陰極抽真空結合電滲法加固高嶺土試驗研究

楊建貴 徐小平 馬昌龍

摘 要：為了改善電滲法處理軟土地基出現(xiàn)陰陽極加固效果嚴重不均勻的現(xiàn)象，該文利用自制的試驗裝置，進行了3組不同邊界條件下的電滲加固高嶺土室內模型試驗。分別對比分析并探討了試驗過程中電流、排水量、能耗、沉降、電勢分布及試驗后不排水抗剪強度和含水率等參數(shù)指標，結果顯示陰極抽真空的電滲試驗相比其他兩組試驗，在更少的時間內排水更多，沉降更大；且試驗結束后土體的不排水抗剪強度更高，水平方向上的不排水抗剪強度較為均勻?？偨Y試驗結果，證實了陰極抽真空結合電滲法對于陰陽極加固不均勻的現(xiàn)象顯著改善。

關鍵詞：高嶺土 電滲 邊界條件 陰極抽真空 固結 抗剪強度

中圖分類號：TU472 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（a）-00-06

電滲法可以顯著提高軟土的不排水抗剪強度，然而加固后的土體呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。如何改善電滲后土體的不均勻性值得深入研究。為了改善土體電滲加固的不均勻性，該文在常規(guī)二維電滲固結試驗的基礎上，對試驗方案進行一定的改進，對比分析改進后的二維電滲固結試驗與常規(guī)二維固結試驗各參數(shù)在電滲過程中的變化規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗模型槽由左側的試樣盒和右側的集水箱組成。試樣盒的內徑尺寸為370mm×200mm×210mm，集水箱的內徑尺寸為100mm×200mm×210mm，在集水箱底部中央開有一直徑為2cm的小孔用于排水。在試樣盒與集水箱交界處對稱設置兩個插槽，插入有孔有機玻璃板可變?yōu)槌Ｒ?guī)二維電滲固結試驗，插入無孔有機玻璃板可進行陰極抽真空的電滲固結試驗。

陽極采用直徑為3mm的銅絲，陰極采用直徑為3mm的銅絲結合塑料排水板（陰極抽真空試驗時采用銅絲結合帶孔的塑料管）。采用兩對電極呈長方形布置形式。

1.2 試驗設計

為了更好地模擬現(xiàn)場工程情況，進行了3組對比試驗，采用長方形電極布置形式。考慮到電極會對其周圍土體的影響，電極應與槽壁有一定的距離，此外，一般同性電極間距b比異性電極間距L小得多，故采用L×b為320mm×120mm的電極間距進行模型試驗。

從最常規(guī)的二維電滲加固試驗出發(fā)，在試驗過程中，加固區(qū)土體表面會出現(xiàn)較大裂縫，土體裂縫會使土體的電阻率增大，這樣就會導致電能的利用率大大降低。為了更好地限制裂縫發(fā)展，在土體表面進行一定的堆載，采取堆載聯(lián)合電滲的方式進行第二組試驗。由于土體表面堆載主要是為了限制試驗過程中的裂縫發(fā)展，所以只是采用簡單的砝碼直接加荷，施加的荷載也比較小，僅為1.0kPa。

經(jīng)過前兩組試驗發(fā)現(xiàn)，盡管試驗中采用了一定的堆載，但是加固后的土體不均勻性較大，陽極附近土體加固效果遠遠好于陰極附近土體。為了改善加固后土體的不均勻性，在堆載聯(lián)合電滲加固的同時對陰極進行抽氣，施加30kPa的真空負壓。

1.3 試驗土樣

試驗用土采用的是南京江寧方山的高嶺土，原狀土是已經(jīng)磨碎制好的極細粉末，可以直接按照一定的含水率配置成飽和土樣。土的基本物理性質經(jīng)測定如下：Gs=2.48，wL=41.75%，wP=23.62%，初始含水率w=58%。

1.4 試驗步驟

整套試驗由3個小試驗組成，試驗條件匯總在表1中。

試驗具體實施步驟如下。

試驗1（常規(guī)二維電滲加固試驗）：將有孔有機玻璃板插入插槽制成試樣盒，并在玻璃板表面包裹一層濾布，在試驗盒中安裝電極，分層密實裝填土樣；連接線路和電表；靜置24h后，接通電源，開始電滲。

