不同電勢梯度下新型復(fù)合電極的電滲固結(jié)試驗(yàn)

張 雷，金海暉，潘卓杰，欒 佶，王炳輝，姜朋明

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 鎮(zhèn)江 212100)(2．南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所, 南京 210009)

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口數(shù)量的激增，對建設(shè)用地的需求不斷增加[1].沿海地區(qū)廣泛分布的海相軟土往往具有承載力低、壓縮性大、含水量高等力學(xué)特性，為工程建設(shè)帶來較大困難，因此，必須對該類土進(jìn)行處理.針對海相軟土，常用的處理方法主要有注漿[2]、真空預(yù)壓[3-4]、堆載預(yù)壓[5]、真空-堆載聯(lián)合[6]或電滲法[7]等.研究[8-9]表明，真空預(yù)壓較為有效，但隨著對軟基快速處理的需求，電滲法得到諸多學(xué)者的關(guān)注[10]，并在理論分析[11]，化學(xué)注漿[12-13]，及其他地基處理方法聯(lián)合[14]等方面進(jìn)行研究.但電極腐蝕、能耗過大等問題[15]制約著電滲法的大范圍使用，而合理選用電極材料可以減緩電極腐蝕，降低耗能，故針對電滲電極材料的研究，具有重要意義.其中，針對EKG電極的研究最為廣泛，文獻(xiàn)[16-17]分別采用EKG電極對尾礦和淤泥進(jìn)行處理，文獻(xiàn)[16]結(jié)果顯示，通過使用EKG電極，單位能耗降低；文獻(xiàn)[17]試驗(yàn)結(jié)果表明，電極腐蝕降低，處理后的淤泥固體顆粒含量大幅增高.雖然EKG電極的加固效果較好，但其造價(jià)相對較高，且通電過程中較難對其進(jìn)行替換，從而導(dǎo)致其應(yīng)用受限[18].文中通過研制一種新型復(fù)合電極，在與傳統(tǒng)電極進(jìn)行對比試驗(yàn)后，驗(yàn)證其有效性[18].電勢梯度是影響電滲效果與能耗的關(guān)鍵因素[19-20]，故對新型復(fù)合電極進(jìn)行不同電勢梯度下的電滲固結(jié)試驗(yàn).

1 試驗(yàn)裝置、電極材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自大連東港商務(wù)區(qū)，為海相軟土，取土位置距地表13 m.土樣顏色近似灰黑色，幾乎無承載力，初始含水率ω為55.7%，孔隙水的鹽度為35 g/L，pH值約為7.3，如表1.其中，γ為重度；γd為干重度；e為孔隙比；wP、IP、IL分別為塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)；Cq為粘結(jié)力；φq為摩擦角；qu為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；Es為抗壓模量.根據(jù)試驗(yàn)需求，通過對原狀土進(jìn)行處理，最終使重塑土的含水率達(dá)到約51%.

表1 原狀土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)土樣模型箱為自主研制，箱子材質(zhì)選用常用的工程塑料，長300 mm，寬200 mm，高250 mm.電極的入土深度為220 mm.試驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?、穩(wěn)壓直流電源(0～30 A，0～100 V)、新型復(fù)合電極、導(dǎo)線、電流表、電壓表與相關(guān)輔助設(shè)備(萬用表，袖珍觸探儀，微型貫入儀)組成[16].圖1為室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置示意圖.

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic configuration of the experiment

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為4組，表2為各組試驗(yàn)的基本參數(shù).電極材料均采用CCF電極，因土樣運(yùn)輸過程中導(dǎo)致水分流失，為保證初始含水率與原狀土盡可能保持一致，在試驗(yàn)開始前，對試驗(yàn)土樣進(jìn)行重塑，使重塑土的初始含水率約為51.2%，電勢梯度分別采用0.75，1.00，1.25，1.50 V/cm.

表2 各組試驗(yàn)的基本參數(shù)

為研究土體不同位置、深度的承載力變化情況，試驗(yàn)土體被分為表層、中間層和底層3個(gè)截面，如圖1.同時(shí)，選取若干含水量、承載力測試點(diǎn)[18]，如圖2.

