不同增压方式下电渗法加固滩涂淤泥试验研究

曾芳金， 石常鑫， 袁莉莉， 符洪涛

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省岩土与工程灾害控制重点实验室，江西 赣州 341000；3.温州大学建筑与土木工程学院，浙江 温州325035；4.浙江省软弱土地基与海涂围垦工程技术重点实验室，浙江 温州325035；5.浙江省海涂围垦及其生态保护协同创新中心，浙江 温州325035）

近年来，随着经济快速发展，土地资源紧缺，我国许多沿海城市开展了围海造陆工程.传统的压实地基、复合地基等地基处理方法对于沿海的滩涂淤泥根本无法实施，电渗法处理高含水率、高压缩性、低渗透性淤泥具有显著优势，因此电渗法的研究逐渐被许多学者关注起来.

由于电渗法处理成本高、电极腐蚀严重、裂缝等问题严重制约了其发展，国内外学者通过各种途径改善电渗法的缺陷.李一雯等[1]研究了电极布置形式对电渗的影响，采用长方形布置可以改善裂缝的开展，平行错位布置可以有效提高电渗排水效果；王柳江[2]研究了在阴极周围布置阳极数量影响电渗排水效果，阳极数量越多，电渗排水效果越明显.以上都是从电极布置形状及数量方面研究对电渗排水的影响.曾宏[3]研究了电极间距对电渗排水的影响，在工程应用上取得了较好的效果；阚卫明[4]采用电动土工材料取代金属电极，并对电动土工合成材料的工程应用进行了介绍，直接解决了金属电极腐蚀情况.利用电渗法不仅可以有效排出自由水，还能排出弱结合水的特点，将电渗法与真空预压、堆载等方式相结合[5-9]，可以有效减小能耗.

电渗法是在通电的前提下进行的，通电方式的改变会影响电渗效果，万勇[10]研究了电势梯度对电渗排水影响，电势梯度越大，处理海相淤泥效果越好；龚晓南等[11-13]研究间歇通电模式对电渗的影响，间歇通电不仅可以改善土体沉降不均还能减缓电极腐蚀；臧俊超[14]对污染土进行电渗处理，其研究表明电源电压是影响电渗法处理效果的主要因素.文章从改变通电方式考虑，研究了不同增压方式对电渗法处理滩涂淤泥效果的影响.

1 试验设计

1.1 土样选取

试验土样取自温州市某围垦区地下深3 m处的滩涂淤泥.试验前，先把滩涂淤泥进行重塑，经烘干、粉碎、加水和搅拌，配成重塑土样，其物理性质指标如表1所示.密闭静置24 h以后开始分层装样.

表1 重塑后滩涂淤泥的基本物理参数

1.2 试验装置

有机玻璃模型箱由左右两侧的集水箱和中间的试样盒组成，装置简易图如图1所示.试样盒内安放土样，试验盒内部长宽高尺寸为200 mm×100 mm×100 mm.两侧的集水箱与试样盒之间的有机玻璃板下端留有20 mm高的切口以共集水箱与试样盒的联通.阳极和阴极由金属材料制成，其大小与试样盒的侧面相同，即为100 mm×100 mm，分别紧贴试样盒两端安装.在直流电场的作用下，土体中的水从阳极向阴极移动，汇聚在阴极，并经切口流入集水箱，最后通过集水箱底板中心的小孔流入放置在其下的量筒，以便测量土体排水量.

图1 试验装置（单位：mm）

1.3 试验方案

以4种不同比例增加电压的方式（下文简称增压）进行电渗试验.各组总电压均为20 V，通电时间均为24 h.其中TY1采用稳压输入，以20 V电压通电24 h，作为对照组；TY2分4次增压，每次增加25%，每级电压持续时间为6 h；TY3分3次增压，每次增压约33%，每级电压持续时间为8 h；TY4分2次增压，每次增压50%，每级电压持续时间为12 h.试验方案如表2所示.

表2 电渗试验方案

在试验过程中，每半小时对电流进行记录；每小时对排水量和阴极排出水pH进行监测；试验结束后,在土样表层距阴极45 mm、100 mm、145 mm处检测土体含水率和抗剪强度（采用PS-VS7-m型微型十字板剪切仪和B板头）.

2 试验结果及分析

2.1 电 流

试验过程中，电流随时间的变化曲线如图2所示.由图2可知，①TY1在通电2.5 h时电流达到峰值，约为0.4 A,然后电流一直处于衰减状态，TY2～TY4 分别在通电 18.5 h、18 h、13 h 后电流开始衰减，说明通过逐级增压比稳压输入有利于减缓电流衰减，提高处理效率.②TY1～TY4的初始电流分别为0.37 V、0.03 V、0.04 V和0.07 V，说明启动电压越小，初始电流越小.③TY2和TY3每次增压，都会导致电流急剧上升，这是因为增压的瞬间土体电阻不变，电压与电流呈正比.由于后期电阻过大，TY4增压后电流变化不明显，因此增压时间不宜过晚.④TY2最终电流最大，为0.25 A；其次是TY3和TY4，最终电流分别为0.22 A和0.12 A；TY1最终电流最小，为0.15 A.说明电压增加比例越小，最终电流越大.