試驗2（堆載聯(lián)合電滲加固試驗）：在試驗1的基礎上在土體表面均勻施加1.0kPa的堆載。

試驗3（陰極抽真空的堆載聯(lián)合電滲加固試驗）：將試驗2中的有孔玻璃板換成無孔有機玻璃板插入插槽制成四周封閉的試樣盒。將帶有銅絲的塑料管作為陰極插入土體，并將陰極塑料管連接真空抽氣裝置。通電進行電滲，同時進行陰極真空抽氣，直至各個測試量無明顯變化時試驗結束。實驗連接示意圖如圖1所示。

1.5 試驗測量系統(tǒng)

試驗測量內容包括試驗過程中土體不同部位的沉降量、土體電勢、排水量、電流值以及試驗后土體不同位置處（如圖2所示）的不排水抗剪強度和含水量分布。

2 試驗結果

2.1 電流變化分析

通過電流表得到了3種不同邊界條件下，高嶺土試樣在電滲過程中電流隨時間的變化規(guī)律，如圖3所示。

在電滲初始時刻，由于試驗1與試驗2的土體初始含水量相近，且電極材料也是相同的，即土體電阻及界面電阻理論上也該接近，所以在電流上表現(xiàn)為兩組試驗初始電流相近；而在試驗3中，陰極處帶有銅絲的塑料管相比試驗1及試驗2的帶有銅絲的塑料排水板，電極與土體連接處的空隙更小，界面電阻也會更小，這導致初始電流比前兩組試驗大了30mA左右。

隨著電滲的進行，3種不同邊界條件下的試樣在試驗過程中電流都逐漸減小。在電滲的前40h內，試驗1與試驗2中的電流幾乎以相同的速率減小，而試驗3中的電流則迅速降低。造成這種現(xiàn)象的主要原因是試驗3在陰極真空負壓的作用下，排水速率較快，含水量快速降低，導致電流較快減??；而試驗1與試驗2排水方式主要為自流，含水量減小的速率較慢，導致電流減小的速率也不顯著。

2.2 電滲排水量變化分析

由于電勢試驗開始前，3組試驗土樣的體積不同，為了衡量不同邊界條件對電滲的影響，如果僅僅以電滲過程中排出水的體積總量則顯得不公平，若將評價指標設為電滲排水量與初始時試樣含水總量的比值則比較合理。圖4為通過3組電滲試驗過程中每個時間段的排水量與試樣開始時的含水總量的比值得到的考慮土樣體積的電滲排水曲線。

從圖4中可以看出，3組試驗排水量都出現(xiàn)了初期電滲排水速率較快而后期排水較慢的規(guī)律。在電滲聯(lián)合堆載試驗2中，由于施加的堆載壓力較小，在整個電滲過程中，排水速率與排水總量都與試驗1單純電滲相差較小，而在試驗3中，利用真空泵不斷地在陰極進行真空負壓抽氣，加快了出水速率，同時也起到了真空預壓的效果，因此在排水速率與排水總量上都比試驗1和試驗2大得多。其中，試驗3在30h、60h和最終的排水量分別是試驗1的1.6倍、1.5倍和1.4倍（見表2）。

排水量是電滲中的一個比較重要的參數(shù)，排水量的多少從一定程度上可以反映出電滲的加固效果，因此，對陰極進行真空抽氣可以更快、更多地排出水電滲試樣中的水，大大提高了電滲的效率。

2.3 能耗分析

在試驗過程中，為了研究土體電滲排水所消耗的電量，利用以上公式（2）得出電滲耗電量隨時間的變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5中可以看出，3組不同邊界條件下的電滲試驗用于土體電滲的耗電量基本呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即在電滲前期，土體耗電量隨時間呈線性增長，隨著電滲的繼續(xù)進行，土體耗電量增加的速率逐漸減小。綜合比較3組試驗的電滲耗電量，試驗3的耗電量增加速率及總耗電量均大于試驗1及試驗2，這主要是因為試驗3中在陰極結合真空抽氣提高了電滲的效率，使通過土體的電流較大，從而在相同電壓下耗電量最大；試驗3的總耗電量為0.17kWh，分別為試驗1的1.21倍、試驗2的1.04倍。

然而，考慮到3組不同邊界條件下試樣土體體積有所不同且在電滲過程中的排水量也有大有小，為了排除此類影響，更加確切地研究在不同邊界條件下的電滲耗電量，根據(jù)公式（1）得出電滲的能耗系數(shù)，如圖5所示。

