间歇通电下软黏土电渗固结性状试验分析
龚晓南1，焦丹1, 2
(1. 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州，310058；
2. 西安建筑科技大学 理学院，陕西 西安，710055)
摘要：在自制的电渗固结装置上，进行轴对称工况软黏土间歇通电和持续通电条件下的2组试验，对不同通电条件下土体电渗固结性状进行对比。研究结果表明：间歇通电下土体表面沉降变化、抗剪强度变化及含水量变化比持续通电下的均匀；间歇通电下土体有效电势高于持续通电下的土体有效电势，电能利用率较高；间歇通电下电极的腐蚀比持续通电下的电极腐蚀弱，表明间歇通电是一种比较经济、合理的电渗通电方法。
关键词：
中图分类号：TU472.5 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)06-1725-06
Experimental study on electro-osmotic consolidation of
soft clay under intermittent current condition
GONG Xiao-nan1, JIAO Dan1, 2
(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
2. College of Science, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)
Abstract: Two laboratory tests for soft clay in the axisymmetric shape under intermittent current and last current condition were conducted on electro-osmotic consolidation apparatus newly developed by authors. Comparison of electro-osmotic consolidation of soil mass under different current conditions were made. The results show that change of surface settlement, shear strength and water content under intermittent current condition are more uniform than those of soil mass under last current condition. Effective potential of soil mass under intermittent current condition is higher than that under last current condition, and power utilization of the former is higher than the latter. Electrodes corrosion under intermittent current condition is less than that under last current condition, and the former method is one more economical and reasonable method of electro-osmosis.
Key words: electro-osmosis; surface settlement; shear strength; effective potential
软黏土广泛分布于我国东南沿海和珠江三角洲地区，因其具有高含水量、高压缩性、低强度等性质，给工程施工带来了不便，因此，在施工前要对这种土质的地基进行处理。在诸多地基处理方法中，电渗法作为一种比较有效的方法，在许多工程中得到应用。电渗法是在土体两端通以直流电，使土体在短时间内完成渗透排水，并逐渐固结的一种地基处理方法。自Casagrand[1]将电渗排水法成功运用于铁路挖方工程以来，电渗法逐渐应用于实际工程，同时，相关的理论研究也不断取得进展，如：Esrig[2]提出了一维电渗固结理论；Lewis等[3]提出了二维电渗固结理论[3]，并给出了控制方程；Wan等[4]对电渗和荷载共同作用下土体电渗固结特性进行了研究，并提出了电渗加固中的“电极转换”技术；Shang[5]提出了电渗与堆载预压联合加固法的理论模型；Micic等[6]研究了间歇通电技术在电渗中的应用效果，并指出间歇通电可以减少电渗过程中的电极腐蚀和电能消耗。与此同时，汪闻韶等[7-9]进行了电渗相关的理论研究和室内试验；Zhang 等[10-14]从电极材料和界面电阻角度出发，研究了电渗固结，并进行了相应的数值模拟；房营光等[15-16]则研究了电渗和真空预压的联合作用。已有的研究结果表明，在渗透系数小于0.1 m/d的以黏粒为主的流泥、淤泥或淤泥质土中，电渗法处理地基效果差[17]，且电极腐蚀严重、耗电量大，同时，在电渗过程中，土体物理力学性质变化规律即电渗固结性状尚不明确。针对以上问题，本文作者利用自制的试验装置进行软黏土轴对称边界条件下的电渗固结试验，通过比较间歇通电和持续通电条件下的试验结果，得到间歇通电条件下土体电渗固结的一些试验规律，这对实际工程具有一定的指导作用。
