電滲固結(jié)中接觸電阻影響因素的試驗(yàn)研究

謝新宇，李卓明，鄭凌逶，李金柱，劉亦民

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電滲固結(jié)中接觸電阻影響因素的試驗(yàn)研究

謝新宇1, 2，李卓明1, 2，鄭凌逶1, 2，李金柱2，劉亦民1, 2

(1. 浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州，310058； 2. 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，浙江 寧波，315100)

為研究電滲固結(jié)過程中接觸電阻的影響因素，使用鋁電極在等電勢情況下對灘涂淤泥開展電滲模型試驗(yàn)。分別采用不同預(yù)腐蝕處理的陽極和不同導(dǎo)電面積比的陽極進(jìn)行電滲試驗(yàn)，并測量排水速率、電流、電勢和試驗(yàn)前后的含水率。研究結(jié)果表明：腐蝕對電極–土的接觸電阻影響不大，不同的腐蝕程度在電滲前期乃至整個電滲過程的排水效果未出現(xiàn)明顯差異；增加導(dǎo)電面積比即陽極導(dǎo)電面積與被處理土體橫截面積的比值可以減小接觸電阻、提高電流，并且陽極導(dǎo)電面積比的最優(yōu)值為0.47。建議工程應(yīng)用中適當(dāng)增加陽極導(dǎo)電面積比以提高電滲效率，可通過接觸電阻試驗(yàn)確定最優(yōu)值。

電滲固結(jié)；接觸電阻；電極腐蝕；導(dǎo)電面積比；影響因素

沿海城市的發(fā)展促使灘涂場地開發(fā)成為巖土工程的熱點(diǎn)之一。灘涂淤泥黏粒含量高、滲透性差、含水率高，傳統(tǒng)排水固結(jié)技術(shù)(如真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓等)對灘涂地基的處理效果不佳。電滲技術(shù)[1]憑借電滲透系數(shù)與土體粒徑無關(guān)的優(yōu)勢逐漸得到越來越多的關(guān)注。電滲是向插入土體中的陰極和陽極通以直流電形成電場，使土體中水分隨陽離子在電場作用下流向陰極并排出，對地基土起到排水加固作用。CASAGRANDE[1]將電滲現(xiàn)象引入土木工程領(lǐng)域，之后不同學(xué)者對電滲技術(shù)在地基處理應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛研究。在理論研究方面，ESRIG[2]假設(shè)電勢差和水頭差形成的水流可以疊加，提出了一維電滲固結(jié)理論；蘇金強(qiáng)等[3]在此基礎(chǔ)上研究了電滲二維固結(jié)理論，給出了不同邊界條件與初始條件下的特解；吳輝等[4]通過室內(nèi)電滲試驗(yàn)分析電導(dǎo)率的變化規(guī)律提出了考慮土體電導(dǎo)率變化的電滲固結(jié)理論模型；王柳江等[5]建立熱?水?力多場耦合數(shù)學(xué)模型分析了電極處產(chǎn)熱對電滲效果的影響。在試驗(yàn)研究方面，李一雯等[6]指出裂縫大量開展前，電流降低率較??；符洪濤等[7]通過開展低能量強(qiáng)夯與電滲法聯(lián)合加固軟黏土地基試驗(yàn)，研究兩者相互作用對電滲效率的提升；龔曉南等[8]研究了間歇通電模式對降低界面電勢損失、提高電能利用率的影響；CASAGRANDE[9]指出電極與土體接觸面上的接觸電阻導(dǎo)致的電勢損失可達(dá)到總電勢的40%，是影響電滲效率的重要因素。此后，ZHUANG等[10]基于界面電壓降假定，給出了界面電阻的簡易表達(dá)式；OU等[11]通過向陽極與土體接觸位置添加鹽溶液研究減小接觸電阻的方法。但是目前關(guān)于電滲過程中接觸電阻影響因素的研究還比較少。

