软土电渗电极转换试验装置研制与等时间电极转换周期试验研究

沈 扬， 徐海东， 黄文君， 杜文汉

(河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室； b.岩土工程科学研究所， 江苏 南京 210098)

软土电渗电极转换试验装置研制与等时间电极转换周期试验研究

沈 扬， 徐海东， 黄文君， 杜文汉

(河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室； b.岩土工程科学研究所， 江苏 南京 210098)

电极转换常用于改善软土电渗过程中存在的后期电流快速下降、土体两极强度不均等问题，选择合适的电极转换时间周期是决定电渗处理效果的关键因素。针对电极转换时间周期难以确定的问题，自主研制了一种用于室内研究电极转换的试验装置，可以自动转换电极，并排除了大体积模型试验中如土体开裂等因素的干扰，并运用该试验装置进行了等时间周期的电渗电极转换试验。通过试验发现：在电渗初期阶段进行电极转换会使电流升高并持续一段时间；在电渗后期采用等时间周期的电极转换效果不明显，应适当调整电极转换时间周期；电渗后期，排水不畅，升高电压亦没有效果，反而进一步浪费能耗，故不建议在电极转换后期采取升高电压的措施。

电渗； 电极转换； 试验装置； 等时间周期

电渗作为一种新型软土地基处理方法，因其高效、省时的优点，具有巨大的发展潜力。但其与其他软土地基处理方法一样也具有一些明显缺陷，如电极材料腐蚀严重、后期电流快速下降、土体强度不均、能耗较大[1，2]等问题，极大影响了电渗处理效果，亟待研究人员解决。

前人曾构想通过电极转换[3～6]的方式来改善电渗中效率逐渐降低、电渗后土体强度分布不均等问题。理论上电极转换时间周期将在很大程度上影响电渗过程中能耗的多少以及电渗结束后土体处理效果的均匀性。在前人的研究过程中，曾选取过以小时、天等为时间单位的电极转换周期，如王协群等选择过以每12 h进行一次电极转换[7]，但并未得到可靠的电极转换时间规律。因此时间周期的选择也成为电极转换中需要攻克的难关。

针对上述问题，自行研发了一种新型的电极转换试验装置，可以自动转换电极，排除了大体积模型试验中如土体开裂、界面电阻、土体不均等干扰因素的影响，并应用该装置进行了以等时间为电极转换周期的电渗试验，分析了电极转换过程中电流变化曲线，总结出以等时间为电极转换周期的优点及缺陷。

1 试验装置

1.1 主要功能

软土电渗电极转换试验装置是为解决目前电渗电极转换试验研究过程中需要消耗大量人力、材料、时间等问题而发明研制的，主要用于实验室试验，进行采用不同电极转换时间周期的电渗试验来观测不同电极转换时间周期对土体内部电流、电势、电导率、排水情况等的影响，以验证电极转换对电渗土体的必要性并为选择合适的电极转换时间周期提供理论依据。

1.2 结构设计

本试验装置主要包括试验模型盒、电极转换控制器、直流电源。

图1所示为试验模型盒拆分后细部图。试验模型盒包括模型盒体、模型盖、排水口、引水槽、引线洞、密封垫、夹板、螺栓。试验土样装填于模型盒体中；引水槽设于模型盒体内壁，两个引水槽分别与突出盒体的排水口相连，两槽相离间距3 cm即为试验土样厚度；密封垫粘贴于模型盖内侧，模型盖扣在模型盒体两侧；两对夹板分别由两根螺栓连接，装好试样并扣上盒盖后，用夹板夹住试验模型盒，拧紧螺栓，确保盒盖与盒体紧密无缝。当进行上部排水试验时，试验模型盒排水口朝上，进行下部排水试验时，排水口朝下。

图1 试验模型盒拆分后细部

运用该试验模型盒进行单元土体试验将有效减小界面间隙、限制土体裂缝开展，并能即时地排出水分便于进行相关数据分析。

图2所示是试验装置整体图，显示出装置各部件在其中的安置情况。其中试验模型盒放置在支架上，电极转换控制器的4个通电接口中的两个接口通过导线连接到直流电源，另两个接口通过导线连接到试验模型盒内部板状电极材料。电极转换控制器的主要元件是PLC，可通过该元件控制电极自动转换。图2中的试验模型盒此刻排水口呈朝上状态。

