真空預壓聯(lián)合電動法加固軟土的電學性質(zhì)變化實驗研究*

覃家琪，李洪藝，葉李勝，婁云雷，張碧龍，張澄博

(中山大學地球科學與地質(zhì)工程學院，廣東 廣州 510275)

自電滲法被學者Casagrande[1]首次應(yīng)用于巖土工程后，電滲法加固的研究逐漸深入，工程實踐中的應(yīng)用也逐漸增多。在電滲法的基礎(chǔ)上，向土體中注入鹽溶液可以有效地提高處理效果，稱為電動學加固。該方法可增加電導性，加速排水固結(jié)過程，注入的鹽溶液通過離子交換，能夠在一定程度上使土體顆粒排列更為緊密[2-3]。學者對電動法加固軟土進行過大量的研究，如探討注入不同類型及濃度的鹽溶液影響、電滲透系數(shù)、電滲流、加固效果等，但仍然存在許多問題有待解決，如電極腐蝕、能耗過大等[4-5]。

真空預壓法自W·Kjellman教授提出后[6]，經(jīng)過大量的研究和工程實踐，技術(shù)已比較成熟[7]。但真空預壓法依然遇到如工期較長、較難排出結(jié)合水、工后沉降較大等問題[7-9]。

多方法聯(lián)合加固的手段也正不斷興起[10]，其中真空預壓聯(lián)合電滲加固軟土法融合了兩種方法的優(yōu)點，學者們從機理、理論模型、基本參數(shù)、技術(shù)工藝等方面做了大量的研究[11-13]，而對真空預壓聯(lián)合電動法加固軟土的研究才剛剛起步。在電滲法及電動法加固軟土過程中，通過研究電滲相關(guān)參數(shù)可以對設(shè)計進行優(yōu)化，并以此判斷通電效果，從而提高通電效率，降低成本。

本次實驗設(shè)置三組平行實驗對真空預壓聯(lián)合電動法加固軟土中的電學性質(zhì)變化進行研究，并與不注入CaCl2溶液的真空預壓聯(lián)合電滲法進行對比，研究的內(nèi)容包括加固實驗過程中電流的變化，電勢分布的特征，土體電導率的變化及單位能耗的變化等，并結(jié)合排水量對加固過程中的能耗、效果關(guān)系等進行初步研究。

1 真空預壓聯(lián)合電動法實驗

1.1 實驗土樣

珠江三角洲地區(qū)的軟土分布較為廣泛，對工程建設(shè)具有不利影響[14]。本次實驗取自佛山市南海區(qū)西樵鎮(zhèn)南海發(fā)電一廠。土樣呈深灰色-灰黑色，具輕微腥臭味，含有機質(zhì)，夾粉砂薄層，局部混入腐木，淤積成因，呈很濕～飽和，軟塑狀態(tài)，標貫擊數(shù)為1～4擊，粉砂薄夾層和腐木可使標貫擊數(shù)偏高。淤泥層厚0.70～17.70 m，平均厚度8.52 m，層頂面高程-10.46～3.68 m。土樣經(jīng)X射線衍射實驗分析，主要礦物組成為：石英、伊利石、蒙脫石及一些有機物。土樣物理參數(shù)見表1。

1.2 實驗裝置

自制試驗裝置，裝置包括：電源及通電設(shè)備；真空泵；排水裝置；測量裝置；試驗箱體。實驗裝置可以單獨作為真空預壓實驗或電滲/電動實驗使用。試驗裝置示意圖如圖1所示。

電源系統(tǒng)：陽極棒和陰極棒采用圓形中空鋁棒，長22 cm，直徑2 cm，電源采用可控硅整流器(型號PS-605D，輸出電壓0～60 V，輸出電流0～6 A)。

真空抽泵：采用循環(huán)水真空泵(SHZ-95B型)，功率370 W，極限真空0.097 MPa，抽氣量10 L/min。

排水系統(tǒng)：排水管使用圓形鋁管，長13 cm，直徑1 cm，管身布滿小孔用于排水，排水鋁管上端位于砂墊層內(nèi)。陽極棒作為注入溶液的通道，其下端12 cm的地方每隔2 cm設(shè)置一個直徑5 mm小孔作為注入溶液的流出通道。排水鋁管及陽極棒均使用300目尼龍網(wǎng)包裹，防止黏土顆粒堵塞小孔。

