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发布时间：2020-03-28 17:00所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要:采用微型电渗试验装置，进行持续通电、逐级增加电压、逐级降低电压以及电流衰减增加电压四组室内模型试验，对比研究通电方式对电渗排水加固效果的影响，探索对电渗加固有利的通电方式。记录试验过程中排水量、电流、有效电势、排水速率等指标，检测试验
摘要:采用微型电渗试验装置，进行持续通电、逐级增加电压、逐级降低电压以及电流衰减增加电压四组室内模型试验，对比研究通电方式对电渗排水加固效果的影响，探索对电渗加固有利的通电方式。记录试验过程中排水量、电流、有效电势、排水速率等指标，检测试验结束后土体抗剪强度、含水率。试验结果表明:电流衰减时增加电压通电方式使电流保持较高水平，能排出较多的水，所得十字板抗剪强度最高，处理效果最好。其次是持续通电方式、逐级增加电压方式，逐级降低电压通电方式处理效果不理想;电势在阳极处损失较大，逐级增加电压以及电流衰减方式在处理的后期能保持较高的有效电势，相比持续通电方式有效电势高出约15%。因此采用电流衰减时增加电压能发挥较好的加固效果。
关键词:电渗;电压;软基处理;有效电势;抗剪强度
0引言
在我国沿海沿湖地区广泛分布着由吹填淤泥组成的软弱土地基，这些吹填土具有显著的高含水量、低渗透性、强度低等特性，因软弱不能满足工程建设要求，需要加固处理[1]。传统的地基处理方法(如真空预压法)，由于吹填土的高黏粒含量，真空预压塑料排水板容易淤堵造成排水不畅以及真空度的传递受损等突出问题，致使真空预压后期效率低，处理效果并不十分理想。电渗现象是诸多动电现象的一种，由俄国学者Reuss在1809年发现，因其对土颗粒的粒径大小不敏感的特点，处理高含量细颗粒且低渗透性的吹填土具有明显的优势[2]。
然而，电渗处理法自身由于阳极腐蚀严重[3]、通电能耗高、电极与土接触电阻增大、土体出现裂缝阻断导电等问题，制约了电渗法的广泛使用。针对制约着电渗加固效果因素，国内外广大学者尝试许多方面的研究，以提高电渗处理效果。LEFEBVRE[4]和BURONTTE[5]通过在阳极注入化学浆液来改善阳极接触，结果表明界面电势损失减小，土体与电极接触增强，有效提高电渗的加固效果。对于电渗加固中产生裂缝的问题，WANG等[6]通过在裂缝处灌浆增大电流值提高电渗的处理效果。陈卓等[7]等通过对电极反转技术进行研究，表明其能减缓阳极的腐蚀，但平均抗剪强度却较纯电渗试验加固效果差。
对于通电方式方面:MICIC等[8-10]进行了持续通电和间歇通电条件下的对比试验，结果表明间歇通电下电极间土体强度变化均匀，电能利用率提高，电极的腐蚀减缓，相对经济合理。李瑛[11]进行了不同电压下的一维电渗排水试验，较大的电压会导致排出单位体积水所需的能量消耗较高，阳极接触电阻随电渗时间的增长速率加快。刘飞禹[12]进行了逐级加载电压下的一维电渗试验，结果发现合理的逐级加载电压方案能降低电能消耗，提高电渗排水量以及后期电渗效率。曾芳金[13]研究了不同增压方式对电渗加固滩涂淤泥的影响，相对于稳压输入，逐级增压可以减缓电流的衰减，可有效提高土体抗剪强度和降低含水率，还能降低能耗、提高后期排水速率。
王军等[14-16]研究了电渗与真空预压联合的处理方式，得到联合方法加固软黏土地基效果要比单独真空预压好，显示出较好的契合度。以上文献对增加电压已有研究，但均是以固定的时间间隔为下一级电压施加点，且未尝试逐级降低电压通电方式。为此，本文增加以电流为参照进一步对通电方式进行研究，设计持续通电、逐级增加电压、逐级降低电压以及待电流衰减时增加电压四种方式，开展相关试验，通过对比分析不同通电方式下的最终处理效果和能耗变化获得较为经济合理的通电方式，试验结果可为工程实践中减少电渗能耗、增强加固效果提供参考。
1试验介绍
1.1试验用土
试验土样取自温州瓯飞工程垦区软基处理工程现场。由于原状土样含水率较大，本试验采用重塑土。
1.2试验方案
