非金屬電極在電滲排水中的應(yīng)用

王寧偉，孫守剛，梁家豪，柴高炯，劉　鐵

(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168)

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非金屬電極在電滲排水中的應(yīng)用

王寧偉，孫守剛，梁家豪，柴高炯，劉鐵

(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168)

利用自制的非金屬電極和金屬鐵電極分別進(jìn)行四組室內(nèi)軟土電滲試驗，探索非金屬電極在電滲排水中的應(yīng)用效果。通過電滲過程中電流、電滲排水量、排水速率、能量消耗、能耗系數(shù)的變化及對電滲前后土體的含水率的變化，得出以下結(jié)論：非金屬電極在電滲排水中應(yīng)用效果良好，土體含水率下降較大，并產(chǎn)生比較顯著的沉降；非金屬電極的電流衰減的較慢，能保證電滲排水的持續(xù)進(jìn)行,最終的累積排水量大；采用非金屬電極可提高電滲效率。通過該試驗的研究探討了電滲的有效性，指出了非金屬電極的優(yōu)越性，為電滲法的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

非金屬電極；電滲排水；電流衰減；有效能耗

隨著我國沿海經(jīng)濟(jì)新區(qū)的不斷開發(fā)，圍海造陸工程越來越多，如何快速處理低抗剪強(qiáng)度、高含水率和低滲透性的軟黏土滿足工程建設(shè)的需要成了工程界的棘手問題之一。傳統(tǒng)的加固處理方式如真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓處理技術(shù)等均受制于土體的滲透系數(shù)的影響，存在著排水速率十分緩慢、施工時間相對較長、加固后沉降變形大和均勻性較差等問題，有時甚至難以達(dá)到預(yù)期的加固強(qiáng)度。電滲法是通過在土體兩端施加適當(dāng)?shù)牡蛪褐绷麟?，通過產(chǎn)生電動和電化學(xué)等反應(yīng)引起土體內(nèi)部離子和水分子定向運動的排水固結(jié)方法，其最大的優(yōu)點是排水速率快，加固均勻和強(qiáng)度效果好，是加固軟黏土地基的有效處理方法。1936年Casagrande L[1]首次將電滲現(xiàn)象引入到土力學(xué)中，并于1939年首次將電滲法成功運用到鐵路的挖方工程中，并取得了非常好的加固效果。此后，許多的國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對電滲加固軟黏土技術(shù)展開了大量的試驗研究,如采用不同的傳統(tǒng)電極材料[2-3]來研究電極對電滲排水效果的影響，采用轉(zhuǎn)換陰陽電極技術(shù)[4-6]、合理的間歇通電技術(shù)[7-9]、電滲聯(lián)合加載技術(shù)[10-12]、電滲聯(lián)合真空技術(shù)[13-15]等來提高電滲排水的加固效果，采用不同的電極布置形式[16-18]來研究電極的布置方式對電滲加固效果的影響，采用不同的電壓梯度[19-20]來研究其對電滲加固效果的影響，采用新型的電動土工合成材料(EKG)[21-22]作為電極來抑制電極的電化學(xué)反應(yīng)等。但由于電滲法中的金屬電極容易腐蝕和鈍化、耗電量比較大等缺點未能使其在工程上得到廣泛的應(yīng)用。本文通過對軟黏土在相同電勢梯度下進(jìn)行室內(nèi)電滲試驗，分析試驗過程中的電流、排水速率、排水量、能量消耗、能耗系數(shù)及加固后土體的含水率的變化規(guī)律，以期得到非金屬電極對軟黏土電滲加固效果的影響，為工程現(xiàn)場提供一定的參考。

1　試驗準(zhǔn)備

1.1制作電極

試驗所用的電極主要由碳纖維與固定塑料排水板聯(lián)合制成的非金屬電極和金屬鐵電極(φ6的鋼筋)。碳纖維為12 k，電阻為36 Ω/m。將碳纖維絲等間距的布置在塑料排水板凹槽里，另一端用導(dǎo)線和銅圈與多根碳纖維進(jìn)行連接，并做好絕緣處理，制作成一支非金屬電極。本試驗在模型箱兩端各布置1支電極，安放電極時將布置碳纖維絲的一側(cè)朝模型箱的內(nèi)側(cè)相對布置，位于中間的位置，垂直插入土樣中，陰極的電極還需從模型箱底部露出3 cm～4 cm，以保證陰極有良好的向下排水通道。