圖2 含水量、承載力測試點(diǎn)分布(單位：mm)Fig.2 Measuring points of water content and bearing capacity(unit:mm)

通過袖珍觸探儀測量每層試驗(yàn)土體不同位置的承載力.試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)觀測土體的電流、電壓變化情況，當(dāng)土體的電流為零時(shí)，說明此時(shí)試驗(yàn)土體的電阻趨于穩(wěn)定，則停止通電，終止試驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 排水量與排水速率

圖3為排水量隨時(shí)間的變化曲線.由圖3可知，電滲初始階段(0～10 h)，4組試驗(yàn)的排水量快速增長，近似呈線性變化，E4的增長速率高于其他三組.試驗(yàn)進(jìn)行至10 h時(shí)，4組試驗(yàn)的排水量與總排水量占比分別為248 mL(44.6%)、362 mL(50.3%)、447 mL(49.8%)、529 mL(61.3%)，前期排水量基本與電勢梯度的大小正相關(guān).10 h后，排水量轉(zhuǎn)變?yōu)榍€增長，排水速率逐漸減小.試驗(yàn)進(jìn)行至25 h時(shí)，排水量增量趨于緩慢，此時(shí)4組試驗(yàn)的排水量與總排水量占比分別為556 mL(87.4%)、640 mL(88.9%)、801 mL(89.4%)、834 mL(96.6%).在25～40 h，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，土體裂縫不斷增多，含水率不斷降低，電極與土體發(fā)生脫離，排水量基本不增長.綜上，電滲固結(jié)過程大致分為快速增長，緩慢增長與基本不增長3個(gè)階段.

圖3 排水量-時(shí)間變化曲線Fig.3 Water discharge-time curves

因土-電極發(fā)生物化反應(yīng)，排水速率變化規(guī)律不明顯，但其變化趨勢為先增大后緩慢降低直至穩(wěn)定.且排水速率呈現(xiàn)出電勢梯度越大，電滲前、中期的排水速率越大，同時(shí)衰減越快.試驗(yàn)初始階段 (0～3 h)，排水速率-電勢梯度幾乎呈線性關(guān)系，且線性關(guān)系隨著時(shí)間的增長而變差.通電至25 h 時(shí)，E1～E4的排水速率分別為8，10，8，6 mL/h，在數(shù)值關(guān)系上表現(xiàn)為E2>E1=E3>E4.如若電勢梯度過高，電滲時(shí)間持續(xù)短，但電勢梯度較低致使電滲處理時(shí)間過長，故通過電滲排水速率，可找出一個(gè)適合的電勢梯度，既能保證電滲排水速率長時(shí)間處于較高值，又能有效減少電滲處理時(shí)間.根據(jù)排水速率的變化，當(dāng)電勢梯度為1 V/cm時(shí)，電滲排水速率在后期較高.

2.2 電流與排水速率的關(guān)系

電流是電滲排水的直接驅(qū)動(dòng)力，影響電滲排水速率，關(guān)乎電滲排水量、電滲處理時(shí)間等，且電流與排水速率緊密相關(guān)[17].根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別選取電流與排水速率作為橫縱坐標(biāo)，得到各組試驗(yàn)的電流、排水速率散點(diǎn)圖.再根據(jù)電流、排水速率的分布規(guī)律，對電流-排水速率進(jìn)行擬合.電流、排水速率兩者間近似呈線性關(guān)系，故按線性公式v=cI+d擬合，得到擬合曲線，如圖4.根據(jù)擬合結(jié)果，4組試驗(yàn)的擬合斜率c分別為129.9，93.2，111.6，101.8，截距d分別為-14.4，-7.6，-13.7，-15.9 mL/h，擬合結(jié)果較好.由圖可知，排水速率近似隨電流的增大而增大.E2的斜率與截距均小于其余三組，說明E2的排水速率隨電流的增長較為緩慢，有利于電滲后期排水的進(jìn)行.

圖4 排水速率-電流散點(diǎn)圖及其擬合曲線Fig.4 Scatter diagram of water discharge rate-current and fitted curves

2.3 能耗與排水量的關(guān)系

隨著土體裂縫的增多，土體電阻增大，導(dǎo)致電滲后期的效果較差，此時(shí)電滲能耗主要消耗于土體發(fā)熱，接觸電阻等，致使其利用率較低[17-18].根據(jù)試驗(yàn)過程中電流、電壓的實(shí)測數(shù)據(jù)，求出各組試驗(yàn)的能耗值，結(jié)合各組試驗(yàn)的排水速率，選取能耗、排水量作為橫縱坐標(biāo)，得到各組試驗(yàn)的能耗、排水量散點(diǎn)圖.再根據(jù)能耗、排水量的分布規(guī)律，對能耗-排水量進(jìn)行擬合.能耗、排水量近似呈線性關(guān)系，故按線性公式Q=eC+f擬合，得到擬合曲線，如圖5.

