電滲試驗(yàn)中土體電阻變化規(guī)律探究

摘 要：電滲法作為一種新興的地基處理方式，能加快土體的排水固結(jié)，提高土體強(qiáng)度。該文通過(guò)設(shè)置7組試驗(yàn)，研究電滲試驗(yàn)中土體電阻的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨電滲時(shí)間的延長(zhǎng)，土體總電阻值呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，這種變化規(guī)律主要取決于靠近陽(yáng)電極處土體電阻的變化。并且，土體電阻的大小與干密度和含水率均有關(guān)系，具體表現(xiàn)為土體的干密度越大，試驗(yàn)后陽(yáng)電極處土體的含水率降低越多;在一定范圍內(nèi)土體的含水率越高，電阻越小。

關(guān)鍵詞：電滲;電阻;含水率;干密度;室內(nèi)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）34-0073-04

Abstract： As an emerging foundation treatment method， electroosmosis can accelerate the drainage and consolidation of soil and improve soil strength. In this paper， 7 groups of tests were set up to study the change laws of soil resistance during electroosmotic tests. The test results show that with the extension of electroosmosis time， the total resistance of the soil shows a change trend of decreasing first and then increasing. This change rule mainly depends on the change of the resistance of the soil near the anode electrode. Moreover， the resistance of the soil is related to both dry density and water content. The specific performance is that the greater the dry density of the soil， the more the water content of the soil at the anode electrode decreases after the test; the higher the water content of the soil within a certain range， the smaller the resistance.

Keywords： electroosmosis; resistance; moisture content; dry density; indoor test

基于土顆粒本身帶負(fù)電荷這一現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始利用電滲法對(duì)地基進(jìn)行處理。在直流電場(chǎng)中，帶負(fù)電荷的黏土顆粒會(huì)在外加電勢(shì)的作用下移向正極，即電泳現(xiàn)象;而土體中的水分子和水化陽(yáng)離子會(huì)移向負(fù)極，即電滲現(xiàn)象。當(dāng)前，對(duì)電滲法在飽和軟土中的應(yīng)用研究已較為成熟，常與堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓等方法聯(lián)合加固土體。2021年呂延棟等[1]用“電滲-堆載-化學(xué)灌漿”法加固軟土地基，發(fā)現(xiàn)該方法能延長(zhǎng)有效排水時(shí)間;2023年柏巍等[2]進(jìn)行了電滲與真空預(yù)壓聯(lián)合室內(nèi)試驗(yàn)，分析了摻砂比和電壓對(duì)殘余含水率的影響;2024年劉娉慧等[3]在電滲試驗(yàn)中摻加不同固化劑，發(fā)現(xiàn)電滲聯(lián)合固化劑可以更大程度地提高尾礦的強(qiáng)度;同年，周衛(wèi)東等[4]進(jìn)行真空聯(lián)合陽(yáng)極跟進(jìn)電滲法室內(nèi)試驗(yàn)，提高了土體的加固效果。

電滲會(huì)加快土體的排水速率，改變其的含水率分布，使得試驗(yàn)后陽(yáng)極區(qū)土體含水率降低，陰極區(qū)土體含水率升高。本文在此理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)7組試驗(yàn)，探討電滲試驗(yàn)中土體電阻值的變化規(guī)律，進(jìn)一步完善電滲試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)土體初始條件

土體的孔隙比和導(dǎo)電性均受干密度這一指標(biāo)的影響，故設(shè)置干密度不同的3組試驗(yàn)研究電滲過(guò)程中土體電阻值的變化規(guī)律。各組試驗(yàn)土體的初始條件見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置分為固定底座和土樣盒，均由透明玻璃粘結(jié)而成。試驗(yàn)時(shí)，在土體中布置V1—V5五根金屬探針，探針將土體分為R1、R2、R3和R4四個(gè)區(qū)域，布置一臺(tái)電壓表用于測(cè)定試驗(yàn)中土體各探針處的電壓值，一臺(tái)電流表用于測(cè)定試驗(yàn)中流經(jīng)土體的電流值，試驗(yàn)采用金屬網(wǎng)狀電極，直流電源。試驗(yàn)裝置[5]尺寸和電路連接[6]如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)步驟