從圖6可以清楚地看到，試驗3的能耗系數(shù)最低且在電滲過程中較穩(wěn)定，即單位體積的土體排出單位體積的水需要消耗更少的能量。可見結合了真空抽氣后土體的電滲效率明顯得到了提高。相比于試驗1和試驗2中在土體表面施加了堆載壓力，導致在前25h試驗2的能耗系數(shù)小于試驗1，而25h后的能耗系數(shù)逐漸大于試驗1，且隨著時間的增長，兩者的能耗系數(shù)差值越來越大。由此可以得出，試驗2中施加的堆載壓力僅僅在電滲前期的降低能耗上有一定的優(yōu)勢，而該試驗堆載的主要目的是為了抑制橫向裂縫的發(fā)展，施加的荷載比較小，在實際工程中，堆載壓力設計值的大小也是值得關注的問題，這同樣有助于在電滲過程中減少電能消耗，提高利用率。

為了更直觀地了解土體電滲耗能的大小，利用處理每立方土體所需要消耗的能量來比較3組不同邊界條件下試驗的耗電量，并且在試驗3中真空預壓的耗電量按照實際工程情況約為3kWh/m3。由于3組不同邊界條件下的試驗最后通電時間不同，因此3組試驗均按照120h處理時間比較土體電滲耗電量，如表3所示。

從表3可以直觀地看到各試驗的耗電量。試驗2消耗的電能最大，試驗3次之，試驗1耗電最少。聯(lián)系電滲過程中排出的水量來看，試驗3的排水總量是試驗1排水總量的1.4倍，而耗電量僅僅增加了11.8%，這也從側面證實了陰極真空抽氣的有效性及經(jīng)濟性。

2.4 土體沉降變化分析

在電滲作用下，土體中的水會隨著電滲的進行而不斷被排出，根據(jù)太沙基有效應力原理，在總應力不變的條件下，土體中的孔隙水應力減小，則有效應力增大，土體孔隙比將減小，從而土體發(fā)生固結產(chǎn)生沉降。利用百分表測量了3組不同邊界條件下土體表面不同位置的沉降變化，如圖7所示。

土體的表面沉降在3組電滲試驗中都出現(xiàn)了隨時間的增加而不斷增大的現(xiàn)象。從圖7中可以看到，3組試驗最大沉降都出現(xiàn)在土體表面的中間位置，這主要是因為陰陽極側的土體在沉降過程中受到了模型槽壁的阻力影響。其中最大的是試驗3，達到了34.62mm，最小的為試驗1，達到了22.20mm；另外，以出現(xiàn)沉降量最大的土體中間位置來看，在試驗3中從第28h開始沉降速率減緩，且沉降量已完成總沉降的67%；而試驗1和試驗2中從第48h才開始沉降速率減緩，且沉降量分別達到總沉降的67%及69%。由此可見，3組試驗中，若要達到相同的沉降量，試驗3耗時最少，試驗2次之，試驗1耗時略多于試驗2。這主要還是取決于試驗的邊界條件，試驗3結合了真空抽氣使土體中的孔壓下降較快，沉降必然最快，而試驗2相比試驗1，在土體表面施加了堆載也同樣地加快了土體中孔壓的消散，從而加快沉降。

從陰陽極的差異沉降來看，在試驗1中，陰陽極的最終沉降相差6.72mm；在試驗2中差異沉降為2.98mm；而在試驗3中，陰陽極的差異沉降僅為0.46mm。這也顯示出陰極抽真空的電滲聯(lián)合堆載試驗的優(yōu)越性。

2.5 土體中電勢變化分析

試驗中以電源負極電勢為0，通過電勢探針測得與負極的電勢差從而求得不同位置處的電勢。圖8揭示了電滲試驗中，土體在沿長度方向上不同通電時間的電勢分布。

從圖8中的結果可以看到，在電滲前24h，除了在陰陽兩極附近有明顯的“跳躍”現(xiàn)象外，試樣中土體之間各個測點的電勢基本呈線性分布且電勢變化較小、較穩(wěn)定。另外，可以清楚地看到，3組不同邊界條件下的試驗都出現(xiàn)了陽極處的電壓降大于陰極處的電壓降，這與之前的學者試驗中的結果一致。

2.6 抗剪強度變化分析

電滲試驗結束后，利用微型十字板剪切儀測定了土體的不排水抗剪強度。各試驗的結果如圖9所示。

3組不同邊界條件下的試驗由于土體的初始含水率較高，利用微型十字板剪切儀幾乎無法測得強度，可以認為初始強度為零，在電滲結束后，土體的強度得到了顯著的提高。試驗3土體加固后的強度明顯高于試驗1及試驗2，試驗3的最大強度約為試驗1中土體最大強度的1.8倍。