1 试验
1.1 试验材料
本试验土体取自杭州余杭地区软黏土，天然状态下土体各项物理性质指标见表1。试验使用原状土体重塑后的重塑土样，制作过程是：将烘干、磨碎、筛分后的干燥粉末加适量的水调匀，密闭静置24 h，以保持土样含水量均匀。
表1 天然状态土的基本物理性质指标
Table 1 Basic physical properties of natural soil
1.2 试验装置
试验在自制的电渗固结装置上进行。该装置由主体部分、测量部分和电源3部分组成，如图1所示。主体部分是1个有机玻璃桶，电极放置其中，上部有盖板及杆件相连。其中有机玻璃桶底部中心处开有直径为0.8 cm的小孔(试验过程中的排水通道)；阴极是直径为1 cm、表面开有细缝的铁管，土工布包裹后竖直放置于桶底中心处；阳极是高度为15 cm、外半径为14 cm的白铁皮圆环，紧贴于有机玻璃桶内壁放置；上部有机玻璃盖板和铁盖板，中心有直径为1.2 cm的孔，沿径向钻有直径为0.2 cm的小孔6个，作为试验中的电势测试孔，铁盖板与下部挂有砝码的横杆相连。
图1 试验装置图
Fig.1 Diagram picture of test device
测量部分由百分表、量筒、电压表、电流表及测针组成。百分表表头与横杆接触，测量试验中土体表面平均沉降的变化、盖板及下部重物对土体的影响很小，只起到稳定横杆和百分表读数的作用，可忽略；土体排出的水由导管从有机玻璃桶底部引到烧瓶中，然后倒入量筒中进行读数；在电势测试孔内部依次插入6根直径为0.1 cm细铁丝制作的测针，用电压表测量试验中测针上的电势；电流表用来测量土体瞬时电流。试验所用电源为固纬SPD-3606稳压直流电源。
1.3 试验方案
试验包括2部分：① 在20 V输出电压下，间歇通电电渗固结试验；② 在20 V输出电压下，持续通电电渗固结试验。2次试验中土体初始含水量差别不大(试验①和②的土体实测初始含水量分别为68.11%和65.06%)，可认为土体初始状态相同，试验②主要起对比作用。2次试验过程中的通电时间见表2。
表2 试验通电时间
Table 2 Current time during test
通电后，每间隔1 h测量1次土体的排水量、土体中瞬时电流、每根测针上的电势及百分表读数；试验结束时测试土体表面不同位置的最终沉降、土体的最终含水量及抗剪强度等。试验中各步骤可参照土工试验规程SL237—1999进行。
2 试验结果分析
2.1 排水量及能耗变化
试验中累计排水体积随时间变化关系曲线见图2。从图2可见：试验①和②累计排水体积均随通电时间的增大而增大，其中在通电前16 h内，即间歇通电试验第1次断电前，试验①和②累计排水量基本相同；随着通电时间的延续，因受间歇断电的影响，试验①的累计排水体积比试验②的略小。其原因是：间歇通电时，在断电时间段内，水分子因其自由扩散作用而重新分布，致使刚刚聚集到阴极的水分子再次分布到土体中各处，从而降低了累计排水体积。
图2 排水体积变化曲线
Fig.2 Curves of effluent volume variation
电渗的效率是指排出单位体积的水或产生单位沉降所消耗的电能，电渗中电能的利用率则是指消耗在土体固结上的电能占总电能的百分数，二者存在本质区别。
为研究电渗的效率，引入能耗系数C，它反映了排出单位体积水所需要消耗的电能：
(1)
式中：U为电源电压，V；It1t2为t1到t2时间内土体中的平均电流，A；Vt1和Vt2分别表示土体在t1和t2时排出水的累计体积，mL；t1和t2为通电时间，h。
能耗系数随时间变化关系见图3。从图3可以看出：试验①和②能耗系数均随通电时间的延长而不断增大，通电前16 h，二者能耗系数曲线均比较平缓，且变化不大；当通电时间超过16 h后，试验①和②能耗系数均快速增大，此时通电效率较低，尤其在通电进行50 h后能耗系数急剧增大，继续通电已不经济，此时即可以断电，并结束试验。在整个试验过程中，间歇通电下的能耗系数一直都比持续通电下的略大，这也是土中水分子重新分布后再被移动需要二次消耗能量所致。
图3 能耗系数变化曲线
Fig.3 Curves of energy coefficient
2.2 电势分布