HOLM[12]解釋了接觸電阻的物理本質(zhì)，提出Holm接觸電阻模型。Holm接觸電阻模型表明：接觸電阻由界面電阻與收縮電阻組成。界面電阻由兩接觸材料的表面情況決定，電滲中受電極表面腐蝕等因素影響。收縮電阻與接觸材料電阻率和導(dǎo)電面積相關(guān)。

本文作者從Holm接觸電阻模型出發(fā)，在等電勢情況下，采用不同腐蝕程度陽極開展界面電阻試驗(yàn)，采用不同導(dǎo)電面積陽極開展收縮電阻試驗(yàn)；研究電滲固結(jié)過程中接觸電阻的影響因素，為提高電滲效率提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，試驗(yàn)槽由左側(cè)的土樣室和右側(cè)的排水室組成。土樣室放置土樣和電極，電滲過程中流向陰極的水分通過排水室進(jìn)入排水室下方燒杯。土樣室長×寬×高為188 mm×120 mm×130 mm。界面電阻試驗(yàn)的陽極板為鋁板，長×寬×厚為130 mm×120 mm×4 mm。收縮電阻試驗(yàn)的陽極板由不同數(shù)量并按一定規(guī)則排列的長×寬×厚為130 mm×14 mm×4 mm鋁板并聯(lián)組成；陰極板長×寬×厚為130 mm×120 mm×4 mm的鋁板。陰極板上均勻布置56個直徑為4 mm的圓孔，以利于電滲匯集到陰極的水分順利排出。陰極與土樣接觸面包裹紗網(wǎng)作為反濾層，并在試驗(yàn)前用水潤濕，減小試驗(yàn)中排水量的測量誤差。為了測量試驗(yàn)中的有效電勢以計(jì)算接觸電阻，在距離陰極和陽極20 mm處分別插入2根長70 mm、直徑1.5 mm的不銹鋼測針W1和W2用于測量電勢。

圖1 電滲試驗(yàn)裝置圖(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自浙江寧海灘涂淤泥，土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1。原狀土烘干后按照95%的目標(biāo)含水率配制成重塑土。

表1 原狀土的基本物理指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

界面電阻由電極表面決定，在電滲試驗(yàn)中主要反映在陽極的腐蝕程度等方面，本文研究電極腐蝕對界面電阻的影響。在進(jìn)行界面電阻試驗(yàn)前對陽極進(jìn)行預(yù)腐蝕以形成不同腐蝕程度的陽極表面。結(jié)合以往學(xué)者的文獻(xiàn)和前期試驗(yàn)規(guī)律，為保證腐蝕均勻度和對應(yīng)電滲周期不同階段的腐蝕情況，在容器盛放的海水中進(jìn)行預(yù)腐蝕處理。采用1 A恒流電源，對4塊陽極分別進(jìn)行0，12，24和36 h的預(yù)腐蝕，試驗(yàn)編號分別為A1，A2，A3，A4。然后將其作為陽極在等電勢情況下進(jìn)行電滲試驗(yàn)以研究電滲固結(jié)過程中腐蝕對接觸電阻的影響，電源電壓t均采用18 V，試驗(yàn)分組情況見表2。

收縮電阻與導(dǎo)電面積相關(guān)，在電滲試驗(yàn)中與電極–土接觸位置導(dǎo)電面積相關(guān)?？紤]導(dǎo)電面積絕對值在模型試驗(yàn)采用不同縮放比時不可比較的局限性，本文采用電極–土接觸位置導(dǎo)電面積與被處理土體橫截面積的比值(即導(dǎo)電面積比)替代導(dǎo)電面積進(jìn)行研究。收縮電阻試驗(yàn)不同導(dǎo)電面積比是通過并聯(lián)不同數(shù)目的同尺寸陽極板實(shí)現(xiàn)的，并聯(lián)數(shù)目分別為1，2，4，6，試驗(yàn)編號為B1，B2，B3，B4。電源電壓t均采用9 V進(jìn)行電滲試驗(yàn)以研究導(dǎo)電面積比對接觸電阻的影響。試驗(yàn)分組條件見表2。

