間歇通電作用下電滲法加固灘涂淤泥試驗(yàn)研究

金錦強(qiáng)，陳 晨，章迪康，林海志，海 鈞

(1.溫州市甌飛開發(fā)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000；2.江西理工大學(xué) 建筑與測繪學(xué)院，江西 贛州 341000； 3.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325035;4.洞頭縣狀元南片圍凃建設(shè)開發(fā)股份有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325035; 5.溫州大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

0 引 言

隨著沿海經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，沿海城市土地資源緊缺的局勢使得人們大力開展圍海造陸和灘涂開發(fā)工程.沿海軟弱地基處理成為新的挑戰(zhàn)，灘涂淤泥是灘涂開發(fā)的主要對象，其含水率高、壓縮性強(qiáng)、強(qiáng)度低、滲透系數(shù)低等特點(diǎn),無法滿足直接施工條件，需經(jīng)過一些適當(dāng)?shù)奶幚?，方可進(jìn)行后續(xù)的工程建設(shè)要求.傳統(tǒng)的地基處理方法無法在此類軟弱地基上進(jìn)行有序地開展，如傳統(tǒng)的真空預(yù)壓法的排水固結(jié)時(shí)間較長，處理深度較淺，排水板淤堵問題[1]；堆載法處理地基需要在具有一定的承載力土體上開展，這些方法很難達(dá)到預(yù)期效果.因此，尋找一種可行、高效的地基處理方法勢在必行.

電滲法是在軟黏土的兩端通直流電，土中的自由水和弱結(jié)合水隨水化陽離子一起向陰極移動(dòng)，從而達(dá)到排水固結(jié)的一種地基處理方法.1939年德國Cassagrande在鐵路路基開挖工程中首次運(yùn)用電滲排水地基處理方法之后，也逐漸應(yīng)用于其他實(shí)際工程，如地基加固[2-3]、提高樁承載能力[4-6]、環(huán)境巖土工程[7]、堤壩穩(wěn)定[8-9]、電動(dòng)注漿[10]、提高靈敏黏土對周期荷載的抗力[11]等.由于電滲具有能耗大、腐蝕嚴(yán)重等特點(diǎn)，對電滲的研究和應(yīng)用在20世紀(jì)60年代到70年代末陷入了低谷.20世紀(jì)70年代末以來，國內(nèi)學(xué)者對電滲的研究重新關(guān)注起來.目前多以室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M為研究對象，研究各種條件下的電滲排水效果，以達(dá)到提高固結(jié)效果、降低能耗的目的.湯會(huì)增[12],王協(xié)群[13]等研究了電極反轉(zhuǎn)對電滲排水的影響；Burnotte[14]通過在陽極灌入化學(xué)物來提高陽極界面；lending[15]、Fourier[16]、王協(xié)群[17]、和胡俞晨[18]用新型的電動(dòng)土工合成材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料，但是存在電極電阻率高，能耗大的問題；而間歇通電被認(rèn)為是改善電滲效果容易實(shí)現(xiàn)的手段之一，龔曉南[19]等對間歇通電進(jìn)行了室內(nèi)研究，指出間歇通電可以提高土體的沉降和抗剪強(qiáng)度，有效降低界面電阻.Micic[20]等指出間歇通電可以減少電滲過程中的電極腐蝕和電能消耗.

本文通過幾組不同通斷比的電滲實(shí)驗(yàn)，對比排水量、含水率、抗剪強(qiáng)度以及電極腐蝕幾個(gè)方面來得出最優(yōu)通斷比，為電滲法在工程中的應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自溫州甌飛工程墾區(qū)軟基處理工程現(xiàn)場.原狀土的各項(xiàng)基本物理指標(biāo)(見表1).

表1 原狀土的基本物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用自制的一維電滲固結(jié)試驗(yàn)裝置(見圖1).裝置由580 mm×200 mm×200 mm的有機(jī)玻璃制成，包括試驗(yàn)槽和集水槽兩部分.試驗(yàn)槽和集水槽由

下端開口的有機(jī)玻璃板隔開，兩側(cè)集水槽中央分別開有直徑為100 mm的出水口.試驗(yàn)采用穩(wěn)壓直流電源(SPD-3606)，陽極為200 mm×250 mm×5 mm鐵質(zhì)電極板，陰極為200 mm×250 mm鐵絲網(wǎng).

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用穩(wěn)壓輸出，電壓保持在20 V，進(jìn)行4組不同通斷比的電滲試驗(yàn)，保證各組試驗(yàn)通電時(shí)間均為24 h(見表2).分析不同通斷比對試驗(yàn)效果的影響以確定最佳的通斷比(通電時(shí)間/間歇時(shí)間).