測量系統(tǒng)：在試驗箱體的前側(cè)立面打8個直徑5 mm的圓孔，用于檢監(jiān)測實驗過程中電勢變化。

試驗箱體：采用透明玻璃箱，規(guī)格為50 cm×13 cm×16 cm，主要成分為SiO2，并設(shè)置附屬裝置。

表1 土樣基本物理性質(zhì)

圖1 實驗裝置示意圖

本試驗將原狀土分層裝入試驗容器內(nèi)，壓實整平后再放置另外一層，頂層覆蓋1 cm厚的砂墊層，可用于排水。將陽極棒、陰極棒、排水鋁管插入軟土中，排水鋁管上端位于砂墊層內(nèi)，并將抽氣軟管埋于砂墊層中，軟管的另一頭連接錐形瓶。然后使用白色透明塑料膜將玻璃箱密封。使用軟管連接錐形瓶、真空泵抽氣孔，通過真空泵將砂墊層中的液體或氣體抽出，液體在重力作用下留在錐形瓶中，氣體則可排出。接通電源，并在前側(cè)面的電勢監(jiān)測點插入鐵絲，用于檢測試驗過程中的電勢變化。

1.3 實驗方案

共進行三組對照實驗，各組實驗如下。

實驗一：真空預壓聯(lián)合電滲法加固實驗，實驗時間60 h，主要探討未注入溶液情況下實驗數(shù)值的變化。

實驗二：真空預壓聯(lián)合電動法加固實驗，實驗時間60 h，每隔0.5 h從陽極注入5 mL濃度為1 mol/L的CaCl2溶液，探討在注入溶液情況下實驗的變化。

實驗三：真空預壓聯(lián)合電動法加固實驗，實驗時間120 h，每隔2.5 h從陽極注入25 mL濃度為1mol/L的 CaCl2溶液，主要探討實驗時間及溶液注入方式對實驗效果的影響。

三組對照實驗均使用55 V的直流電源供電，采用間歇停電技術(shù)，平均每通電16 h停電5 h，在停電時將溶液取出，做排水量等參數(shù)的相應(yīng)測試。

將土樣及裝置連接好，靜置24 h后開始實驗。實驗結(jié)束后對土體進行相應(yīng)測試。一組實驗完畢，使用超純水洗凈實驗裝置，并更換電極棒，消除上一組實驗的影響后進行下一組實驗。

2 實驗結(jié)果

2.1 電流變化

在實驗過程中，由于液體被排出、土體干裂固結(jié)等原因使得電流呈衰減趨勢。但對于不同的實驗組，電流變化的規(guī)律不盡相同。

其中，真空預壓-電滲法加固實驗(60 h)，電流變化見圖2，前45 h電流衰減較快，表明土體中水分被快速排出，在最后15 h，電流趨于穩(wěn)定，且保持在較低的數(shù)值，這表明電滲在此時的作用已經(jīng)不大，且采用間歇停電也不能較好地改善。

真空預壓-電動法加固實驗(60 h)，電流變化如圖3所示，電流呈先升高后降低的趨勢，在前20 h內(nèi)，電流從0.07 A急劇升高至0.13 A，為實驗一中最高電流(0.06 A)的2.1倍，之后電流呈直線式下降，實驗時間達到50 h后，電流穩(wěn)定于0.04 A。

真空預壓-電動法加固實驗(120 h)，電流變化可見圖4，電流亦呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律，在前50 h內(nèi)，電流總體呈升高趨勢。其中，前10 h內(nèi)，由于注入CaCl2溶液，電流急劇升高，在10～50 h內(nèi)，電流呈波動式升高，在50 h左右達到最大值(0.16 A)，為實驗一中最高電流的2.7倍。在50～110 h內(nèi)，由于土體固結(jié)干裂等因素影響，電流波動式下降至0.04 A，在此后的10 h內(nèi)，電流基本穩(wěn)定于0.03 A左右。

由此可見，注入溶液和延長實驗時間都能有效地提高實驗電流，其中溶液注入方式對電流影響較大。使用間歇停電技術(shù)可以使電流在短時間內(nèi)急促上升，然后迅速下降至原電流曲線以下，并且以原電流曲線下降速率繼續(xù)下降。

圖2 真空預壓-電滲法實驗電流變化(60 h)

圖3 真空預壓-電動法加固實驗(60 h)