图2 电流变化曲线

2.2 排水量

排水量变化情况如图3所示.由图3可知，①TY1～TY4最终排水量分别为 203.42 mL、146 mL、212.52 mL、118.9 mL.TY1和TY3排水量较多且相近，说明TY3能达到稳压输入下排水量的要求.②TY1前期排水量最多，因为TY1的初始电压最大，电压与排水量呈正相关，后期排水速率明显下降，通电15 h电渗排水停止，说明稳压输入前期排水效率高，但后期排水效率迅速降低，排水缓慢.③随着电渗试验的进行，不同增压方式下电渗排水速率均在增加.TY3排水速率快于其余2组，说明合适的增压方式可以加快后期电渗排水速率.综上所述，在采用增压输入的TY3与稳压输入TY1排水量相近的前提下，TY3电渗后期排水速率比TY1更快.因此，TY3更有利于电渗排水.

图3 排水量变化曲线

2.3 能耗系数

能耗系数（C）为单位排水所消耗的电能，如公式（1）所示：

其中，U 为电源电压（V）； t1、t2为任意时间（h）；I（t）为电流随时间函数；Q 最终排水量（mL）.计算结果如图4所示.

图4 能耗系数变化曲线

TY1 的能耗系数介于 0.3～0.5 （A·V·h）/mL 之间波动；TY2～TY4能耗系数随着电渗时间的持续而增加，试验后期TY2、TY4能耗系数明显增大，TY3增幅较小.TY2～TY4能耗系数最终为0.4（A·V·h）/mL、0.2（A·V·h）/mL、0.3（A·V·h）/mL.综上可知TY1、TY2和TY4试验后期排水更困难，耗能更多.TY3的增压方式较佳，可以减少能耗.

2.4 阴极排出水的pH

阴极排出水的pH变化曲线如图5所示.由图5可知：①电渗试验中，阴极发生水解作用，生成了大量的OH-，其随着阴极水一起排出，致使排出水pH值上升.②初始电压越大，阴极水的pH上升越快.TY1～TY4阴极水的pH最大值分别为12.5、12.6、12.6、12.5，分别出现在 2 h、12 h、13 h、4 h 时.说明较大的初始电压可以加强水解作用.③电渗后期，电渗排水量减少，单位水中OH-离子浓度相应减少，pH下降.

图5 阴极排出水pH值变化曲线

2.5 含水率

加固后土体含水率变化曲线如图6所示.由图6可知：①加固后土体含水率从阴极到阳极呈递减趋势，这是因为在电渗作用下水从阳极向阴极移动，导致阴极含水率高于阳极.②采用稳压输入的TY1表层含水率从阴极到阳极依次为51%、42.5%和40%；采用增压输入的TY3表层含水率从阴极到阳极依次为46.1%、39.3%和37%.说明适中的增压方式可以降低土体整体含水率，提高处理效果.

2.6 抗剪强度

抗剪强度是检测处理效果最直接的指标，其变化如图7所示.由图7可知：①阴极附近抗剪强度明显低于阳极附近抗剪强度[15]，这与含水率分布相关，例如TY1阴极含水率为51%，抗剪强度为12 kPa；阳极含水率为40%，抗剪强度为30 kPa，说明含水率越高抗剪强度越低.②TY3的阳极土体抗剪强度最高，为 38 kPa；TY1、TY2、TY4 的阳极抗剪强度分别为 30 kPa、16 kPa、13 kPa.TY3 比 TY1 阳极、阴极土体抗剪强度分别提高26.6%、50%.可知，适中的增压方式下土体加固效果优于稳压输出，且阴极土体强度提升更大.

图7 抗剪强度变化曲线

图6 含水率变化曲线

3 结 论

文中通过4组室内模型试验，在最大电压为20 V的前提下研究不同增压方式对电渗法加固滩涂淤泥的影响.根据电流、排水量、能耗、含水率和抗剪强度分析试验结果，得出以下初步结论：

1）按比例增压相对于稳压输入可以减缓电流衰减，提高处理效率.增压比例越小，最终电流越大.后期增压对电流的提升效果不明显.

2）适中的增压方式（TY3）既可以达到稳压输入排水量要求，又能提高电渗后期排水效率.

3）适中的增压方式（TY3）下土体加固效果优于稳压输出，且阴极土体强度提升更大，能耗更少.

在电渗法中，电压是土体排水固结的动力.文中尚未考虑最大电压的影响.因此，若要得到更准确的结论，还需结合不同最大电压，对增压方式进行探讨.

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