電滲儀的研制及其典型試驗(yàn)

曹永華，高志義

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

在土中通以直流電，在電勢(shì)差的作用下，土中水從陽(yáng)極流向陰極，這種現(xiàn)象即為電滲。如果將匯集于陰極的水分及時(shí)排出，就可以不斷降低土的含水率，因此電滲可以用于對(duì)地基進(jìn)行加固處理。Casagrande于1939年第一次將電滲技術(shù)應(yīng)用于巖土工程中，后來各國(guó)學(xué)者在其加固機(jī)理與應(yīng)用方面開展了大量的研究工作[1-6]。電滲法具有加固速度快，對(duì)細(xì)顆粒、低滲透性土有良好的加固效果等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)港口建設(shè)的飛速發(fā)展，利用港池和航道疏浚土吹填造陸工程大量涌現(xiàn)。疏浚土往往具有細(xì)顆粒、高塑性、低滲透等特性，因此電滲法有望成為此種土的有效加固方法。在電滲加固中，土體的電滲透系數(shù)、電阻率等參數(shù)都是電滲加固中的重要參數(shù)，然而對(duì)電滲透系數(shù)，很多情況都是取經(jīng)驗(yàn)值，這是一種粗略的處理方法。不同的土類其電滲透系數(shù)并不一樣[7]，獲取準(zhǔn)確的電滲透系數(shù)可以更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行工程設(shè)計(jì)，然而，關(guān)于電滲透系數(shù)等參數(shù)的測(cè)量裝置和測(cè)試方法的詳細(xì)研究工作卻不多見。為將電滲廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐，必須發(fā)展一套電滲透系數(shù)的測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法。本研究通過對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的整理分析，并結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件，研制出了用于電滲透系數(shù)和電阻率量測(cè)的室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備電滲儀。

1 電滲儀的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)

1.1 設(shè)計(jì)思想

電滲儀應(yīng)具有下列功能：

1）能勝任電滲透系數(shù)測(cè)量；2）能勝任土體電阻率測(cè)量；3）具有固結(jié)儀的一般功能，能垂直加載，勝任固結(jié)試驗(yàn)。

為完成上述功能，電滲儀應(yīng)具有下列技術(shù)特點(diǎn)：

1）能在土體中形成均勻一維電場(chǎng)；2）具有雙面排水功能，并能靈活控制排水條件；3）能對(duì)電滲排水進(jìn)行準(zhǔn)確地收集；4）能監(jiān)測(cè)土體中電勢(shì)分布；5）能監(jiān)測(cè)加固中土體表層位移。

1.2 電滲儀的結(jié)構(gòu)

電滲儀整體結(jié)構(gòu)見圖1。

電滲儀除電極外，基本由有機(jī)玻璃制成，主要構(gòu)成部分有土樣室、上下電極、上下排水管、加載系統(tǒng)、孔壓測(cè)試裝置和電勢(shì)測(cè)試裝置。土樣室安置試驗(yàn)土樣，土樣室高10 cm，直徑18 cm，其寬高比符合形成一維均勻電場(chǎng)的要求。電極采用導(dǎo)電性能優(yōu)良的多孔銅板，既可形成均勻電場(chǎng)，又能使電滲排水通暢排出。排水管的功能是將匯集于電極的水排出，并通過采集裝置將排水收集。電線與電極相連，從而在銅板電極間形成均勻電場(chǎng)。電勢(shì)測(cè)頭深入土體0.5 cm，與萬(wàn)用表相連，可以對(duì)各點(diǎn)電勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。加載系統(tǒng)可以垂直加載，因此電滲儀可以研究電滲加固、預(yù)壓加固及其之間的聯(lián)合加固方法。此外，由于在電極間形成了一維均勻穩(wěn)定電場(chǎng)，電滲儀還可以測(cè)定土樣的電阻率。