图2 试验装置整体

1.3 创新之处

该装置将实际工程中的大体积土体进行单元化，前人在研究电极转换时多采用现场试验或室内大体积试验[8，9]，土体中各种因素对研究电极转换影响较大，譬如土体裂缝、界面电阻、土体不均匀性等，对理论研究电极转换过程中电流变化、排水效果、时间周期等干扰明显，不利于分析电极转换的机理。而本装置对试样尺寸参数进行优化，采用小体积电渗试验模型，一方面可以削弱时间上的滞后效应，使在试验过程中进行的电压变化、极性方向转变等引起的排水效果、电流的变化能够迅速得到显现，便于研究电压变化、极性方向转变等对电渗的影响，为现场试验中选择如电压、时间周期等方面的参数提供理论参考，并且可以结合现场试验中所得到的电渗电极转换排水效果等结果对室内试验的理论进行修正，建立一种以等时间为周期的电极转换规律；另一方面节省了试验系统的制作成本和进行试验的时间、人力及材料费用。

当电渗电极转换时间周期规律的研究得出成果，该装置中的相关功能(如自动电极转换)、试验得到的理论规律(如电极转换时间规律)等，均可以应用于实际工地的电渗操作，以提高施工效率、质量，并达到节约人力、时间、能耗以及成本的目的。

2 利用装置的试验初探

2.1 试验目的

为验证软土电渗电极转换试验装置在研究电极转换机理上的可行性，运用该装置进行以等时间为周期的电极转换初探试验，分析电极转换过程中电流变化曲线，总结以等时间为电极转换周期的优点及缺陷。由于是初探试验，试验将从监测土体内部电流随电极转换产生的变化这一角度研究电极转换的特性。而从量测土体内部电势、电导率等角度进行电极转换研究将在今后试验中陆续开展。

2.2 试验土样

试验土样取自南京河西地区，土体基本物理性质指标如表1所示，为典型的南京地区粉质粘土。由于原状土初始含水率较低，需晒干后通过粉碎机粉碎，测量干土平均含水率约为3%后，加入适量的水，充分搅拌均匀、静置，配置成含水率为50%的饱和重塑软黏土用于电渗试验。

表1 河西土基本物理性质指标

2.3 试验方案

笔者开展了25 V电压下，每15 min转换一次电极的电渗试验。由于前人在选择电极转换周期以及电极转换开始时间上均无理论依据，如王协群等采用45 cm×45 cm×60 cm的模型，并自行设定电极转换周期为12 h，所以笔者在开展电极转换试验之前进行了若干次试探试验，以探求适用于本试验模型的电极转换周期。从非电极转换试验中发现，由于试验所用模型较小，2 h电渗后期几乎无水排出，故又尝试分别以5、10、15、20、30、60 min为电极转换周期的电渗试验。总结发现时间越长的电极转换周期越不利于本试验模型内土体的电渗排水，而时间过短，则初始几次电极转换过程中有水排出而后期无水排出，所以根据经验每10～30 min进行一次电极转换将可使排水进行较长时间，并且不会显著影响排水速率。本文便选取以15 min为电极转换周期的试验为例进行分析。

试验过程中观察电流即时变化，定期量测两个排水口的出水量。每小时排水低于1 mL时终止试验。

2.4 试验结果与分析

电渗开始后，阴极中有电子流出到土体中，土体内部水分子接受了电子，发生如下还原反应：

2H2O+2e-=2OH-+H2

阴极OH-增多，就会吸引土体内部的阳离子Ca2+、Mg2+、Na+等从远离阴极的地方移动过来，一部分随水体排出，另一部分则生成沉淀：

Ca2++2OH-=Ca(OH)2

或

Mg2++2OH-=Mg(OH)2

故在试验结束后土体两侧电极表面均覆盖有薄薄一层白色物质，或为钙镁的氢氧化物，或为钙镁的碳酸盐固体。

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同样，阳极附近会发生相反的反应和运动：

2H2O-4e-=4H++O2

或

4OH--4e-=2H2O+O2[10]

