不同电势梯度下新型复合电极的电渗固结试验

张 雷，金海晖，潘卓杰，栾 佶，王炳辉，姜朋明

(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院 镇江 212100)(2．南京工业大学 岩土工程研究所, 南京 210009)

随着沿海地区经济的快速发展和人口数量的激增，对建设用地的需求不断增加[1].沿海地区广泛分布的海相软土往往具有承载力低、压缩性大、含水量高等力学特性，为工程建设带来较大困难，因此，必须对该类土进行处理.针对海相软土，常用的处理方法主要有注浆[2]、真空预压[3-4]、堆载预压[5]、真空-堆载联合[6]或电渗法[7]等.研究[8-9]表明，真空预压较为有效，但随着对软基快速处理的需求，电渗法得到诸多学者的关注[10]，并在理论分析[11]，化学注浆[12-13]，及其他地基处理方法联合[14]等方面进行研究.但电极腐蚀、能耗过大等问题[15]制约着电渗法的大范围使用，而合理选用电极材料可以减缓电极腐蚀，降低耗能，故针对电渗电极材料的研究，具有重要意义.其中，针对EKG电极的研究最为广泛，文献[16-17]分别采用EKG电极对尾矿和淤泥进行处理，文献[16]结果显示，通过使用EKG电极，单位能耗降低；文献[17]试验结果表明，电极腐蚀降低，处理后的淤泥固体颗粒含量大幅增高.虽然EKG电极的加固效果较好，但其造价相对较高，且通电过程中较难对其进行替换，从而导致其应用受限[18].文中通过研制一种新型复合电极，在与传统电极进行对比试验后，验证其有效性[18].电势梯度是影响电渗效果与能耗的关键因素[19-20]，故对新型复合电极进行不同电势梯度下的电渗固结试验.

1 试验装置、电极材料与试验方法

1.1 试验用土

试验用土取自大连东港商务区，为海相软土，取土位置距地表13 m.土样颜色近似灰黑色，几乎无承载力，初始含水率ω为55.7%，孔隙水的盐度为35 g/L，pH值约为7.3，如表1.其中，γ为重度；γd为干重度；e为孔隙比；wP、IP、IL分别为塑限、塑性指数、液性指数；Cq为粘结力；φq为摩擦角；qu为无侧限抗压强度；Es为抗压模量.根据试验需求，通过对原状土进行处理，最终使重塑土的含水率达到约51%.

表1 原状土的物理力学性质指标

1.2 试验装置

试验土样模型箱为自主研制，箱子材质选用常用的工程塑料，长300 mm，宽200 mm，高250 mm.电极的入土深度为220 mm.试验装置包括试验模型箱、稳压直流电源(0～30 A，0～100 V)、新型复合电极、导线、电流表、电压表与相关辅助设备(万用表，袖珍触探仪，微型贯入仪)组成[16].图1为室内模型试验装置示意图.

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic configuration of the experiment

1.3 试验方法

试验分为4组，表2为各组试验的基本参数.电极材料均采用CCF电极，因土样运输过程中导致水分流失，为保证初始含水率与原状土尽可能保持一致，在试验开始前，对试验土样进行重塑，使重塑土的初始含水率约为51.2%，电势梯度分别采用0.75，1.00，1.25，1.50 V/cm.

表2 各组试验的基本参数

为研究土体不同位置、深度的承载力变化情况，试验土体被分为表层、中间层和底层3个截面，如图1.同时，选取若干含水量、承载力测试点[18]，如图2.

图2 含水量、承载力测试点分布(单位：mm)Fig.2 Measuring points of water content and bearing capacity(unit:mm)

通过袖珍触探仪测量每层试验土体不同位置的承载力.试验过程中，实时观测土体的电流、电压变化情况，当土体的电流为零时，说明此时试验土体的电阻趋于稳定，则停止通电，终止试验.

2 结果与讨论

2.1 排水量与排水速率

图3为排水量随时间的变化曲线.由图3可知，电渗初始阶段(0～10 h)，4组试验的排水量快速增长，近似呈线性变化，E4的增长速率高于其他三组.试验进行至10 h时，4组试验的排水量与总排水量占比分别为248 mL(44.6%)、362 mL(50.3%)、447 mL(49.8%)、529 mL(61.3%)，前期排水量基本与电势梯度的大小正相关.10 h后，排水量转变为曲线增长，排水速率逐渐减小.试验进行至25 h时，排水量增量趋于缓慢，此时4组试验的排水量与总排水量占比分别为556 mL(87.4%)、640 mL(88.9%)、801 mL(89.4%)、834 mL(96.6%).在25～40 h，随着试验的进行，土体裂缝不断增多，含水率不断降低，电极与土体发生脱离，排水量基本不增长.综上，电渗固结过程大致分为快速增长，缓慢增长与基本不增长3个阶段.

图3 排水量-时间变化曲线Fig.3 Water discharge-time curves

因土-电极发生物化反应，排水速率变化规律不明显，但其变化趋势为先增大后缓慢降低直至稳定.且排水速率呈现出电势梯度越大，电渗前、中期的排水速率越大，同时衰减越快.试验初始阶段 (0～3 h)，排水速率-电势梯度几乎呈线性关系，且线性关系随着时间的增长而变差.通电至25 h 时，E1～E4的排水速率分别为8，10，8，6 mL/h，在数值关系上表现为E2>E1=E3>E4.如若电势梯度过高，电渗时间持续短，但电势梯度较低致使电渗处理时间过长，故通过电渗排水速率，可找出一个适合的电势梯度，既能保证电渗排水速率长时间处于较高值，又能有效减少电渗处理时间.根据排水速率的变化，当电势梯度为1 V/cm时，电渗排水速率在后期较高.

