电渗试验中土体电阻变化规律探究

摘 要：电渗法作为一种新兴的地基处理方式，能加快土体的排水固结，提高土体强度。该文通过设置7组试验，研究电渗试验中土体电阻的变化规律。试验结果表明，随电渗时间的延长，土体总电阻值呈现出先减小后增大的变化趋势，这种变化规律主要取决于靠近阳电极处土体电阻的变化。并且，土体电阻的大小与干密度和含水率均有关系，具体表现为土体的干密度越大，试验后阳电极处土体的含水率降低越多;在一定范围内土体的含水率越高，电阻越小。

关键词：电渗;电阻;含水率;干密度;室内试验

中图分类号：TU472 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0073-04

Abstract： As an emerging foundation treatment method， electroosmosis can accelerate the drainage and consolidation of soil and improve soil strength. In this paper， 7 groups of tests were set up to study the change laws of soil resistance during electroosmotic tests. The test results show that with the extension of electroosmosis time， the total resistance of the soil shows a change trend of decreasing first and then increasing. This change rule mainly depends on the change of the resistance of the soil near the anode electrode. Moreover， the resistance of the soil is related to both dry density and water content. The specific performance is that the greater the dry density of the soil， the more the water content of the soil at the anode electrode decreases after the test; the higher the water content of the soil within a certain range， the smaller the resistance.

Keywords： electroosmosis; resistance; moisture content; dry density; indoor test

基于土颗粒本身带负电荷这一现象，国内外学者开始利用电渗法对地基进行处理。在直流电场中，带负电荷的黏土颗粒会在外加电势的作用下移向正极，即电泳现象;而土体中的水分子和水化阳离子会移向负极，即电渗现象。当前，对电渗法在饱和软土中的应用研究已较为成熟，常与堆载预压、真空预压等方法联合加固土体。2021年吕延栋等[1]用“电渗-堆载-化学灌浆”法加固软土地基，发现该方法能延长有效排水时间;2023年柏巍等[2]进行了电渗与真空预压联合室内试验，分析了掺砂比和电压对残余含水率的影响;2024年刘娉慧等[3]在电渗试验中掺加不同固化剂，发现电渗联合固化剂可以更大程度地提高尾矿的强度;同年，周卫东等[4]进行真空联合阳极跟进电渗法室内试验，提高了土体的加固效果。

电渗会加快土体的排水速率，改变其的含水率分布，使得试验后阳极区土体含水率降低，阴极区土体含水率升高。本文在此理论基础上，设计7组试验，探讨电渗试验中土体电阻值的变化规律，进一步完善电渗试验研究。

1 试验设置

1.1 试验土体初始条件

土体的孔隙比和导电性均受干密度这一指标的影响，故设置干密度不同的3组试验研究电渗过程中土体电阻值的变化规律。各组试验土体的初始条件见表1。

1.2 试验装置

试验装置分为固定底座和土样盒，均由透明玻璃粘结而成。试验时，在土体中布置V1—V5五根金属探针，探针将土体分为R1、R2、R3和R4四个区域，布置一台电压表用于测定试验中土体各探针处的电压值，一台电流表用于测定试验中流经土体的电流值，试验采用金属网状电极，直流电源。试验装置[5]尺寸和电路连接[6]如图1所示。

1.3 试验步骤

1）将制备好的土样填入土样盒后，调节电源电压至20 V，接通电路开始试验，为保证试验的连续性，每隔1 h记录一次经过土样的电流值和土样各探针处的电势值。

2）达到设定的电渗时间后结束试验，在土样既定的含水率取样点取样并测其含水率。

3）由试验中记录的各探针处电压值和电流值，计算各组试验土体的总电阻和区域电阻。

2 试验结果分析

2.1 含水率变化分析

图2为不同干密度土体电渗试验后各取样测点的含水率分布图。由图2可知，在直流电场中，土中水可以在电势能的驱动下发生迁移，使得靠近阳极区域土体含水率低于初始值，靠近阴极区域土体含水率高于初始值，这与现有研究结论相符合。除此之外，试验结果还表明，干密度值越大的试验土体，在阳极电极处其含水率降低值越大，电渗效率越高。这是因为干密度与土体密实程度成正相关，越密实的土体，其孔隙比越小，一则增大了电极与试验土体的接触面积，二则空气含量低使得试验土体的电阻率减小。

2.2 电阻变化分析

本次试验中，系统误差及试验土体之外的其他电阻忽略不计，V1探针和阳电极、V5探针与阴电极的距离较近，故粗略认为界面电阻为V1和V5到阳、阴电极之间产生的电阻。故土体总电阻可表示为