试验中从阳极到阴极依次布置6根电势测针，不同时间下对应的各点电势与点到阳极距离关系曲线见图4。考虑到电极与土体接触处界面电阻对电源电压的消耗，对土体电渗固结起有效作用的电势可以等效为最靠近阴极和最靠近阳极处2根测针间的电势差，这部分电势差称为土体有效电势。
由图4可知：试验①和②中各个测针处的电势均随时间的延长而降低，且试验①和②中不同时间下土体有效电势变化均不大；在通电时间相同时，间歇通电下的土体有效电势明显大于持续通电下土体有效电势。这是因为间歇通电下水分子的重新分布致使阳极处水分得到补充，从而致使土体与电极接触导电性能良好，界面电阻消耗电压降低。综上可知：间歇通电能起到提高土体电能利用率的作用，在一定程度上比持续通电下的效率高。
2.3 土体沉降的变化
试验结束后土体表面沉降不均，试验①和②中土体表面沉降对比曲线见图5。从图5可以看出：间歇通电与持续通电相比有利于减小土体表面差异沉降；间歇通电下土体表面沉降比持续通电下更加均匀。这是由于间歇通电时土体中水分子重新分布，填充已有孔隙，减缓了排水固结速度。由此可见：间歇通电与持续通电相比更有利于减小土体表面沉降差，有利于电渗结束后土体的后期施工建设。
图4 电势分布关系曲线
Fig.4 Curves of potential distribution
图5 沉降关系曲线
Fig.5 Curves of surface settlement
2.4 抗剪强度变化
使用室内微型十字板剪切仪对试验①和②试验前、后土体的抗剪强度进行测试，土体抗剪强度变化曲线见图6。从图6可以看出：随阳极距离的增大，抗弯强度提高倍数减小，但试验①和②结束后土体的抗剪强度均明显提高，间歇通电下土体强度提高了3~5倍，持续通电下提高了3~9倍，持续通电下强度提高得更多；试验①和②结束时阳极附近土体强度均要高于阴极处强度，顶部强度要高于底部强度，且间歇通电时，土体抗剪强度的差异比持续通电时的低，这同样是间歇通电下水分子重新分布所致。综上可知：间歇通电下土体顶部与底部强度差别比持续通电时的小，土体强度变化更加均匀。
2.5 含水量分布
试验结束时取土体中上、中、下，左、中、右位置点进行含水量测试，不同位置的含水量分布见图7。从图7可以看出：试验①和②土体底部含水量均比顶部的高，且阴极附近含水量也比阳极附近的略高，试验①土体顶部与底部含水量差别比②的小，这是因为间歇通电下土中水分子重新分布。可见：间歇通电下含水量分布相对均匀，土体性质差异性小。
图6 抗剪强度变化曲线
Fig.6 Curves of shear strength
图7 含水量分布曲线
Fig.7 Curves of water content
2.6 其他试验现象
试验结束后，2组试验的电势测针和阳极表面均有少量腐蚀，且持续通电比间歇通电腐蚀得严重，阴极表面有白色物质沉淀，说明在电渗固结过程中伴有一定的化学反应。阴、阳两极处的化学反应方程式如下。
阳极：
M→Mn++ne-
阴极：
2H2O+2e-→2OH-+H2↑
Ca2++2OH-→Ca(OH)2
Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O
其中：M表示阳极金属，白色沉淀主要是Ca2+和Mg2+的碳酸沉淀物。
试验结束后，土体表面有裂缝出现，裂缝最大宽度可达0.5 cm，且持续通电下裂缝比间歇通电下裂缝数量略多，持续通电试验结束时裂缝及阴、阳两极外观见图8。
图8 试验结束后裂缝及电极外观
Fig.8 Appearances of cracks and electrodes after test
3 结论
(1) 间歇通电下土体累计排水量比持续通电下的略少，能耗系数却比持续通电时土体的能耗系数略大，电渗的效率略小于后者，但差别不大。
(2) 在间歇通电下，对土体固结起作用的有效电势比持续通电时的大，且电极腐蚀程度比持续通电下的电极腐蚀程度小；电渗试验降低了电能在界面电阻上的消耗，提高了电能的利用率；同时，间歇通电可以降低对电源等设备在长时间持续通电时的损害，提高了设备的使用寿命。
(3) 在间歇通电下，土体的表面沉降、抗剪强度变化及含水量变化都比持续通电时的均匀，即降低了土体的整体差异性，有利于电渗处理结束后进行土体后期施工。
(4) 间歇通电下土体抗剪强度的提高量比持续通电时的略低，且所需时间较长，这也是间歇通电的不足之处。在实际电渗工程中，多利用电极转换技术来减少电渗后期土体的性质差异，间歇通电在节约电能损耗方面比持续通电时的小。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2010-04-25；修回日期：2010-07-08
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50879076)
通信作者：焦丹(1984-)，女，河南焦作人，硕士，从事土力学及地基处理方法的研究；电话：18991872552；E-mail：jiaodan@zju.edu.cn