表2 試驗(yàn)方案

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前在模型箱內(nèi)壁涂上一層凡士林，并在相應(yīng)位置插入濕潤的陽極、陰極，將原狀土分層裝樣，裝樣過程中小心擠壓、震蕩以使土樣處于均勻密實(shí)狀態(tài).按照試驗(yàn)裝置圖連接儀器并開始試驗(yàn)，試驗(yàn)前期每隔1 h記錄一次土體的電流強(qiáng)度、電滲出水量，并觀察記錄土樣產(chǎn)生的變化，試驗(yàn)穩(wěn)定后每3 h記錄一次數(shù)據(jù)，待所有試樣排水速率均小于5 ml/h時(shí)停止通電.試驗(yàn)結(jié)束后，測量土體抗剪強(qiáng)度、含水率、pH值，測點(diǎn)位置(見圖2).

圖2 取樣位置點(diǎn)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 電流及排水量隨時(shí)間的變化

電滲前期每0.5 h讀取一次數(shù)據(jù)，待電流穩(wěn)定以后1h測量一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)后期電流下降趨勢穩(wěn)定后間隔2 h讀取一次數(shù)據(jù).得到的電流隨時(shí)間變化的曲線(見圖3).從中圖中可以看出，電流隨著試驗(yàn)的進(jìn)行呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢.這是由于電滲前期土體成分分布不均勻?qū)е碌碾娏髟鲩L，在電滲后期，隨著硬殼層、裂縫的形成和陰極水的不斷排出，土體電阻和界面電阻不斷增大，導(dǎo)致電流逐漸降低.在進(jìn)行間歇操作以后，電流趨勢呈波浪形.這是由于在斷電期間，電荷會(huì)重新分布，在土體內(nèi)部形成一個(gè)回路，通電的瞬間，回路再次打斷，電荷再次重新分布，電流才會(huì)產(chǎn)生這樣的瞬間上升變化，從而導(dǎo)致電流呈現(xiàn)波浪形.電滲后期，電流下降趨于穩(wěn)定，但從圖中不難看出，隨著間歇周期的增長，相同通電時(shí)長后趨于穩(wěn)定的電流相對越高.

排水量是衡量電滲效果的直觀指標(biāo)，圖4即為T1～T4試驗(yàn)排水量隨時(shí)間的變化.由圖像可知在電滲初期，四組試驗(yàn)并無明顯差異，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，T1與T2～T4排水量出現(xiàn)明顯差異，并隨時(shí)間的流逝差異越來越大.T1、T2、T3和T4最終排水量分別為：474.16 g、636.06 g、654.23 g和685.23 g，間歇效果最好的T4組排水量相比持續(xù)通電的T1組多排水211.07 g所以間歇通電效果明顯優(yōu)于持續(xù)通電.間歇通電的三組試驗(yàn)，隨著通斷比的不斷增大排水量也明顯增加，效果最好的T4組排水量比T2組多了49.17 g，但T2和T3排水量僅相差18.17 g.由此可見，間歇延長了電滲試驗(yàn)的排水時(shí)間，使得間歇通電排水效果遠(yuǎn)優(yōu)于連續(xù)通電；由于斷電過程中排水基本停止，在毛細(xì)現(xiàn)象和反向水力梯度作用下匯集在陰極的部分水位回流，所以間歇時(shí)間不宜過長，斷電時(shí)越短排水效果越好.

圖3 電流隨時(shí)間的變化

圖4 排水量隨時(shí)間的變化

2.2 含水率的變化

試驗(yàn)結(jié)束后按圖2測點(diǎn)位置取土、稱重、烘干、再稱重得出土體含水率變化曲線(見圖5).由圖可知，陰極含水率明顯高于陽極含水率.這是由于在試驗(yàn)過程中，水由陽極向陰極移動(dòng)，隨著試驗(yàn)后期電滲效率的降低及裂縫的生成，陰極水無法排出所導(dǎo)致.同時(shí)，由于間歇延長了電滲試驗(yàn)的排水時(shí)間，使得間歇通電的排水效果遠(yuǎn)優(yōu)于連續(xù)通電，所以間歇通電的T2～T4組試驗(yàn)后土體含水率小于持續(xù)通電的T1組，并且，根據(jù)間歇時(shí)間的長短，T2～T4組試驗(yàn)后土體含水率存在一定差異，這也與排水量的差異相互呼應(yīng).

圖5 含水率變化情況

2.3 抗剪強(qiáng)度的變化

試驗(yàn)結(jié)束后用微型十字剪切儀按圖2所示測點(diǎn)位置測量土體的抗剪強(qiáng)度.土樣表層抗剪強(qiáng)度(見圖6)，T1～T4組抗剪強(qiáng)度均從陽極到陰極遞減，且不同通斷比的表層抗剪強(qiáng)度存在明顯差異，T4組陽極、中部抗剪強(qiáng)度明顯高于其他3組，但陰極抗剪強(qiáng)度無太大差別均在10 kpa以下.間歇效果最好的T4組陽極抗剪強(qiáng)度相比持續(xù)通電的T1組高出13 kpa,中部亦比T1組高出7 kPa、5 kPa，說明T4組的方案可以明顯提高土體陽極的抗剪強(qiáng)度，但是對土體中部，陰極土體的抗剪強(qiáng)度提升效果并不明顯.

