排水速率降低。与此同时,B1土体还在继续排水,排水曲线发生交叉。由图7可见:B4土体的排水速率远比导电面积比最小的B1土体的高,电渗有效周期也更短;但B4土体提升效果比B3土体的提升效果差,所以适当的导电面积比能够加快电渗排水,缩短电渗周期。

图7  排水速率随时间变化曲线

Fig. 7  Variation of rate of drainage with time

3.3  收缩电阻试验最终含水率分布

最终含水率分布如图8所示。图8表明:4组试验处理效果差别较大。土样在试验后含水率均降低到80%以下,阳极导电面积比最高的B4各处含水率最低,阳极导电面积比最低的B1含水率最高,这与图7试验排水速率的关系形成相互验证。B4土体电渗效果最好且与B3土体相差不大,导电面积比最小的B1土体电渗效果最差。提高阳极导电面积比在缩短处理周期的同时,还可以提高电渗处理效果。

图8  最终含水率分布

Fig. 8  Final distribution of water content

3.4  收缩电阻试验土体电阻

土体电阻随时间变化曲线如图9所示。图9表明:各试验组的土体电阻在前24 h基本不变,后期排水速率最低的B1土体电阻增长较小,排水速率高的试验组土体电阻急剧增大。这是因为随着土体中水分排出,导致排水较多的试验组后期土体裂缝较大,土体电阻增大。

图9  土体电阻随时间变化曲线

Fig. 9  Variation of resistance for soil with time

3.5  收缩电阻试验接触电阻

接触电阻随时间变化曲线如图10所示。对比图9与图10可知:在土体裂缝急剧发展之前接触电阻约为土体电阻的2倍,在电渗后期土体电阻增大,逐渐接近接触电阻。由图10可知:在电渗进入末期之前,接触电阻从低到高依次为B4,B3,B2,B1,即接触位置电势损失从低到高低依为B4,B3,B2,B1,可推断试验前期有效电势从高到低依次为B4,B3,B2,B1。随着土体中水分的排出,电渗后期电极与土体接触处产生较大孔隙,B4土体和B3土体的接触电阻急剧升高,超过导电面积比最小的B1土体,接触电阻的大小关系发生变化,但此时B4土体和B3土体的电渗进程已经可以停止。因此增加导电面积比可以减小接触电阻,提高有效电势。

图10  接触电阻随时间变化曲线

Fig. 10 Variation of contact resistance with time

4  电流–接触电阻分析

4.1  电流计算分析

由图9可知土体电阻在前24 h基本不变,结合图7可知这段时间是电渗排水主要阶段,因此取前24 h的试验数据研究电流与接触电阻的关系。

由欧姆定律可知

               (5)

式中:Rt为土体电阻。

由Holm接触电阻模型和式(5)可得

           (6)

式中:Rb为界面电阻;ρ1和ρ2分别为两接触材料的电阻率;r为两接触材料接触位置导电面积的等效半径。

使用铝电极时,电极腐蚀对界面电阻的影响很小,此处假定试验过程中界面电阻Rb为常数。土体电阻Rt在研究时间段内基本不变也可假定为常数。由Rt为常数可知土体电导率ρ1也为常数。

由试验设计部分使用阳极板数目等价替换导电面积比,因此式(7)等价为

               (7)

式(7)表明电渗主要排水阶段电流由导电面积比决定:当n=0时,电流为0;n逐渐增大,电流也急剧增大;在n超过某值时,电流随n增加的变化率很小,此时电流主要取决于a。

4.2  电流参数确定

取图6中4组试验4 h,8 h,12 h,16 h,20 h时的电流,以阳极板数目n为横坐标,电流为纵坐标绘图并分别拟合可得图11,其中各曲线拟合公式均符合式(9)的形式,拟合参数见表3。

图11  电流与电极数目关系拟合曲线

Fig. 11  Fitted curve of current and number of electrodes

表3  电流与电极数目拟合曲线参数

Table 3  Fitting parameters for current and electrode number

取4组试验前40 h电流数据进行拟合,a,b随时间变化关系如图12所示。图12表明:在前24 h电渗固结主体时间段a,b变化很小,因此可以采用式(7)对前24 h的电流进行预测。24 h后,电渗固结进入末期,土体裂缝发展、土体电阻Rt急剧增大,此时式(7)不再适用。针对本文工况取前24 h中a,b平均值可得a=1.9,b=0.4,即电流预测公式为

                (8)

图12  拟合系数与时间关系曲线

Fig. 12 Curve of fitting coefficient and time

取4组试验前24 h电流的平均值分别与式(8)对比可得图13。由图13可知:试验电流平均值与公式预测值吻合,证明预测公式的可行性。与n=4时相比,n=6时电极材料增加50%,电流仅增加3%,因此在电渗设计时可选择均匀布置4块阳极以取得较为经济的处理效果。此时阳极导电面积比为0.47,在电渗排水主体阶段可由式(8)求得试验平均电流。

图13  电流与电极数目关系对比曲线

Fig. 13  Contrast curve of current and number of electrodes

5  结论

1) 接触电阻由界面电阻与收缩电阻2部分组成,铝电极的腐蚀程度对界面电阻影响很小,可着重于研究收缩电阻的相关影响因素以减小接触电阻。

2) 提高导电面积比可以减小接触电阻、提高电流和排水速率,进而提高电渗效率、缩短工期,在电渗固结过程中要尽量避免土体变形引起土体与电极接触面积减小等问题。

3) 阳极导电面积比存在最优值0.47,低于该值则电渗效率低,高于该值则造成浪费,具体工程的最优值可通过接触电阻试验确定。

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(编辑  赵俊)

收稿日期:2017-03-16;修回日期:2017-06-14

基金项目(Foundation item):国家自然科学基金资助项目(51378469) (Project(51378469) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者:郑凌逶,博士研究生,从事软黏土力学与地基处理研究;E-mail: zhenglingwei@hotmail.com

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