圖1 電滲儀示意圖

2 電滲儀的應(yīng)用

2.1 電滲透系數(shù)測(cè)定

電滲透系數(shù)是衡量電滲加固效果的重要參數(shù)，從數(shù)量上等于單位電勢(shì)梯度作用下的水流速度，對(duì)于一維情況有：

式中：ve為電滲透流速；ke為電滲透系數(shù)；為電勢(shì)梯度。

對(duì)于一維情況，在水力梯度和電勢(shì)梯度的共同作用下，土中水的滲透流速可以表示為：

式中：Qe是電滲滲流的流量；Qh是水力滲流的流量。

由于試驗(yàn)中電滲滲流和水力滲流同時(shí)發(fā)生，在ke未知和不設(shè)置常水頭裝置的情況下，Qh是無(wú)法確定的。但通過試算可知，在本試驗(yàn)的試驗(yàn)裝備和方法的情況下，Qh要比Qe小很多倍，因此，將Qh忽略，其對(duì)ke的試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。

因此，有：

利用式（4），可以對(duì)電滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

試驗(yàn)中，為了防止由于電滲導(dǎo)致陽(yáng)極排水而使得土壤性質(zhì)發(fā)生顯著地改變，于土樣上部注入與土壤中水分相同的水，約1 cm高度，這樣既能避免陽(yáng)極土性質(zhì)及陽(yáng)極和土的接觸電阻發(fā)生顯著變化，又能使由于水力滲透導(dǎo)致的Qh小到可以忽略的程度。電滲儀測(cè)試系統(tǒng)見圖2。

圖2 電滲儀測(cè)試系統(tǒng)圖

試驗(yàn)土樣采用青島疏浚軟土，其物理性質(zhì)見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 土樣物理性質(zhì)

表2 電滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)中對(duì)一定電勢(shì)梯度作用下土體的出水量等進(jìn)行記錄，由式（4）可以計(jì)算得到土體的電滲透系數(shù)。

2.2 電阻率測(cè)定

土體電阻率也是電滲設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。由電滲固結(jié)理論可知，由電滲引起的水體運(yùn)動(dòng)速度與電勢(shì)梯度成正比，因此，較大的電勢(shì)梯度有利于提高加固速度和效果。但電勢(shì)梯度的加大使得土體中電流密度增大，在土體電阻率較小時(shí)尤為明顯，從而導(dǎo)致了陽(yáng)極腐蝕速度的加快，這又是對(duì)加固不利的，因此，土體電阻率對(duì)電滲設(shè)計(jì)也是非常重要的。

在電阻測(cè)量中，接觸電阻是不可忽略的。為了消除接觸電阻對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，可以測(cè)量不同長(zhǎng)度土樣的電阻，繪制成土樣長(zhǎng)度-電阻曲線，此曲線在長(zhǎng)度為0時(shí)的電阻即為接觸電阻。用總電阻減去接觸電阻即可得到實(shí)際土樣的電阻?？傠娮杩梢酝ㄟ^土樣的電壓-電流關(guān)系曲線獲得。土樣電阻與電阻率的關(guān)系為：

式中：RS為土樣電阻；ρ為電阻率；S為試樣截面積；L為試樣長(zhǎng)度。

因此，求得不同試樣高度的系統(tǒng)總電阻后，作出系統(tǒng)總電阻與試樣高度的擬合直線，此直線的斜率即是試樣截面積等于當(dāng)前試樣的單位長(zhǎng)度土樣的電阻，將斜率乘以試樣截面積就能得到電阻率。

試驗(yàn)土樣與2.1中相同，其物理性質(zhì)見表1。

首先求不同試樣高度時(shí)的系統(tǒng)總電阻。試驗(yàn)中的電壓電流關(guān)系擬合直線的斜率就是系統(tǒng)總電阻，典型的擬合直線如圖3。

圖3 土樣高度3.7 cm時(shí)系統(tǒng)總電阻

共進(jìn)行了5組測(cè)試，不同試樣高度和系統(tǒng)總電阻的擬合直線如圖4。

圖4 系統(tǒng)總電阻隨土樣高度的變化

由圖4，直線斜率為26.472，表示試樣長(zhǎng)度為1 m時(shí)具有的電阻值為26.472 Ω，因此土體的電阻率為：

3 結(jié)語(yǔ)

電滲透系數(shù)和土體電阻率是電滲加固設(shè)計(jì)中必須考慮的參數(shù)，對(duì)加固效果有重要的影響，采用最新研制的電滲儀，對(duì)此二參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，可以更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

電滲透系數(shù)和土體電阻率受多種因素的影響，對(duì)其主要影響因素進(jìn)行深入研究，有助于更科學(xué)地施工設(shè)計(jì)及對(duì)電滲加固的深入理解。

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