为了研究电渗过程中直流电压的通电方式对处理效果的影响，探索在总电压相同时持续通电、逐级增加电压、逐级降低电压以及待电流衰减时增加电压四种方式的异同，分别命名为试验T1、T2、T3、T4。为了保证四组试验的通电时间一致，设定通电总时间均为24h，其中试验T1将20V的恒定电压施加到电渗阴阳电极上，通电持续时间为24h;T2采用持续10V电压通电8h，增加电压至15V持续通电8h，然后增加电压至20V持续8h的逐级增加电压方式;T3则是电压从20V持续通电8h降低至15V持续通电8h，然后再降低至10V持续通电8h逐级降低电压的通电方式;T4则是在处理初期施加10V电压，待电流值到达峰值开始出现衰减时将电压调整为15V，继续观察电流的变化当电流出现衰减时再次将电压调整为20V。
四组试验的最高电压值均为20V，对比分析上述四组试验的处理效果和能耗上的变化。在电渗加固过程中，每1h记录直流电源中电流的值，记录量筒内排水;同时用万用电表测出阴极和阳极处测针点的电势。试验结束后，检测处理土体抗剪强度、含水量，并计算能耗系数对比四组的差异。
1.3试验装置
实验装置采用改进的Millersoilbox的电渗微型盒，实验模型盒由5mm厚的有机玻璃板制成。该模型盒由土样室和两个集水室组成。其中用于安放试样的土样室内部长度为200mm，高度为100mm，宽度为100mm，在土样室的两侧设有长宽高尺寸大约为100mm×40mm×100mm的集水室用于收集从阴极排出的水。每个集水室底部有一个排水孔，由阴极排出汇聚在集水室的水通过排水孔流到量筒。土样室和两端的集水室通过有机玻璃板分割，隔板底端距离模型盒的底板高度为20mm，目的是为了土样室阴极处的水能够在集水室收集;同时，模型盒的土样室与集水室的高差为5mm，即土样室垫高一块有机玻璃板，目的同样也是为了能够收集电渗排出水。
1.4试验步骤
为保证4组试验的土样含水量均匀性，土样采用重塑土。将土样烘干并磨成粉末，按目标含水率取土样粉末和水的重量，得到目标含水率的重塑土样品。将该重塑样品静置24h以获得均匀的含水量，在试验前再次取土样测得含水量为62.66%。将凡士林涂抹在试验模型盒的四周以减小模型盒与土样的摩擦，也为了方便在试验结束后将土样整体取出进行强度检测而尽量不扰动土样。以每层大约20mm厚度分层装样直至装满100mm。用小锤轻轻敲击模型盒侧壁将土体中孔隙填密实。在土样表面插入2根电势测针用以监测电渗期间电势的分布，测针采用直径1mm的铁丝制成，插入土体深度为50mm。
2试验结果分析
2.1电流
可看出在处理前期试验电流变化趋势大致相同，均呈现出试验开始一段时间后短暂上升达到一个峰值，而后在峰值处开始递减的变化过程。在通电的瞬间，土体的导电通道尚未完全形成，施加10V和20V电压的初始电流分别为1.46A和0.7A左右，持续通电1～2h后，土中电流流通路径完全形成，达到最佳状态电流也达到峰值，试验T1-T4的电流峰值分别为1.82A、0.77A、1.88A、0.72A。另外，加载10V和20V电压达到峰值的时间也不同，电压值小的达到峰值比电压值大的所需时间长，分别在2h和1h处取得最大值。
此后，持续加载20V的试验T1迅速衰减直到结束时衰减为0.1A;可以看到试验T2和T3在8h和16h处有明显的突变和跳跃，T2由于逐级加载电压至15V、20V电流值在此处突然上升，而后又总体呈现衰减趋势;T3由于是逐渐降压的通电方式，在两处位置电流值突然下降。T4则是在通以10V电压，当电流出现衰减时增加电压至15V，电流值陡然上升1.15A，持续通电约50min后电流开始衰减时进一步增加电压至20V，此时电流值出现较快降低。
原因是随着电渗的持续进行，水分不断由阳极流向阴极，含水率出现一定的下降导致电流降低;此外电解水产生的气体在阴阳极处冒出氢气和氧气，导致电极与土体接触变弱，界面电阻逐渐增大也导致了电流的下降。还可以看出试验T2在16h处和T4在6h处电流又出现短暂的回升，可能是因为在高一级的电压下驱动水分流动，局部打通了土颗粒-水界面的电流流通路径。
2.2有效电势