試驗1與試驗2不排水強度曲線揭示了土體表層強度最低而底部強度最高，這主要是因為在試驗1與試驗2中土體表面覆蓋了堆載板，僅僅通過堆載板上的若干小孔排出土體表面的水，排水措施效果較差，這就導致了底部不排水強度高于表層強度。

試驗3電滲結束后，土體表層強度明顯高于底部不排水強度，這是因為在試驗3的陰極施加了真空負壓抽氣，促進了土體表層水的排出，另外，真空度經(jīng)過塑料管由上到下傳遞時會有損失，即土體上層的真空度大于底部真空度，這也會導致底部強度優(yōu)于表層強度。

在試驗1中，在水平方向，出現(xiàn)陽極附近土體加固后強度最高，中間次之，陰極附近土體加固后強度最差；而在試驗2、3中，整體上出現(xiàn)中間土體強度低于陰極附近土體的強度，這是由于在電滲聯(lián)合堆載條件下，中間土體的沉降比試驗1大且表面排水較差導致土體表面有部分水會在中間匯聚，使得中間土體的含水率較高而強度較低。

在試驗1中，加固后土體沿長度方向強度分布明顯不均勻，在同一水平面上，強度較高的陽極附近土體分別是強度較低的陰極附近土體的5倍、3.9倍和5倍；在試驗2中，施加堆載后土體各位置的強度都較試驗1有所提高，但仍然出現(xiàn)陰陽極加固效果極大的不均勻，在同一水平面上，強度較高的陽極附近土體分別是強度較低的中間附近土體的5.8倍、5.5倍和4.3倍；試驗3中，在電滲聯(lián)合堆載的情況下，陰極真空抽氣，這使得土體各位置的強度得到了很大的提高，同時，我們還可以發(fā)現(xiàn)相比較前兩組試驗，試驗3中土體加固后的強度顯得較均勻，且在同一水平面上，強度較高的陽極附近土體分別是強度較低的中間土體的1.8倍、1.7倍和2.2倍，證明了在電滲聯(lián)合堆載的情況下陰極抽真空的有效性。

2.7 含水量變化分析

在電滲試驗結束后，按照圖2所示選取距離不同位置、不同深度的9個土樣進行含水率試驗。3組試驗加固后土樣含水率變化已繪制在圖10中。

3組試驗的土樣初始含水率均為58%，電滲結束后含水率都有顯著的降低。從含水率的曲線圖可以看到，試驗后各個位置的含水率與加固后土體的不排水抗剪強度基本一一對應，即有含水率越高，抗剪強度越低，含水率越低，抗剪強度越高。試驗3中含水率降低幅度最大，降低幅度從31%～45%不等；而其他兩組試驗最低降低幅度都在19%以下。

2.8 觀察到的其他現(xiàn)象

電滲試驗結束后，從土體中取出銅絲電極。陽極銅絲腐蝕嚴重，出現(xiàn)了銅綠，這也會導致電滲過程中電流的減小而降低電滲效率。陰極銅絲雖然沒有受到腐蝕，但電極表面覆蓋了一層白色的沉淀物，這會增大陰極接觸電阻而使電滲效率降低。因此，在實踐工程中，要選用既經(jīng)濟又耐腐蝕的材料作為電極，從而達到提高電滲效率的作用。

3 結論

該文利用自制的試驗裝置，通過改變試驗邊界條件，進行了3組試驗方案不同的二維電滲加固軟土室內模型試驗，分別對比分析并探討了試驗過程中電流、排水量、能耗、沉降、電勢分布及試驗后不排水抗剪強度和含水率等參數(shù)指標，主要結論如下。

（1）陰極抽真空的電滲聯(lián)合堆載試驗能在更少的時間內排水更多，沉降更大，最終排水量是單純電滲試驗的1.4倍。

（2）陰極抽真空的電滲聯(lián)合堆載試驗結束后土體的不排水抗剪強度更高，含水率更低，不排水抗剪強度約為單純電滲后土體強度的1.8倍。

（3）陰極抽真空的電滲聯(lián)合堆載試驗結束后，土體水平方向加固效果較前兩組試驗更加均勻。在同一水平面上，強度較高的陽極附近土體分別是強度較低的中間土體的1.8倍、1.7倍和2.2倍。

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