依據(jù)電滲能量理論[15]，電滲過程中的電流呈指數(shù)形式衰減，電流指數(shù)衰減的形式如下：

I-I∞=(I0-I∞)e-αt

(1)

式中，I為實時電流(A)；I0與I∞分別為初始電流和最終電流(A)，α為衰減常數(shù)(s-1)，t為實驗時間(h)。

據(jù)此對三組實驗的進行曲線擬合，從圖2-4中的衰減曲線可以看出，在穩(wěn)壓條件下，電滲/電動過程中的電流變化基本呈負指數(shù)形式衰減，基本滿足式(1)。從擬合度R2可以看出，三個實驗的擬合度分別為0.98、0.72、0.67，這說明真空預壓-電動法加固實驗電流的變化呈逐漸偏離指數(shù)形式衰減。

圖4 真空預壓-電動法加固實驗(120 h)

2.2 排水量變化

三組對比實驗的排水量累計曲線見圖5，排水速率隨時間變化示意圖見圖6。

從圖6排水量累積曲線可以看出，真空預壓-電滲法加固實驗(60 h)與真空預壓-電動法加固實驗(60 h)時間相同，但后者累積排水量比前者多出1.82倍，說明注入溶液后能夠大幅度地提高排水效率；對比真空預壓-電動法加固實驗(60 h)與真空預壓-電動法加固實驗(120 h)，后者的累積排水量在前60 h比前者多出57.8%，比實驗一多出346%，這說明每隔2.5 h注入25 mL CaCl2溶液與實驗二相比能夠更有效的提高排水效率，但60 h后的排水量僅占總排水量的5%左右。

三組實驗的排水率均隨時間增加而減小，從實驗一至實驗二，排水速率提高約2倍，實驗三的排水速率與實驗二相比增加約40%～60%。

圖5 排水量累積曲線

圖6 排水率隨時間變化示意圖

2.3 電勢變化

土體的總電阻效應(yīng)可以用視在電阻來描述，視在電阻由電極電阻、界面電阻、土體電阻組成，本實驗中電極電阻可以忽略不計[16]。本次實驗通過測量電勢分布，以對界面電阻、土體電阻進行判斷。在實驗過程中，在距離陽極0、2.5、17.5、32.5、47.5 cm的位置測量電勢，對應(yīng)實驗裝置示意圖圖1中的1-5號點。

通過對比發(fā)現(xiàn)，對于真空預壓-電滲法加固實驗(60 h)，電勢分布見圖7，土樣中間部分的電壓降比電極兩端的小，其他點的電勢呈線性分布，這說明電極兩端存在明顯的界面電阻現(xiàn)象。在實驗開始時，電勢分布呈直線下降，隨著實驗時間的增加，界面電阻變大使得電勢分布越來越偏離線性。電壓降在實驗進行到55 h后就達到了45 V，占了總電壓的90%，消耗了大部分能量，因此到實驗后期，由于界面電阻的存在，電滲效率很低[17]。

圖7 真空預壓-電滲法加固實驗(60 h)電勢分布圖

對于真空預壓-電動法加固實驗(60 h)及真空預壓-電動法加固實驗(120 h)，電勢分布可見圖8、圖9。其中，實驗二每個監(jiān)測點之間的電壓降基本一致，而實驗三最大的電壓降發(fā)生在離陽極17.5～32.5 cm之間，兩組實驗都沒有出現(xiàn)明顯的界面電阻現(xiàn)象，這說明注入溶液能較好地減少界面電阻，提高電動效率。隨著時間增加，電勢變化接近線性，與真空預壓-電滲法加固實驗的電勢分布規(guī)律相近，若繼續(xù)延長實驗時間，界面電阻效應(yīng)加強，效率則越來越低。

圖8 真空預壓-電動法加固實驗(60 h)電勢分布

圖9 真空預壓-電動法加固實驗(120 h)電勢分布

2.4 電導率變化

在實驗中，電導率受到土樣內(nèi)部溶液離子類型、濃度、電阻和固結(jié)程度等影響而發(fā)生變化，這些變化則會進一步影響電滲出水量及土體的固結(jié)過程[18-19]。電導率是實驗過程中研究土樣的含水率、電阻等變化的重要參數(shù)。