表2 試驗(yàn)條件匯總

填裝土樣前在試驗(yàn)槽內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，以減小試驗(yàn)過程中內(nèi)壁對土體沉降的阻滯作用；試驗(yàn)槽中布設(shè)相應(yīng)陽極板和包裹反濾層的陰極板；將土樣攪拌均勻后，在試驗(yàn)槽中分層密實(shí)填入土樣，保證土樣內(nèi)部自然密實(shí)、土樣與電極緊密接觸；試驗(yàn)槽中取土樣測量土樣含水率后，在試驗(yàn)槽上方密封一層塑料薄膜隔離土樣與外部流通空氣的接觸，以減小試驗(yàn)過程中土樣水分蒸發(fā)損失；安插、固定電勢測針和連通電源導(dǎo)線后靜置12 h，再通電進(jìn)行電滲試驗(yàn)。界面電阻試驗(yàn)(A組)和收縮電阻試驗(yàn)(B組)在試驗(yàn)過程中分別間隔1 h和2 h記錄一次電流、排水速率和測點(diǎn)處電勢；試驗(yàn)結(jié)束后分別在土樣室中部和距離陰極、陽極20 mm處3個位置取樣測含水率。

2 界面電阻試驗(yàn)結(jié)果

2.1 界面電阻試驗(yàn)電流

電流隨時間變化曲線如圖2所示。由圖2可見：在電滲的前期，4組不同腐蝕程度陽極的試驗(yàn)電流隨時間變化曲線幾乎重合。說明在土樣含水率和施加電勢相同時，電極腐蝕對接觸電阻的數(shù)值影響較小。在電滲中后期，各試驗(yàn)組電流–時間曲線產(chǎn)生微小的交叉，但表現(xiàn)出相同的變化趨勢，且都在試驗(yàn)進(jìn)行到 15 h后趨于穩(wěn)定。因此，電極腐蝕在A組試驗(yàn)過程中對電流影響較小，即電極腐蝕對界面電阻影響較小。

試驗(yàn)電流呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這與多數(shù)學(xué)者試驗(yàn)研究中電流單調(diào)下降趨勢不同。李瑛等[13]關(guān)于含鹽量對電滲效果影響的試驗(yàn)研究中也表明：土體含鹽量低時，電流呈下降趨勢；隨著含鹽量提高，電流逐漸呈現(xiàn)先升高再下降的趨勢。本文試驗(yàn)土樣為含鹽量較高的灘涂淤泥，電流的變化趨勢與試驗(yàn)土樣高含鹽量有關(guān)。

圖2 電流隨時間變化曲線

2.2 界面電阻試驗(yàn)排水速率

根據(jù)ESRIG[2]電滲排水固結(jié)理論，排水速率為

式中：e為電滲排水速率；e為土體的電滲透系數(shù)；t為施加在陰極和陽極之間的電勢差；為通過水流或電流的土體橫截面積。

式(1)中的電勢差用電流強(qiáng)度代替，則有

式中：1和分別為土體的電阻率和電路中的電流 強(qiáng)度。

式(2)表明電滲排水速率與電流正相關(guān)。

排水速率隨時間變化曲線如圖3所示。對比圖3與圖2可知：試驗(yàn)過程中排水速率與電流變化趨勢相同。排水速率也呈先升高后下降的趨勢，且前期排水速率相近，中期略有區(qū)別，在15 h后差別縮小。當(dāng)電極材料為純鋁時，電極腐蝕對電滲前期乃至整個電滲過程中的排水速率影響很小。