从化学理论的角度分析，带电粒子半径越小，电荷量越大，其携带的水分子会越多，Ca2+、Mg2+、Na+携带水分子的能力明显要强于OH-、Cl-、SO42-，因此电渗总是阳极向阴极排水。但随着单向的持续通电，Ca2+、Mg2+、Na+在阴极聚集，而OH-、Cl-、SO42-向阳极汇集，阴阳离子间会产生与电场方向相反电势，影响电渗的效率，产生一定影响，而电极转换可以使土中离子重新分布[11]，但这种重新分布是否会产生其他影响，可以通过观察电极转换电流曲线来分析。

图3为整个试验过程中的电流总趋势曲线，由于采取的15 min短时间间隔电极转换，所以数据量较多，整体图仅可看出电流主要呈现下降趋势，后文会将电流曲线图细部拆分放大，便于分析。

图3 电极转换总电流曲线

分析细部电流曲线，能耗是分析的重点，通常能耗系数C[12]如下式所示：

(1)

(2)

式中：E表示通电t1时刻至t2时刻电渗所消耗的电量；Qt1-t2表示通电t1时刻至t2时刻的电渗排水量；V为土样的初始体积；U和I分别表示电源的输出电压和在通电后t时刻土体中的电流；当t1无限逼近t2时，C就能表示电渗中任意时刻从单位体积土中排出单位体积水所消耗的能量。

图4为电极转换开始后0～4 h电流随时间变化曲线，从图中大致可看出每15 min进行一次电极转换。设模型盒左侧电渗排水板为电极1，右侧电渗排水板为电极2，第一次电极转换周期内切换电极之前电极1做阳极，此阶段称为P1；第一次电极转换周期内，从15 min时刻开始切换电极，电极2做阳极，此阶段称之为P2。因此0～15 min为P1阶段，15～30 min为P2段，30～45 min又为P1段，以此向后推移，图4中整个电渗即P1—P2—P1—P2阶段的不断循环。

图4 电极转换0～4 h电流曲线

根据能耗系数公式(2)，某一时间段内电渗消耗的电能即为此段时间内电流曲线与坐标轴所包围区域的面积。通过积分计算得出：

E1∶E2=1.6

(3)

而在0～4 h内电极1排水120 mL，电极2排水30 mL，即：

Q1∶Q2=4

(4)

根据能耗系数公式(1)，模型盒内土体体积V不变，则有：

C1∶C2=0.4

(5)

可见P1阶段单位体积排水能耗仅为P2阶段单位体积排水能耗的40%，所以电极转换能够降低电渗时的能耗系数，实际就表现为节约电能。从图中也可看出，通过电极转换后，在P1阶段电流升高并能够持续一段时间，能耗系数小而电流高，电渗会产生更好的效果。

由于试验采用的土样持水性较好，在50%含水率的条件下，无附加应力作用时，土样中的重力水无法自由排出，所以试验过程中所排出的水均可看作是在电渗作用下排出的。若采用大于55%含水率的土样进行试验，重力排水将对试验分析产生干扰，故在以测试软土电渗电极转换试验装置为目的的初探试验中避免了采用较大含水率的土样，以减少试验分析时重力排水这一因素的干扰。

图5为电极转换7.5～12.5 h电流曲线，此阶段与前一阶段电流变化趋势基本相同，P2—P1电流会上升，P1—P2电流会下降。

图5 电极转换7.5～10 h电流曲线

如图5所示，P1阶段电流曲线与坐标轴所包围区域面积与P2阶段面积的比值为1.3，但此期间排水非常缓慢，电极转换的效果已不明显。随着不断的排水，模型盒中土体的含水率不断降低，土体逐渐固结，能够在较短时间内排出土体的水份越来越少。而转换电极后电流逆向，由于电极转换的频率过快，土中水需在下一次电极转换之前穿过固结区域排出，一旦含水率降低到某个程度，土中水在电极转换时间内来不及排出，此后的电极转换就失去意义，反而更加浪费电能，不会对电渗排水做任何贡献。