1.2試樣制備

試驗用土樣為營口某萬達(dá)廣場工程現(xiàn)場采集的原狀黏性土，將原狀土進(jìn)行烘干，碾碎、過篩等步驟處理，然后按照試驗的目標(biāo)含水率進(jìn)行計算并稱取相應(yīng)質(zhì)量的干土和水，放到大型塑料箱內(nèi)進(jìn)行攪拌、調(diào)勻，配置成重塑土樣，并密閉靜置48 h后，清除表面積水，以保證土樣的均勻性。

1.3試驗裝置

(1) 試驗?zāi)Ｐ拖?。本試驗是在自制的長方形塑料模型箱內(nèi)進(jìn)行，長×寬×高為280 mm×220 mm×165 mm，在陰極的下端有排水口，量筒放置其下端，便于收集電滲排出的水。整個試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1電滲試驗裝置示意圖

(2) 穩(wěn)壓直流電源。試驗所用電源為定制的穩(wěn)壓直流電源，它能夠提供最大電流為5 A的輸出電流和最大60 V的輸出電壓，此電源還能夠顯示電路中的瞬時電流值，可長時間連續(xù)工作，同時具有漏電保護(hù)功能。

(3) 測量部分。測量部分由量筒、萬用表、電流表、聯(lián)測無紙記錄儀組成。土體排出的水由底部的排水孔從陰極的下端用細(xì)鐵絲進(jìn)行引流流出，滴到量筒中進(jìn)行讀數(shù)；試驗中陰極陽極兩端的電壓大小用萬用表進(jìn)行測量；土體的瞬時電流用電路中所串聯(lián)的電流表進(jìn)行測量；能量消耗用型號為SIN-R200C的聯(lián)測無紙記錄儀測量，其具有停電記憶功能。

1.4試驗方案

本次試驗一共做4組試驗，試驗編號分別為試驗A、試驗B、試驗C、試驗D，電滲試驗基本參數(shù)情況見表1。試驗A、試驗B、試驗C三組試驗土樣均取自同一個模型箱內(nèi)，初始含水率大致相同，近似為52.3%。試驗D的土樣取自于另一個模型箱，測得其初始含水率為50.6%。試驗開始通電后，每間隔0.5 h記錄一次試驗數(shù)據(jù)，包括試驗土體中瞬時電流、土體的累積排水量、聯(lián)測無紙記錄儀的能耗讀數(shù)；連續(xù)通電32 h后，停止試驗，斷開電源。試驗結(jié)束后測試陰陽極豎直方向上的土體的含水率。以上試驗步驟均參照 《土工試驗規(guī)程》[23](SL237-1999)進(jìn)行嚴(yán)格進(jìn)行測試的。

表1　電滲試驗基本參數(shù)情況

2　試驗數(shù)據(jù)分析和討論

2.1電流

圖2為電流表的讀數(shù)隨時間的變化曲線。由圖2可以看出，試驗A、試驗B、試驗C、試驗D的電流均呈現(xiàn)從初始電流先短暫增大后緩慢衰減的變化規(guī)律，試驗A最大電流達(dá)到0.86A，試驗B最大電流達(dá)到0.94A，試驗C最大電流達(dá)到0.99A，試驗D最大電流達(dá)到0.84A。隨著電滲的進(jìn)行，土中的自由水和弱結(jié)合水不斷排出，土體的總電阻不斷增大，電流逐漸減小到最低值[24]。而在電流衰減的過程中試驗C的電流一直大于同一時刻其他三組試驗的電流值。當(dāng)通電時間到30 h時，電流值平均衰減到初始電流的15%～20%，此時電滲排水十分緩慢。因此可以得到：電流隨著土體總電阻的不斷增大而衰減變小。根據(jù)Shang等[25]1996年的試驗研究，電流是電滲排水固結(jié)的主要影響因素，電流的大小決定著電滲累計排水量的多少。因此，在30 h后電滲的排水效果不是很明顯，幾乎達(dá)到了停止?fàn)顟B(tài)。

圖2電流隨時間的變化曲線

2.2排水量和排水速率

圖3為四組試驗的排水量曲線，從圖3中可以看出，剛開始通電的6 h內(nèi)，試驗A與試驗D的排水量大致相同，試驗B與試驗C的排水量大致相同；6 h以后試驗C的排水量快速增長，增加的斜率大于其他三組試驗的增加斜率；24 h后四組試驗的增加斜率大致相同，此時四組試驗的單位排水量較低。對比四條曲線，在相同的時間下，試驗C的排水量始終大于其他三組試驗的排水量，試驗B、試驗C、試驗D的最終排水量分別是試驗A的最終排水量的1.21倍、1.34倍、1.03倍。由此可知，非金屬電極的排水量高于傳統(tǒng)的金屬電極的排水量，非金屬電極的排水效率大于傳統(tǒng)的金屬電極的排水效率，因此非金屬電極相對于傳統(tǒng)金屬電極更具有工程應(yīng)用的前景。