2.2 电流与排水速率的关系

电流是电渗排水的直接驱动力，影响电渗排水速率，关乎电渗排水量、电渗处理时间等，且电流与排水速率紧密相关[17].根据试验数据，分别选取电流与排水速率作为横纵坐标，得到各组试验的电流、排水速率散点图.再根据电流、排水速率的分布规律，对电流-排水速率进行拟合.电流、排水速率两者间近似呈线性关系，故按线性公式v=cI+d拟合，得到拟合曲线，如图4.根据拟合结果，4组试验的拟合斜率c分别为129.9，93.2，111.6，101.8，截距d分别为-14.4，-7.6，-13.7，-15.9 mL/h，拟合结果较好.由图可知，排水速率近似随电流的增大而增大.E2的斜率与截距均小于其余三组，说明E2的排水速率随电流的增长较为缓慢，有利于电渗后期排水的进行.

图4 排水速率-电流散点图及其拟合曲线Fig.4 Scatter diagram of water discharge rate-current and fitted curves

2.3 能耗与排水量的关系

随着土体裂缝的增多，土体电阻增大，导致电渗后期的效果较差，此时电渗能耗主要消耗于土体发热，接触电阻等，致使其利用率较低[17-18].根据试验过程中电流、电压的实测数据，求出各组试验的能耗值，结合各组试验的排水速率，选取能耗、排水量作为横纵坐标，得到各组试验的能耗、排水量散点图.再根据能耗、排水量的分布规律，对能耗-排水量进行拟合.能耗、排水量近似呈线性关系，故按线性公式Q=eC+f拟合，得到拟合曲线，如图5.

图5 排水量与能耗散点图及拟合曲线Fig.5 Scatter diagram of water discharge-energy consumption curves and fitted curves

根据拟合结果，4组试验的拟合斜率e分别为4.6，3.2，2.8，1.9，相关系数均在0.95以上，且拟合曲线的斜率随着电势梯度的升高而降低.E1～E4的能耗分别为139.3、227.7、321.2、438.4 W·h，排水量分别为636，720，896，863 mL.排水量随能耗的增大而增大，但E4最终排水量小于E3，能耗却远高于E3，故并非电势梯度越大，土体的电渗效果越好.通过两者的拟合关系，可在能耗利用率较低的情况下停止通电或采取间歇通电，提高电渗排水效率与有效能耗的利用率.

3 土体承载力分析

试验结束后，根据表层、中间层和底层3个截面的含水量、承载力测试点进行取样，分析土体的含水量变化.根据试验结果，E1～E4的表层含水率为26.5%～ 28.8%，中层为30.7%～ 33.5%，底层为32.9% ～35.5%，平均含水率为30.4%～ 32.5%.相对初始含水率，降幅约为19.7%～22.4%，降幅明显.

通过袖珍触探仪对不同土层的土体，按照承载力测试点的分布，进行承载力试验，并绘制土体的承载力分布图，如图6.

图6 土体加固承载力分布Fig.6 Bearing capacity of the treated soils

由图可知，承载力自阳极至阴极逐渐降低.电渗过程中，阳极附近发生氧化反应，土中水在电渗力的驱动下不断向阴极移动并排出土体，同时阳极因化学反应相对剧烈导致温度较高促使周边土体蒸发，导致含水率降幅远高于阴极.复合电极中的铁片在电渗过程中电离出金属阳离子与土中离子作用生成胶凝物质，通过直流电的作用，胶凝物质不断胶结土颗粒向阴极移动并填充土体孔隙，使土体强度得到提升[17].故而导致阳极附近土体的承载力高于阴极区域.

4组试验的土体承载力最高值分别为194.8，233.1，239.8，239.8 kPa，相对初始承载力提高约9.1～12倍.E2加固后的承载力最小值为126.5 kPa，相对初始承载力提高约6.3倍，其余三组试验加固后的承载力最小值均为90.2 kPa.在阳极附近，土体的承载力最高，并形成一个强度圈，该强度圈内土体强度较高，而阴极处的强度增幅较小.经统计，4组试验加固后土体强度高于160 kPa的面积占比分别为32%，79%，57%，60%，且E2的加固效果更加均匀.综合电渗能耗、排水量与排水速率等，从承载力分布情况可以看出，当电势梯度为1 V/cm时，CCF电极的加固效果最好.

4 结论

通过4组试验探讨不同电势梯度下CCF电极的电渗加固效果，对排水量、排水速率-电流、排水量-能耗等进行分析，结合加固土体含水量与承载力分布规律，得到以下结论：

(1) 4组试验阴阳两极电势降分别占输入电压的43.5%，34.4%，37.0%，39.2%，有效电压占比56.5%，65.6%，63.0%，60.8%.电势梯度为1 V/cm时，有效电势占比最高.

(2) 电渗初始阶段，排水速率与电势梯度近似线性关系，但后期基本不成比例变化，当电势梯度为1 V/cm时，电渗排水速率能够长期保持较高值.

(3) 根据对排水速率与电流，排水量与能耗曲线进行拟合，得出排水速率-电流，排水量-能耗近似线性关系，且试验结束后，土体的含水量降幅较大.

(4) 加固土体的承载力大幅提升，E1～E4的土体的最大承载力值分别为194.8，233.1，239.8，239.8 kPa，高于160 kPa的面积占比分别32%，79%，57%，60%.综合电渗能耗、排水量与排水速率等，从承载力分布可得出，当电势梯度为1 V/cm时，加固后的土体承载力均在120 kPa以上，电渗效果最好且加固最为均匀.