从离子角度推断，由于电极转换，初始电渗阶段阴阳极聚集的离子在反向电势和正向电势间不断转换角色，P2—P1电流依然会突升，P1—P2电流依然会突降。因为水分子需要汇聚到一定量才能排出，否则只会粘在土体表面。由于之前的排水作用，土体中的离子不断减少，每次电极转换阳离子带至阴极的水分子量已经达不到能够排水的临界值。

由于模型盒7.5～15 h内一直没有水排出，所以在15～16 h之间将电压从25 V升至30 V，电流曲线如图6所示。电流经过一段时间陡增之后开始陡降，原电流最小值保持在0.05 A之上。但此次电压升高后，电流最小值降至0.025 A左右。而且尽管升高电压至30 V，模型盒内仍未出现排水。由此可见，在排水减少的情况下升高电压对增大排水没有效果，反而会造成电流的降低。

图6 电极转换15～19 h电流曲线

为验证在以等时间为周期的电极转换试验后期采用增大电压方式反而引起电流下降这一现象，笔者又进行了一次以10、20、30 min为等时间周期的电极转换试验，得到类似效果。以10 min为例，在排水趋于断流的情况下(图7中约13 h附近时)将电压由25 V升为30 V，电流经历了与首次试验类似的变化。

图7 补充电极转换试验电流曲线

从离子角度推断，电压的升高会加快土体中离子运动的速度，同时，一些靠近带负电荷的黏土颗粒表面的阳离子在静电引力作用下原本处于较稳定状态，但会由于电压升高而迁移。土体无法立刻排水，这部分阳离子聚集在阴极附近，形成的反向电势超过原电压下产生的反向电势，土体间的电压反而降低，造成电流的降低。

3 结论与展望

本文运用自主研制的电极转换试验装置进行试验研究，对电渗试验装置进行了较为详细的介绍，对电极转换试验的电流曲线进行了详细分析与探讨，得到了如下结论：

(1)在排水畅通阶段进行电极转换会使电流升高，推断是由于电极转换后原来阴阳极离子产生的反向电势变为正向电势，土体间的电压突然增大，且能够持续一段时间。因此在电渗排水板工程初期进行电极转换是可行的，可加快电渗的效率。

(2)在电渗后期排水不畅阶段采用等时间周期的电极转换效果不明显，应适当调整电极转换时间周期。

(3)随着土中离子含量的不断减少，电极转换产生的电流提升导致来不及有效排水，此阶段的电极转换不仅毫无作用还会造成能耗的浪费。同时，在此期间升高电压反而会造成电流的下降，却无水排出，进一步浪费能耗，因此不建议在电极转换后期采取升高电压的措施。

从本文的研究中发现等时间周期的电极转换并不利于电渗后期排水，所以今后将对试验方案进行改进，进行更深入的探究，以探求一种可长久促进电渗排水的电极转换方案。

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Development of Soft Soil Electrode Conversion Device and Experimental Study of Equal Time Cycle Electrode Conversion

SHENYang,XUHai-dong,HUANGWen-jun,DUWen-han

(a.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering；b.Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Electrode conversion can ease current decline in electro-osmosis and uneven strength. Choosing appropriate electrode conversion cycle time can get satisfying electro-osmosis treatment effect, but it’s difficult to find proper cycle time. To solve this problem, a test device was developed and an electrode conversion test was carried out to study equal time cycle electrode conversion with this device. Through the experiment it shows that: current increased in electrode conversion initial stage and could last for a period of time.The efficiency was not obvious in the late of equal time cycle electrode conversion.Taking up voltage in the late of electrode conversion when poor drainage did not change the effect and consumed more energy .So it wasn’t recommended to taking up voltage during this period.

electro-osmosis; electrode conversion; test device; equal time cycle

2014-06-04

2014-09-01

沈 扬(1980-)，男，浙江杭州人，博士，副教授，研究方向为土体本构理论和地基处理(Email：shenyang1998@163.com)

长江学者和创新团队发展计划(IRT1125)

TU411

A

2095-0985(2014)04-0007-05