圖3電滲累積排水量隨時間變化曲線

圖4為四組試驗的排水速率曲線，從圖4中可以看出，在整個試驗的過程中，試驗C的排水速率大致始終高于其他三組試驗的排水速率。四組試驗的排水速率均呈現(xiàn)隨時間先增大而后逐漸降低直至穩(wěn)定的變化規(guī)律，主要與電流的變化有關(guān)。與圖2相對照，可以看出單位時間的排水速率隨著電流的減小而變慢，是因為土的導(dǎo)電主要靠的是離子的運動，電流大則土中的離子遷移速度比較快，帶動極性水分子的運動速度和數(shù)量也相應(yīng)增大，因此其排水速率增大。

圖4排水速率隨時間的變化曲線

結(jié)合圖3和圖4可以得出，電滲排水固結(jié)過程大致呈如下變化規(guī)律[26]：在0 h～6 h時間內(nèi)，四組試驗的累積排水量呈直線型增長，主要是由于四組試樣的初始參數(shù)大致基本相同，通過土體的初始電流也相同，所以四組試驗的排水速率大致相同；在6 h～20 h時間內(nèi)，四組試驗的累積排水量呈曲線形緩慢增長，它們變化趨勢大致相同，主要是由于金屬陽極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，與土體形成了界面電阻，隨著土體的水不斷排出，土體的含水率逐漸下降，二者最終導(dǎo)致土體中電流不斷地衰減變小，從而導(dǎo)致排水速率越來越慢；在20 h～32 h時間內(nèi)，隨著土體中大量的水分的排出、電極與土體間的界面電阻的不斷增大和電極與土體間產(chǎn)生的裂縫等原因使四組試驗的排水速率均比較低，在30 h后四組試驗的排水速率大致相同，分別衰減到各自排水速率峰值的6%～12%，此時的電滲排水基本結(jié)束。所以，相對于傳統(tǒng)金屬電極來講，采用非金屬作為電極可以排出更多的自由水和弱結(jié)合水，使提高土體的承載力更加均勻，效果更好。

2.3能量消耗和電滲效率

四組試驗采用的同一穩(wěn)壓直流電源，試驗采用的輸出電壓為36 V，根據(jù)四組電流的數(shù)據(jù)，電滲排水的能耗表達(dá)式[27]：

(1)

式中：Ut為四組試驗的所需電壓；It為t1～t2的時間段內(nèi)的經(jīng)過土體的平均電流；Ct1為t1時刻所對應(yīng)的能耗值；Ct2為t2時刻所對應(yīng)的能耗值。四組試驗的能耗曲線如圖5所示。從電能消耗的角度分析，四組試驗的能耗均是逐漸遞增的，但是能耗增加的幅度是逐漸降低的，是由于試驗開始階段土樣的含水率較高，土樣的導(dǎo)電性較好，電流較大。隨著試驗的進(jìn)行，土體的含水率不斷地降低，電流不斷地衰減，電能的消耗增幅也隨之減小。從圖5中可以看出，試驗C的電能消耗最高，試驗B的電能消耗始終高于試驗A的電能消耗，直到試驗結(jié)束階段，兩者的電能消耗大致相同，而試驗D的電能消耗最小。

圖5能耗隨時間的變化曲線

為了研究電滲排水效率，引入了平均能耗系數(shù)[28]，它代表排出單位體積水所需要消耗的電能：

(2)

式中：Ut為四組試驗的所需電壓；It1t2為在t1～t2的時間段內(nèi)土體的平均電流；Vt1是t1時刻的累積排水量；Vt2是t2時刻的累積排水量。t1、t2均為通電時間。四組試驗電滲過程的能耗變化曲線如圖6所示，由圖6可看出：在電滲開始的12 h之內(nèi)四組試驗的能耗系數(shù)很小，說明電滲排水效率比較高，是因為在電滲的開始階段土體的含水率較高，土中的水分子通過克服阻力，消耗電能，很快形成排水通道，排水通道形成后排水速率加快，電能利用率高；在12 h以后，四組試驗的能耗系數(shù)不斷上升，隨著土中水的不斷排出，土體總電阻增大，此時排水需要更多的電能消耗，進(jìn)而使其能耗系數(shù)不斷增加。當(dāng)試驗進(jìn)行到24 h時，四組試驗的能耗系數(shù)均出現(xiàn)迅速增長，此時電滲的效率非常低，可以停止試驗，以便節(jié)約電能。