式中：R界为界面电阻，Ri为被金属探针分割的4个区域土体对应的电阻。

试验电路中总电压为20 V，由试验过程中每小时记录的各探针处电压值和流经土体的电流值，根据欧姆定律可直接计算土体电阻值。图3为电渗试验中干密度不同的土体总电阻变化曲线，由图3可知，随电渗时间的延长，3组试验土体总电阻值均呈现出先减小后增大的趋势。这是因为电渗过程中电极发生电化学反应[7]，氧化物的产生使得其导电性降低;再者，电渗使试验土体中的水分发生迁移，靠近阳电极处土体含水率降低增大了电阻率。进一步观察发现，本次试验中干密度为1.45 g/cm3的土体，其电阻值远大于干密度为1.35 g/cm3和1.55 g/cm3的土体，这是因为影响土体电阻大小的因素，除干密度指标外，还有含水率指标，土体干密度值较大时，其对电阻率的影响程度高于含水率的影响程度，干密度值较小时，其对电阻率的影响程度低于含水率的影响程度。

图4、图5、图6为电渗试验中各区域土体的电阻变化曲线。由图可知，对于干密度不同的土体，试验中靠近阳电极处即R1和R2区域的土体，其电阻值均表现处较大程度的提高，且R1区域土体在试验前期电阻值增大较为明显，中后期电阻基本稳定，而R2区域土体在试验前期表现为电阻降低，中后期电阻迅速增加。这是因为电渗使土体中的水分从阳极迁往阴极，在试验初期，从R1区域迁往R2区域的水分多于从R2迁往R3的水分，致使R1区域土体含水率迅速降低，电阻值增加，而R2区域土体则含水率提高，电阻值降低;试验后期则与此相反，R1区域土体中的水分迁移速率降低，迁往R2区域的水分低于从R2迁往R3的水分，致使R2区域土体含水率降低，电阻值提高。进一步观察图4、图5和图6发现，土体中靠近阴电极的R3和R4区域在试验中电阻值呈现较小的变化幅度。这说明土体总电阻的变化主要取决于靠近阳电极的R1和R2区域土体电阻值。

2.3 含水率与电阻关系分析

电渗过程中，R3和R4区域持续接受由R1和R2区域迁来的水分，R3和R4区域土体含水率持续提高，但其电阻值并未表现出持续降低的态势，为进一步分析土体含水率与电阻值的关系，增做4组电渗试验协助研究，试验方法和步骤同1.2、1.3节，新增试验的初始条件见表2。

如图1（a）、图1（b）所示，7组电渗试验的土体共分得28个区域，每个区域土体包含3个含水率取样测点，取3个取样测点含水率的平均值作为本区域土体的含水率值，jJK0wRwmuHh3cu0jfFLTzQ==再由各探针处测得的电势值和流经土体的电流值计算区域土体电阻值，经数据分析与拟合，即可得到含水率与土体电阻的关系曲线，如图7所示。由图7可知，土体电阻值与含水率呈非线性的递减关系。具体而言，当土体的含水率处于18%～28%的区间内时，土体处于非饱和状态，此时电阻值会随着含水率的增加而急剧下降;而当含水率超过28%时，土体基本达到饱和状态，此时电阻值受含水率变化的影响变得较小，趋于稳定。故土体电阻值与含水率的关系表达式可表示为

R=42.35+3.74×103e-w/6.57 ， （2）

公式（2）未作量纲分析，且本次研究为更好地呈现试验效果，初始含水率均设置较高，后续可进一步对低含水率土体展开研究。

3 结论

基于电渗法可以加固土体的原理，本文设计了7组试验，旨在探究土体在电渗过程中电阻值的变化规律。试验结果显示，随着电渗时间的延长，土体的总电阻值呈现出先减小后增大的变化趋势，而这一变化模式主要受控于靠近阳电极部位土体电阻的变动。此外，土体的电阻大小与其干密度及含水率密切相关：具体而言，土体的干密度越大，试验后阳电极附近土体的含水率降低幅度也越大;同时，在特定范围内，土体的含水率越高，其电阻值则越小。

参考文献：

[1] 吕延栋，朱龙祥，王旭，等.电渗-堆载-化学灌浆联合处理淤泥质软土的试验研究[J].岩土工程学报，2021，43（增刊2）：100-103.

[2] 柏巍，王斐，孔令伟，等.湖相淤泥排水速率及残余含水率的影响因素分析[J].土木工程学报，2023，56（增刊1）：116-124.

[3] 刘娉慧，赵琦琦，侯传营.电渗法联合固化剂改良尾矿浆液试验研究[J/OL].华北水利水电大学学报（自然科学版），1-8[2024-08-04].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/41.1432.tv.20240328.1350.002.html.

[4] 周卫东，张志鹏，符洪涛.电势梯度对真空预压联合阳极跟进电渗法加固效果试验研究[J].土工基础，2024，38（2）：322-327.

[5] 焦丹，任芮花，王铁行，等.土壤含盐量对电势作用下黄土水分迁移影响试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），2019，50（12）：3075-3083.

[6] 王华杰.非饱和黄土电渗作用及水分迁移规律研究[D].西安：西安建筑科技大学，2020.

[7] 张雷，王宁伟，景立平，等.电渗排水固结中电极材料的对比试验[J].岩土力学，2019，40（9）：3493-3501，3514.

基金项目：广东理工学院2023年校级科技项目（2023YBZK009）

作者简介：王华杰（1994-），女，硕士，助教。研究方向为土力学、地基处理。