圖3 排水速率隨時間變化曲線

2.3 界面電阻試驗(yàn)最終含水率分布

最終含水率分布如圖4所示。4組試驗(yàn)土樣在處理前平均含水率為92.8%。在電滲處理后，含水率最高的陰極附近含水率低于75.0%，含水率較低的陽極附近與土樣中部含水率降低到45.0%左右，電滲處理排水效果顯著。4組不同腐蝕程度的陽極試驗(yàn)在電滲結(jié)束后含水率分布幾乎重合，進(jìn)一步說明電極腐蝕對界面電阻影響甚微，可以忽略。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處理后土樣中部含水率略低于陽極附近土體的含水率，這一現(xiàn)象與多數(shù)學(xué)者研究不符。原因可能是陽極腐蝕后鋁離子在陽極附近土體反應(yīng)生成具有吸水性能的氧化鋁或絮凝狀的氫氧化鋁等產(chǎn)物，吸收部分水分。在加熱測量土樣含水率時，水分受熱蒸發(fā)，導(dǎo)致含水率測試值偏高，在一定的電滲處理時間后測得陽極附近的含水率仍然會略高于土樣中部含水率。

圖4 最終含水率分布

2.4 界面電阻試驗(yàn)接觸電阻

陶燕麗等[14]研究發(fā)現(xiàn)電滲過程中陰極與土體接觸位置接觸電阻很小，因此假設(shè)接觸電阻即為陽極與土體接觸位置的接觸電阻，兩電勢測針電勢差即為土體兩端電勢差，則

式中：c為土體與電極接觸處電勢損失；s為測針測得的土體電勢差。

由歐姆定律得接觸電阻c為

由式(3)和式(4)結(jié)合土體電勢差和電流等試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得接觸電阻在試驗(yàn)過程中的變化趨勢，如圖5所示。由圖5可見：4組試驗(yàn)接觸電阻均隨時間逐漸增加，前期試驗(yàn)接觸電阻差別不大，到中期接觸電阻從高到低依次為A1，A3，A2，A4，后期接觸電阻從高到低依次為A3，A1，A2，A4。接觸電阻與電極腐蝕程度無關(guān)，因此電極腐蝕對接觸電阻沒有影響。

3 收縮電阻試驗(yàn)結(jié)果

3.1 收縮電阻試驗(yàn)電流

電流隨時間變化曲線如圖6所示。由圖6可見：4組試驗(yàn)的電流均隨時間先增大再減小。試驗(yàn)前期導(dǎo)電面積比高的試驗(yàn)電流高，中期三者逐漸靠近，后期電流反轉(zhuǎn)。說明導(dǎo)電面積比的增加能夠提高前期電流，即減少收縮電阻損失。中后期電流逐漸靠近甚至反轉(zhuǎn)，是因?yàn)閷?dǎo)電面積比較大的試驗(yàn)前期電滲效率高，排水速率更快，總電阻升高較多，導(dǎo)致電流下降較快；導(dǎo)電面積比小的試驗(yàn)則相反。所以中期電流逐漸靠近，到電滲后期導(dǎo)電面積大的試驗(yàn)電滲更早進(jìn)入末期，電流曲線發(fā)生交叉。

隨著陽極板數(shù)目的增加電流增幅越來越小，持續(xù)增加導(dǎo)電面積比雖然能提高電流，但是增加的陽極已經(jīng)不能充分發(fā)揮效用，電流提高幅度較小。由此可知，陽極導(dǎo)電面積比存在最優(yōu)值，低于最優(yōu)值的電滲效果不佳，高于最優(yōu)值的能耗過高。

圖6 電流隨時間變化曲線

3.2 收縮電阻試驗(yàn)排水速率

排水速率隨時間變化曲線如圖7所示。結(jié)合圖7與圖6可知：收縮電阻試驗(yàn)排水速率與電流的關(guān)系仍然符合式(4)描述的規(guī)律。排水速率隨時間先增大后減小，前期排水速率從高到低依次為B4，B3，B2，B1，中期三者逐漸靠近，后期排水速率從高到低依次為B1，B2，B3，B4。導(dǎo)電面積比高的試驗(yàn)前期電流大，排水速率高，耗時更短進(jìn)入電滲末期，排水速率降低。與此同時，B1土體還在繼續(xù)排水，排水曲線發(fā)生交叉。由圖7可見：B4土體的排水速率遠(yuǎn)比導(dǎo)電面積比最小的B1土體的高，電滲有效周期也更短；但B4土體提升效果比B3土體的提升效果差，所以適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電面積比能夠加快電滲排水，縮短電滲周期。