1）將制備好的土樣填入土樣盒后，調(diào)節(jié)電源電壓至20 V，接通電路開(kāi)始試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)的連續(xù)性，每隔1 h記錄一次經(jīng)過(guò)土樣的電流值和土樣各探針處的電勢(shì)值。

2）達(dá)到設(shè)定的電滲時(shí)間后結(jié)束試驗(yàn)，在土樣既定的含水率取樣點(diǎn)取樣并測(cè)其含水率。

3）由試驗(yàn)中記錄的各探針處電壓值和電流值，計(jì)算各組試驗(yàn)土體的總電阻和區(qū)域電阻。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 含水率變化分析

圖2為不同干密度土體電滲試驗(yàn)后各取樣測(cè)點(diǎn)的含水率分布圖。由圖2可知，在直流電場(chǎng)中，土中水可以在電勢(shì)能的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生遷移，使得靠近陽(yáng)極區(qū)域土體含水率低于初始值，靠近陰極區(qū)域土體含水率高于初始值，這與現(xiàn)有研究結(jié)論相符合。除此之外，試驗(yàn)結(jié)果還表明，干密度值越大的試驗(yàn)土體，在陽(yáng)極電極處其含水率降低值越大，電滲效率越高。這是因?yàn)楦擅芏扰c土體密實(shí)程度成正相關(guān)，越密實(shí)的土體，其孔隙比越小，一則增大了電極與試驗(yàn)土體的接觸面積，二則空氣含量低使得試驗(yàn)土體的電阻率減小。

2.2 電阻變化分析

本次試驗(yàn)中，系統(tǒng)誤差及試驗(yàn)土體之外的其他電阻忽略不計(jì)，V1探針和陽(yáng)電極、V5探針與陰電極的距離較近，故粗略認(rèn)為界面電阻為V1和V5到陽(yáng)、陰電極之間產(chǎn)生的電阻。故土體總電阻可表示為

式中：R界為界面電阻，Ri為被金屬探針?lè)指畹?個(gè)區(qū)域土體對(duì)應(yīng)的電阻。

試驗(yàn)電路中總電壓為20 V，由試驗(yàn)過(guò)程中每小時(shí)記錄的各探針處電壓值和流經(jīng)土體的電流值，根據(jù)歐姆定律可直接計(jì)算土體電阻值。圖3為電滲試驗(yàn)中干密度不同的土體總電阻變化曲線(xiàn)，由圖3可知，隨電滲時(shí)間的延長(zhǎng)，3組試驗(yàn)土體總電阻值均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡姖B過(guò)程中電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[7]，氧化物的產(chǎn)生使得其導(dǎo)電性降低;再者，電滲使試驗(yàn)土體中的水分發(fā)生遷移，靠近陽(yáng)電極處土體含水率降低增大了電阻率。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，本次試驗(yàn)中干密度為1.45 g/cm3的土體，其電阻值遠(yuǎn)大于干密度為1.35 g/cm3和1.55 g/cm3的土體，這是因?yàn)橛绊懲馏w電阻大小的因素，除干密度指標(biāo)外，還有含水率指標(biāo)，土體干密度值較大時(shí)，其對(duì)電阻率的影響程度高于含水率的影響程度，干密度值較小時(shí)，其對(duì)電阻率的影響程度低于含水率的影響程度。