圖6能耗系數(shù)隨時間的變化曲線

2.4電滲后的土體和電極

試驗結(jié)束后，分別測試了四組試驗的陽極附近1 cm處上部、中部、下部的12個點的土樣平均含水率，如表2所示。

表2　試驗后土體的含水率

試驗A、試驗B、試驗C初始含水率是53.2%，試驗D的初始含水率是50.3%，電滲結(jié)束后，經(jīng)電滲排水后四組土樣均有平均8 mm左右的整體沉降，試驗A、試驗B、試驗C、試驗D的陽極附近的土體含水率分別減少了46.2%、62.4%、65.6%、43.3%，而陰極附近處的土體含水率降低略小于陽極的降低幅度；試驗B、試驗C經(jīng)電滲試驗后含水率降低幅度大于試驗A傳統(tǒng)電極電滲處理后含水率降低幅度。在電滲試驗過程中，四組試驗的陽極表面均有腐蝕，試驗C的腐蝕最嚴(yán)重，試驗B、試驗D的陽極腐蝕次之，試驗A陽極腐蝕最小，而且四組試驗的陽極附近表面出現(xiàn)一個紅褐色的不規(guī)則圓形區(qū)域，直徑大約為8 cm左右，該區(qū)域強(qiáng)度較高；陰極的部分碳纖維出現(xiàn)斷裂，呈碎末狀，且陰極土體出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，具有一定的溫度，可能是電流過大的造成的，陰極表面有白色物質(zhì)出現(xiàn)，該區(qū)域直徑大約為5 cm，附近土體表面有少些裂縫出現(xiàn)，裂縫最大寬度可達(dá)到4 mm～7 mm。量筒也有少量的白色鈣質(zhì)沉淀附著在其內(nèi)壁上，可能是碳酸鈣沉淀。

3　結(jié)　論

本文從電極材料的角度入手，通過四組軟黏土電滲室內(nèi)試驗研究，從電流衰減變化規(guī)律、電滲累積排水量、排水速率、電滲能量消耗、電滲效率及土體含水率和電極腐蝕等多方面進(jìn)行對比，得到結(jié)論如下：

(1) 非金屬電極在電滲排水中應(yīng)用效果良好，土體含水率下降較大，并產(chǎn)生比較顯著的沉降。

(2) 在同一通電條件下，電滲過程中的電流大致呈先增長后減小的變化規(guī)律。

(3) 非金屬電極的電流衰減的較慢，可以持續(xù)保持足夠大的電流，能夠保證電滲的進(jìn)行。

(4) 對比四組試驗，非金屬電極的排水速率高于傳統(tǒng)金屬電極，其電滲排水量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)金屬電極的排水量。非金屬電極可以提高電滲效率，其具有非常好的工程應(yīng)用前景。

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The Application of Non-metallic Electrodes in Electroosmotic Drainage

WANG Ningwei, SUN Shougang, LIANG Jiahao, CHAI Gaojiong, LIU Tie

(SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,Liaoning110168,China)

The purpose of this experiment was to explore the application effect of the non-metallic electrodes in electro-osmotic drainage. The experiment performed four groups of indoor electro-osmosis tests and the electrode used is made of self-made non-metallic electrodes and metallic iron electrodes. Through the variation of electrical current, drainage rate, electro-osmosis displacement, energy consumption, energy consumption coefficient, as well as the variation of the water content before and after the electro-osmosis consolidation test, the conclusions are Non-metallic electrodes has good effect in the application of electroosmotic drainage, the decrement of water content is more obvious and generate more significant settlements; the electrical current of Non-metallic electrode decay is slow, it can ensure sustained electroosmotic drainage process, the ultimate drainage is more. Non-metallic electrodes can improve the electro-osmotic efficiency. Through the experiment, it can explore the effectiveness of electro-osmosis and pointed out the advantages of the non-metallic electrodes as well as provide guidelines for engineering applications of the electro-osmosis technique.Keywords: non-metallic electrode; electroosmotic drainage; electric current decay; effective energy

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.012

2016-03-17

2016-04-11

TU472

A

1672—1144(2016)04—0059—05