圖6 抗剪強(qiáng)度的變化曲線

2.4 PH值的變化

試驗(yàn)結(jié)束后，陽極存在較為嚴(yán)重的腐蝕，陰極附近有白色沉淀物(主要為Ca2+和Mg2+的沉淀物)所以在電滲過程中伴有化學(xué)電解反應(yīng).陰極生成OH-使得土體PH升高；陽極產(chǎn)生H+從而使土體呈酸性.

陰極：

2H2O+2e-→H2↑+4OH-

陽極：

2H2O-4e-→O2↑+4H+

M+H2O→MO+2H++2e-

按圖2位置取出土樣，烘干測其含水率后搗碎，以1 ∶5的土-水質(zhì)量配成懸濁液，靜置30 min后測其PH.圖7為試驗(yàn)結(jié)束后土體的PH變化情況.由圖可以得出：陽極附近PH下降，陰極附近PH上升.相比持續(xù)通電而言，間歇通電土體PH變化相對較小，從而可知間歇通電減緩了土體的電解反應(yīng)、電極腐蝕.

2.5 電極腐蝕對比

試驗(yàn)結(jié)束后取出電極，陽極嚴(yán)重腐蝕，從而導(dǎo)致界面電阻增大，這也是電滲試驗(yàn)后期效果不佳的主要原因之一.將陽極沖洗晾干后稱重，進(jìn)而得到表2中各組電極腐蝕情況.從表中不難看出，合理的間歇通電可有效減緩電極腐蝕.

圖7 試驗(yàn)后土樣PH值

T1T2T3T4試驗(yàn)前/g974.44912.81913.47965.88試驗(yàn)后/g885.93828.47835.41897.83腐蝕量/g88.5184.3478.0668.05

3 結(jié) 論

本文以溫州軟黏土為研究對象，針對間歇通電對電滲效果的影響進(jìn)行了4組室內(nèi)一維電滲試驗(yàn)，從排水量、抗剪強(qiáng)度、電極腐蝕等方面比較了不同通斷比對電滲效果的影響，綜合以上數(shù)據(jù)的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)間歇通電效果明顯優(yōu)于持續(xù)通電，有利于工程施工的改善.

(2)選取合理的通斷比，間歇通電可有效地減緩電極腐蝕，提高電滲效率，使排水量和土體的抗剪強(qiáng)度得到明顯改善.建議間歇時(shí)間不宜過長，間歇時(shí)間越短電滲效果越好.

(3)實(shí)際工程中，建議通電2 h，間歇15 min，這樣既可以提高排水效果又可以緩解電極腐蝕，提高土體抗剪強(qiáng)度.

信息啟示

法國居里大學(xué)Bruce Denby教授受聘為我校客座教授

4月11日下午,Bruce Denby教授受聘為我?？妥淌诘钠溉蝺x式在教學(xué)科研樓412會(huì)議室舉行.我校黨委委員、副校長徐金壽、信藝學(xué)院負(fù)責(zé)人及師生代表等20余人出席了受聘儀式.徐金壽副校長代表學(xué)校為Bruce Denby教授頒發(fā)了客座教授聘書.

授聘儀式后，學(xué)校人事處副處長朱美紅、信藝學(xué)院院長包志炎與Bruce Denby教授研究團(tuán)隊(duì)舉行了合作洽談，并就開展大數(shù)據(jù)技術(shù)及其在水利領(lǐng)域應(yīng)用方面研究項(xiàng)目合作、教師互派、國際交換生等事項(xiàng)達(dá)成初步合作意向；Bruce Denby教授作了題為“無聲語音識別：原理、挑戰(zhàn)和發(fā)展”的學(xué)術(shù)報(bào)告；一起隨行的Bruce Denby教授的研究團(tuán)隊(duì)成員Pierre教授、Fran?oise教授也分別圍繞大數(shù)據(jù)分析和洪水預(yù)報(bào)預(yù)警等研究領(lǐng)域向大家分享了最新的研究成果.

據(jù)悉，Bruce Denby教授來自法國皮埃爾和瑪麗居里大學(xué)，是天津市“千人計(jì)劃”外國專家.研究方向主要為無聲語音通信(Silent Speech Interface)，機(jī)器學(xué)習(xí)，信號處理等，在國際知名期刊、會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)著作200余篇.作為無聲語音通信的提出者，Denby教授在該領(lǐng)域享受極高聲望.

摘自浙江水利水電學(xué)院網(wǎng)