圖7 排水速率隨時間變化曲線

3.3 收縮電阻試驗(yàn)最終含水率分布

最終含水率分布如圖8所示。圖8表明：4組試驗(yàn)處理效果差別較大。土樣在試驗(yàn)后含水率均降低到80%以下，陽極導(dǎo)電面積比最高的B4各處含水率最低，陽極導(dǎo)電面積比最低的B1含水率最高，這與圖7試驗(yàn)排水速率的關(guān)系形成相互驗(yàn)證。B4土體電滲效果最好且與B3土體相差不大，導(dǎo)電面積比最小的B1土體電滲效果最差。提高陽極導(dǎo)電面積比在縮短處理周期的同時，還可以提高電滲處理效果。

圖8 最終含水率分布

3.4 收縮電阻試驗(yàn)土體電阻

土體電阻隨時間變化曲線如圖9所示。圖9表明：各試驗(yàn)組的土體電阻在前24 h基本不變，后期排水速率最低的B1土體電阻增長較小，排水速率高的試驗(yàn)組土體電阻急劇增大。這是因?yàn)殡S著土體中水分排出，導(dǎo)致排水較多的試驗(yàn)組后期土體裂縫較大，土體電阻增大。

圖9 土體電阻隨時間變化曲線

3.5 收縮電阻試驗(yàn)接觸電阻

接觸電阻隨時間變化曲線如圖10所示。對比圖9與圖10可知：在土體裂縫急劇發(fā)展之前接觸電阻約為土體電阻的2倍，在電滲后期土體電阻增大，逐漸接近接觸電阻。由圖10可知：在電滲進(jìn)入末期之前，接觸電阻從低到高依次為B4，B3，B2，B1，即接觸位置電勢損失從低到高低依為B4，B3，B2，B1，可推斷試驗(yàn)前期有效電勢從高到低依次為B4，B3，B2，B1。隨著土體中水分的排出，電滲后期電極與土體接觸處產(chǎn)生較大孔隙，B4土體和B3土體的接觸電阻急劇升高，超過導(dǎo)電面積比最小的B1土體，接觸電阻的大小關(guān)系發(fā)生變化，但此時B4土體和B3土體的電滲進(jìn)程已經(jīng)可以停止。因此增加導(dǎo)電面積比可以減小接觸電阻，提高有效電勢。

圖10 接觸電阻隨時間變化曲線

4 電流–接觸電阻分析

4.1 電流計(jì)算分析

由圖9可知土體電阻在前24 h基本不變，結(jié)合圖7可知這段時間是電滲排水主要階段，因此取前24 h的試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究電流與接觸電阻的關(guān)系。

由歐姆定律可知

式中：t為土體電阻。

由Holm接觸電阻模型和式(5)可得

式中：b為界面電阻；1和2分別為兩接觸材料的電阻率；為兩接觸材料接觸位置導(dǎo)電面積的等效半徑。

使用鋁電極時，電極腐蝕對界面電阻的影響很小，此處假定試驗(yàn)過程中界面電阻b為常數(shù)。土體電阻t在研究時間段內(nèi)基本不變也可假定為常數(shù)。由t為常數(shù)可知土體電導(dǎo)率1也為常數(shù)。

令

由試驗(yàn)設(shè)計(jì)部分使用陽極板數(shù)目等價替換導(dǎo)電面積比，因此式(7)等價為

式(7)表明電滲主要排水階段電流由導(dǎo)電面積比決定：當(dāng)=0時，電流為0；逐漸增大，電流也急劇增大；在超過某值時，電流隨增加的變化率很小，此時電流主要取決于。