圖4、圖5、圖6為電滲試驗(yàn)中各區(qū)域土體的電阻變化曲線(xiàn)。由圖可知，對(duì)于干密度不同的土體，試驗(yàn)中靠近陽(yáng)電極處即R1和R2區(qū)域的土體，其電阻值均表現(xiàn)處較大程度的提高，且R1區(qū)域土體在試驗(yàn)前期電阻值增大較為明顯，中后期電阻基本穩(wěn)定，而R2區(qū)域土體在試驗(yàn)前期表現(xiàn)為電阻降低，中后期電阻迅速增加。這是因?yàn)殡姖B使土體中的水分從陽(yáng)極遷往陰極，在試驗(yàn)初期，從R1區(qū)域遷往R2區(qū)域的水分多于從R2遷往R3的水分，致使R1區(qū)域土體含水率迅速降低，電阻值增加，而R2區(qū)域土體則含水率提高，電阻值降低;試驗(yàn)后期則與此相反，R1區(qū)域土體中的水分遷移速率降低，遷往R2區(qū)域的水分低于從R2遷往R3的水分，致使R2區(qū)域土體含水率降低，電阻值提高。進(jìn)一步觀察圖4、圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，土體中靠近陰電極的R3和R4區(qū)域在試驗(yàn)中電阻值呈現(xiàn)較小的變化幅度。這說(shuō)明土體總電阻的變化主要取決于靠近陽(yáng)電極的R1和R2區(qū)域土體電阻值。

2.3 含水率與電阻關(guān)系分析

電滲過(guò)程中，R3和R4區(qū)域持續(xù)接受由R1和R2區(qū)域遷來(lái)的水分，R3和R4區(qū)域土體含水率持續(xù)提高，但其電阻值并未表現(xiàn)出持續(xù)降低的態(tài)勢(shì)，為進(jìn)一步分析土體含水率與電阻值的關(guān)系，增做4組電滲試驗(yàn)協(xié)助研究，試驗(yàn)方法和步驟同1.2、1.3節(jié)，新增試驗(yàn)的初始條件見(jiàn)表2。

如圖1（a）、圖1（b）所示，7組電滲試驗(yàn)的土體共分得28個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域土體包含3個(gè)含水率取樣測(cè)點(diǎn)，取3個(gè)取樣測(cè)點(diǎn)含水率的平均值作為本區(qū)域土體的含水率值，jJK0wRwmuHh3cu0jfFLTzQ==再由各探針處測(cè)得的電勢(shì)值和流經(jīng)土體的電流值計(jì)算區(qū)域土體電阻值，經(jīng)數(shù)據(jù)分析與擬合，即可得到含水率與土體電阻的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖7所示。由圖7可知，土體電阻值與含水率呈非線(xiàn)性的遞減關(guān)系。具體而言，當(dāng)土體的含水率處于18%～28%的區(qū)間內(nèi)時(shí)，土體處于非飽和狀態(tài)，此時(shí)電阻值會(huì)隨著含水率的增加而急劇下降;而當(dāng)含水率超過(guò)28%時(shí)，土體基本達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)電阻值受含水率變化的影響變得較小，趨于穩(wěn)定。故土體電阻值與含水率的關(guān)系表達(dá)式可表示為

R=42.35+3.74×103e-w/6.57 ， （2）

公式（2）未作量綱分析，且本次研究為更好地呈現(xiàn)試驗(yàn)效果，初始含水率均設(shè)置較高，后續(xù)可進(jìn)一步對(duì)低含水率土體展開(kāi)研究。

3 結(jié)論

基于電滲法可以加固土體的原理，本文設(shè)計(jì)了7組試驗(yàn)，旨在探究土體在電滲過(guò)程中電阻值的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著電滲時(shí)間的延長(zhǎng)，土體的總電阻值呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，而這一變化模式主要受控于靠近陽(yáng)電極部位土體電阻的變動(dòng)。此外，土體的電阻大小與其干密度及含水率密切相關(guān)：具體而言，土體的干密度越大，試驗(yàn)后陽(yáng)電極附近土體的含水率降低幅度也越大;同時(shí)，在特定范圍內(nèi)，土體的含水率越高，其電阻值則越小。

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基金項(xiàng)目：廣東理工學(xué)院2023年校級(jí)科技項(xiàng)目（2023YBZK009）

作者簡(jiǎn)介：王華杰（1994-），女，碩士，助教。研究方向?yàn)橥亮W(xué)、地基處理。