以往的研究中对电势说明较少，对有效电势也鲜有提及，为了探究施加电压和实际作用在土体的有效电势关系，在距离阴极和阳极电极板5mm处安置两根电势测针，将此两处测针的电势看做是在电极处因界面电阻和接触电阻损耗的电势，两测针的电势差值即为有效电势。通电初始时试验T1、T3有效电势分别是15.47V、15.09V，占电源电压的77.35%、75.45%，T2、T4有效电势分别是7.25V、6.47V，占电源电压的72.5%、64.7%。可以看出在初始状态，最高有35.3%的电源电压损失在阴阳极位置处，主要是由于电压由电极传向土体导电面积差异存在界面电阻。
随着通电的进行，阳极区域因为水分的流失土体出现收缩，导致土体逐渐与电极板脱离，电极与土的接触逐渐变弱，进一步降低了实际作用在电渗排水上的电势。土中突变位置是因为电源电压的变化，引起了有效电势上升和下降。T3因为是逐渐降低电压的通电方式，外加界面电阻和接触电阻的影响，在处理的后期有效电势非常的低。
T2和T4逐级加载方式在处理的后期能保持较高的有效电势，相比持续通电方式，有效电势高出约15%。说明逐级增加电压通电方式较持续通电和逐级降低电压要好。其中T4通电方式一直处在较高的有效电势段位，电流曲线也说明了这一趋势。主要是持续高压通电的试验T1水分在处理的早期快速排出，界面电阻和接触电阻较快上升，影响了有效电势的作用。
2.3排水量
在阴极处收集排出的水。为了更好地说明排水量随时间的变化，展示出排水速率随时间的变化关系，两者结合相互印证排水关系。排水量曲线可得到T1、T3、T4在电渗通电的10h排出了较多的水，随着时间的推移慢慢减小，最终趋向于平稳。表明了这三组试验早期的排水效率高，大部分的水被排出，后期排水效率较低，在前10h的排水速率较大，而后出现较快速率的下降。其中试验T3在14h几乎不排水，后期加固效果弱化。T2和T4在增大电压位置处排水速率也有一个上升式的突变。
2.4抗剪强度和含水率
T1—T4四组试验均在通电24h后结束试验，将土体沿深度方向分2层，从土样表面取为起始层0cm，距离起始层5cm为另外一层取样点，即5cm处。在同一层平面上，从阴极处起算距离阴极2cm、9.5cm、17cm取三个点测试十字板剪切强度，测试完毕后在相同位置取样测试含水率。
3结语
通过本试验研究以及上述分析，可得出主要结论如下:
(1)四组通电方式试验结果表明电流衰减增加电压方式获得抗剪强度高于其他三组，含水量下降的更多，取得最佳的加固效果。
(2)作用在土体两端的有效电势远低于施加电压，损失在阴阳极部分高达35%，采用初始较低电压而后逐级增加电压，当电流衰减时增加电压方式能在处理后期保持较高的有效电势水平。
(3)采用电流衰减时增加电压通电方式能排出较多的水，并且试验过程中电流处在较高值，最终平均能耗系数比其他通电方式略低，因此认为此种通电方式是可行的。
参考文献:
[1]娄炎.真空排水预压法加固软土技术[M].北京:人民交通出版社，2002.
[2]曹永华，高志义，刘爱民.地基处理的电渗法及其进展[J].水运工程，2008(4):92-95.
[3]曹永华，高志义.电渗法中排水固结理论与实践的若干问题[J].中国港湾建设，2010(3):22-24.
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[5]BURNOTTEF，LEFEBVREG，GrondinG.Acaserecordofelectroosmoticconsolidationofsoftclaywithimprov[J].RevueCanadiennedeGéotechnique，2004，41(6):1038-1053.
[6]WANGJ，GAOZ，LIL，etal.Effectsoffracturegroutingwithsodiumhydroxideduringelectro-osmosisonclay[J].MarineGeoresources&Geotechnology，2018(2):1-11.
水运论文投稿刊物：《水利水运工程学报》于1979年创刊，2012年改为双月刊，由国家水利部主管，南京水利科学研究院主办，是以涉水工程等为论述主题，面向国内外水利水电、水运交通、海洋和土木工程、水文水资源和水环境等领域的学术性科技期刊。
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《通电方式对电渗加固软土影响试验研究》