4.2 電流參數(shù)確定

取圖6中4組試驗(yàn)4 h，8 h，12 h，16 h，20 h時的電流，以陽極板數(shù)目為橫坐標(biāo)，電流為縱坐標(biāo)繪圖并分別擬合可得圖11，其中各曲線擬合公式均符合式(9)的形式，擬合參數(shù)見表3。

圖11 電流與電極數(shù)目關(guān)系擬合曲線

表3 電流與電極數(shù)目擬合曲線參數(shù)

取4組試驗(yàn)前40 h電流數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，，隨時間變化關(guān)系如圖12所示。圖12表明：在前24 h電滲固結(jié)主體時間段，變化很小，因此可以采用式(7)對前24 h的電流進(jìn)行預(yù)測。24 h后，電滲固結(jié)進(jìn)入末期，土體裂縫發(fā)展、土體電阻t急劇增大，此時式(7)不再適用。針對本文工況取前24 h中，平均值可得=1.9，=0.4，即電流預(yù)測公式為

取4組試驗(yàn)前24 h電流的平均值分別與式(8)對比可得圖13。由圖13可知：試驗(yàn)電流平均值與公式預(yù)測值吻合，證明預(yù)測公式的可行性。與=4時相比，=6時電極材料增加50%，電流僅增加3%，因此在電滲設(shè)計(jì)時可選擇均勻布置4塊陽極以取得較為經(jīng)濟(jì)的處理效果。此時陽極導(dǎo)電面積比為0.47，在電滲排水主體階段可由式(8)求得試驗(yàn)平均電流。

圖13 電流與電極數(shù)目關(guān)系對比曲線

5 結(jié)論

1) 接觸電阻由界面電阻與收縮電阻2部分組成，鋁電極的腐蝕程度對界面電阻影響很小，可著重于研究收縮電阻的相關(guān)影響因素以減小接觸電阻。

2) 提高導(dǎo)電面積比可以減小接觸電阻、提高電流和排水速率，進(jìn)而提高電滲效率、縮短工期，在電滲固結(jié)過程中要盡量避免土體變形引起土體與電極接觸面積減小等問題。

3) 陽極導(dǎo)電面積比存在最優(yōu)值0.47，低于該值則電滲效率低，高于該值則造成浪費(fèi)，具體工程的最優(yōu)值可通過接觸電阻試驗(yàn)確定。

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(編輯 趙俊)

Experimental study on influencing factors of contact resistance on electroosmotic consolidation

XIE Xinyu1, 2, LI Zhuoming1, 2, ZHENG Lingwei1, 2, LI Jinzhu2, LIU Yimin1, 2

(1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. College of Civil Engineering and Architecture, Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China)

Aseries of electroosmosis tests were conducted with aluminum electrodes and beach silt to study the influencing factors for contact resistance during electroosmotic consolidation on the condition of same potential. Anodes with different degree of corrosions and different conductive areas were used in the tests. Rates of drainage, current, potential and water content before and after the tests were measured. The results show that the electrodes corrosion has little effect on contact resistance between electrodes and silt, and there is no obvious difference of drainage for anodes with different degree of corrosions early or during the whole process. Increasing the ratio of the conductive area of anodes and the cross–sectional area of the soil can reduce the contact resistance and improve the conductivity. An optimum ratio of conductive area exists, which is 0.47. It is recommended that the ratio of conductive area should be increased appropriately in engineering applications to improve the efficiency of electroosmosis and its optimum value can be obtained by contact resistance trial tests.

electroosmosis consolidation; contact resistance; electrode corrosion; ratio of conductive area; influencing factors

TU472.5

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.019

1672?7207(2018)03?0655?08

2017?03?16；

2017?06?14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378469) (Project(51378469) supported by the National Natural Science Foundation of China)

鄭凌逶，博士研究生，從事軟黏土力學(xué)與地基處理研究；E-mail: zhenglingwei@hotmail.com