圖5 排水量與能耗散點(diǎn)圖及擬合曲線Fig.5 Scatter diagram of water discharge-energy consumption curves and fitted curves

根據(jù)擬合結(jié)果，4組試驗(yàn)的擬合斜率e分別為4.6，3.2，2.8，1.9，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，且擬合曲線的斜率隨著電勢梯度的升高而降低.E1～E4的能耗分別為139.3、227.7、321.2、438.4 W·h，排水量分別為636，720，896，863 mL.排水量隨能耗的增大而增大，但E4最終排水量小于E3，能耗卻遠(yuǎn)高于E3，故并非電勢梯度越大，土體的電滲效果越好.通過兩者的擬合關(guān)系，可在能耗利用率較低的情況下停止通電或采取間歇通電，提高電滲排水效率與有效能耗的利用率.

3 土體承載力分析

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)表層、中間層和底層3個(gè)截面的含水量、承載力測試點(diǎn)進(jìn)行取樣，分析土體的含水量變化.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，E1～E4的表層含水率為26.5%～ 28.8%，中層為30.7%～ 33.5%，底層為32.9% ～35.5%，平均含水率為30.4%～ 32.5%.相對初始含水率，降幅約為19.7%～22.4%，降幅明顯.

通過袖珍觸探儀對不同土層的土體，按照承載力測試點(diǎn)的分布，進(jìn)行承載力試驗(yàn)，并繪制土體的承載力分布圖，如圖6.

圖6 土體加固承載力分布Fig.6 Bearing capacity of the treated soils

由圖可知，承載力自陽極至陰極逐漸降低.電滲過程中，陽極附近發(fā)生氧化反應(yīng)，土中水在電滲力的驅(qū)動(dòng)下不斷向陰極移動(dòng)并排出土體，同時(shí)陽極因化學(xué)反應(yīng)相對劇烈導(dǎo)致溫度較高促使周邊土體蒸發(fā)，導(dǎo)致含水率降幅遠(yuǎn)高于陰極.復(fù)合電極中的鐵片在電滲過程中電離出金屬陽離子與土中離子作用生成膠凝物質(zhì)，通過直流電的作用，膠凝物質(zhì)不斷膠結(jié)土顆粒向陰極移動(dòng)并填充土體孔隙，使土體強(qiáng)度得到提升[17].故而導(dǎo)致陽極附近土體的承載力高于陰極區(qū)域.

4組試驗(yàn)的土體承載力最高值分別為194.8，233.1，239.8，239.8 kPa，相對初始承載力提高約9.1～12倍.E2加固后的承載力最小值為126.5 kPa，相對初始承載力提高約6.3倍，其余三組試驗(yàn)加固后的承載力最小值均為90.2 kPa.在陽極附近，土體的承載力最高，并形成一個(gè)強(qiáng)度圈，該強(qiáng)度圈內(nèi)土體強(qiáng)度較高，而陰極處的強(qiáng)度增幅較小.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，4組試驗(yàn)加固后土體強(qiáng)度高于160 kPa的面積占比分別為32%，79%，57%，60%，且E2的加固效果更加均勻.綜合電滲能耗、排水量與排水速率等，從承載力分布情況可以看出，當(dāng)電勢梯度為1 V/cm時(shí)，CCF電極的加固效果最好.

4 結(jié)論

通過4組試驗(yàn)探討不同電勢梯度下CCF電極的電滲加固效果，對排水量、排水速率-電流、排水量-能耗等進(jìn)行分析，結(jié)合加固土體含水量與承載力分布規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1) 4組試驗(yàn)陰陽兩極電勢降分別占輸入電壓的43.5%，34.4%，37.0%，39.2%，有效電壓占比56.5%，65.6%，63.0%，60.8%.電勢梯度為1 V/cm時(shí)，有效電勢占比最高.

(2) 電滲初始階段，排水速率與電勢梯度近似線性關(guān)系，但后期基本不成比例變化，當(dāng)電勢梯度為1 V/cm時(shí)，電滲排水速率能夠長期保持較高值.

(3) 根據(jù)對排水速率與電流，排水量與能耗曲線進(jìn)行擬合，得出排水速率-電流，排水量-能耗近似線性關(guān)系，且試驗(yàn)結(jié)束后，土體的含水量降幅較大.

(4) 加固土體的承載力大幅提升，E1～E4的土體的最大承載力值分別為194.8，233.1，239.8，239.8 kPa，高于160 kPa的面積占比分別32%，79%，57%，60%.綜合電滲能耗、排水量與排水速率等，從承載力分布可得出，當(dāng)電勢梯度為1 V/cm時(shí)，加固后的土體承載力均在120 kPa以上，電滲效果最好且加固最為均勻.