圖10為實驗中土體電導率的變化圖，由實驗一至實驗二、實驗三的電導率逐漸增加，說明注入溶液能有效提高電導率，間接加速了排水過程。

其中，真空預壓-電滲法加固實驗(60 h)的電導率變化不大，基本保持在0.03 (Ω-1·m-1)左右；真空預壓-電動法加固實驗(60 h)的電導率呈先上升后減小的趨勢，而加固實驗(120 h)的電導率卻呈現(xiàn)波動上升趨勢。這說明不同的溶液注入方式對電導率變化具有較大的影響。

圖10 電導率變化圖

2.5 單位能耗變化

在穩(wěn)壓條件下，實驗土體的瞬時電流可以在一定程度上反應(yīng)土體電阻和能耗的變化。單位能耗系數(shù)E，為能耗及液體排出量的比值，公式如下

E=UIt/V

(2)

式中，E為單位能耗系數(shù)(J/mL)，U為輸入電壓(V)。在本次實驗中U為55 V，I為開始到測量時間內(nèi)的平均電流(A)，V為實驗開始到測量時間內(nèi)排出溶液的累積體積(mL)，實驗過程中單位能耗系數(shù)E如圖11所示。

圖11 單位能耗系數(shù)變化

由圖可以看出，真空預壓-電滲法加固實驗的平均能耗系數(shù)隨時間的增加而減小，其原因為隨實驗時間增加，土中溶液被排出而沒有補充，電流急劇下降，平均能耗系數(shù)呈下降趨勢。但其能耗系數(shù)與實驗二、實驗三相比仍然較大，這說明注入溶液能夠有效地減小能耗，節(jié)約能源。

真空預壓-電動法加固實驗的平均能耗系數(shù)隨時間的增加而呈線性增加，即隨實驗時間增加，電動效率越低，電能則更多地被轉(zhuǎn)換成熱能，通過對比實驗二與實驗三，溶液注入方式對平均能耗系數(shù)影響較大，實驗二單次注入溶液量比起實驗三要小，其平均能耗系數(shù)較實驗三要大，這說明溶液注入方式對電動效率有較為明顯的影響，選擇合適的注入方式能夠有效地減小能耗，節(jié)省能源。

真空預壓-電滲法加固實驗(60 h)平均能耗系數(shù)為0.41 J/mL、真空預壓-電動法加固實驗(60 h)平均能耗系數(shù)為0.43 J/mL，真空預壓-電動法加固實驗(120 h)平均能耗系數(shù)為0.71 J/mL，由此可知，選擇合適的通電時長能夠有效地降低平均能耗，提高電動加固效率。

3 討 論

實驗結(jié)果表明，注入CaCl2溶液能夠有效提高通電效率，加速軟土固結(jié)排水，增大排水量，且CaCl2溶液注入方式對實驗具有較大的影響。本實驗設(shè)置三組對照試驗，初步探討了真空預壓聯(lián)合電動法加固軟土的電學參數(shù)變化及排水量變化規(guī)律。

現(xiàn)有的電動加固軟土的研究焦點單方面的集中在注入鹽溶液的種類、濃度及加固效果等方面，與真空預壓法或其他方法相結(jié)合的研究較少[4]。本文實驗結(jié)果表明鹽溶液的注入能夠提高軟土加固效率及效果，與前人研究結(jié)論較為一致。注入鹽溶液的真空預壓聯(lián)合電動法在軟土加固上，能有效提高工程施工的效率、減少工后沉降對工程帶來的損害。本研究證明，注入鹽溶液的電動法對真空預壓法有明顯的促進作用。

實驗發(fā)現(xiàn)，注入鹽溶液后電極腐蝕現(xiàn)象較為明顯。本次實驗未對電極腐蝕防腐辦法做深入探討。建議在今后的研究中使用新型的電動土工材料或使用其他方法減少電極腐蝕現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1)注入鹽溶液能夠提高土體中電流的大小，且電流的變化呈逐漸偏離負指數(shù)的形式衰減，能夠提高電導率，能有效減少界面電阻現(xiàn)象。

2)溶液注入方式不同對實驗結(jié)果影響較大，適量增加單次注入溶液的劑量可以使電流增大、電導率增大、排水量增大、排水速率加快，但電動法通電時間過長則會導致電動效率明顯降低。

3)注入鹽溶液能降低排出單位液體所需要的能量，隨實驗時間增加，電能將被轉(zhuǎn)換為熱能，且界面電阻逐漸增大，選擇合適的通電時間可以有效控制能耗及效率。

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