電極布置對(duì)電滲加固軟黏土的影響

司馬磊磊 王頌科

摘 要：本文通過室內(nèi)試驗(yàn)在固定尺寸的試驗(yàn)箱內(nèi)，同時(shí)進(jìn)行了兩組不同電極布置形式的電滲試驗(yàn)，此試驗(yàn)采用不對(duì)等的陰陽(yáng)極布置，其電極布置分別為：一個(gè)陽(yáng)極對(duì)應(yīng)四個(gè)陰極、一個(gè)陰極對(duì)應(yīng)四個(gè)陽(yáng)極，每個(gè)電極都與電源相連，保證有相同的電壓輸出。本試驗(yàn)共計(jì)通電三十個(gè)小時(shí)，在通電完成后立刻對(duì)所加固的土體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)量，從所測(cè)量的強(qiáng)度數(shù)據(jù)中可以得出以下結(jié)論：多陽(yáng)極布置情況下電滲加固后的軟黏土抗壓強(qiáng)度提高較大并且整個(gè)土體抗壓強(qiáng)度比較均勻，在電滲時(shí)應(yīng)盡可能多的布置陽(yáng)極；在電源電壓恒定，多陽(yáng)極布置情況下電滲的電流強(qiáng)度較高有利于縮短電滲時(shí)間。

關(guān)鍵詞：電滲；電極布置；抗壓強(qiáng)度；抗剪強(qiáng)度；

0引言

電滲這一學(xué)科起步雖然很早，casagrande[1]于1939年首次將電滲成功地應(yīng)用于德國(guó)某鐵路挖方邊坡工程中此后，電滲法被嘗試應(yīng)用于不同類型的工程，但其發(fā)展道路及其坎坷，時(shí)至今日也沒有很好的推廣和應(yīng)用，隨著這些年沿海城市的進(jìn)一步開發(fā)，這也給我們提供了很好的試驗(yàn)與推廣相結(jié)合的機(jī)會(huì)。電滲用于加固軟黏土地基已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，但是其復(fù)雜的作用機(jī)制和眾多的不確定性因素一直阻礙它成為地基處理中的常規(guī)手段，并且在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)幾乎無(wú)人問津。我國(guó)近年不斷增多的吹填造陸工程和疏浚淤泥的處理使得電滲重新成為國(guó)內(nèi)巖土界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者Chew S H[2] 、Esrig[3]及國(guó)內(nèi)學(xué)者曾國(guó)熙[4]、王協(xié)群[5]等已在許多方面對(duì)電滲進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)主要包括：利用間歇通電、電極轉(zhuǎn)換、或通過注入化學(xué)鹽溶液等技術(shù)手段來提高電滲處理效果；總而言之，目前對(duì)電滲的研究越來越全面但是在基礎(chǔ)方面還有問題值得去探究，比如不同電極布置對(duì)電滲強(qiáng)度的影響。

本文通過不同的電極布置方式去探究經(jīng)過電滲加固后的軟黏土的強(qiáng)度對(duì)比，尋找出更為合理地的電極布置方式，提出可以通過改變電極布置方式來加固出滿足不同實(shí)際工程狀況的土體。

1 試驗(yàn)基本情況

試驗(yàn)用土為營(yíng)口地區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾薄層粉砂：灰～灰黑色，飽和，軟塑～流塑狀態(tài)，高壓縮性，稍有光澤，含有腐殖質(zhì)，含大量貝殼碎片，有腥臭味，夾多層薄層粉砂。土體的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

本試驗(yàn)為電滲且不排水試驗(yàn)，采用長(zhǎng)×寬×高為28cm×22cm×17cm尺寸的驗(yàn)箱，電極的布置方式如圖一所示，將一個(gè)陽(yáng)極對(duì)應(yīng)四個(gè)陰極的一組編號(hào)為A、將一個(gè)陰極對(duì)應(yīng)四個(gè)陽(yáng)極的一組編號(hào)為B，電極采用直徑為6mm的圓鋼，長(zhǎng)度為25cm，電源電壓為恒定的直流電壓，電源的最大輸出電壓為100V，最大輸出電流為30A。

試驗(yàn)步驟：首先將電極按照如圖一所示布置在試驗(yàn)箱內(nèi)，然后將電極分別用導(dǎo)線與直流電源直接連接，A組試驗(yàn)的電流表接在陽(yáng)極與電源相連的導(dǎo)線上量測(cè)A組試驗(yàn)過程中的總電流，B組試驗(yàn)的電流表接在陰極與電源相連的導(dǎo)線上量測(cè)B組試驗(yàn)過程中的總電流；用VC8900D型號(hào)萬(wàn)用表測(cè)量A、B組的陰極與陽(yáng)極之間的電勢(shì)差；用型號(hào)為L(zhǎng)CDG-ZJ1-51010的轉(zhuǎn)接式計(jì)量插座測(cè)量試驗(yàn)過程中的總能量消耗；導(dǎo)線與電流表、電源、電極接好后開始通電，在前6個(gè)小時(shí)每隔半個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，在之后的24小時(shí)每隔一個(gè)小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：電流、電勢(shì)差、總的能量消耗；通電滿30個(gè)小時(shí)后停止通電與此同時(shí)測(cè)量A、B組陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)及中間部位的抗壓承載力及抗剪承載力。

試驗(yàn)通電后兩組試驗(yàn)的陰極均有氣泡冒出，并且B組試驗(yàn)產(chǎn)生的氣泡比較明顯；在通電進(jìn)行大約兩個(gè)小時(shí)之后兩組試驗(yàn)都開始產(chǎn)生了裂紋，不過兩組試驗(yàn)的裂紋的分布與裂隙大小有著截然不同的特點(diǎn)：A組試驗(yàn)的裂紋以陽(yáng)極為中心呈波紋型圍繞陽(yáng)極分布但是裂隙較?。籅組試驗(yàn)則是在陰極與陽(yáng)極間呈直線分布并且裂隙較大；并且兩組試驗(yàn)產(chǎn)生裂縫的時(shí)間也不相同，B組實(shí)驗(yàn)在電滲進(jìn)行了一個(gè)小時(shí)的時(shí)候便出現(xiàn)了劈裂式裂縫而A組試驗(yàn)則是在接近兩個(gè)小時(shí)的時(shí)候才出現(xiàn)波紋式裂縫。通電結(jié)束后的裂縫（見下圖）。

2 試驗(yàn)中電流的變化情況

對(duì)于裂縫出現(xiàn)時(shí)間的不同以及裂縫大小的不同，從電流大小上我們可以看出，B組電流在0-1小時(shí)之間一直很大，而A組則相對(duì)較小，電流大的B組土體出現(xiàn)裂縫的時(shí)間比較早并且裂縫的寬度也比電流小的A組土體大，說明多電極陽(yáng)極多的情況下電滲發(fā)生的層度比較劇烈；隨著劇烈的電滲反應(yīng)土體開始出現(xiàn)裂縫，裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致土體電阻突然增大從而在A、B兩組試驗(yàn)中電流出現(xiàn)了陡降區(qū)段；裂縫的出現(xiàn)使得電滲的效率有所降低。

試驗(yàn)通電開始后，兩組試驗(yàn)的電流變化趨勢(shì)相似，都是先增大后減小然后逐步趨于穩(wěn)定，不過A組的最大電流和趨于平穩(wěn)時(shí)的電流均比B租的電流小，由圖3可以看出A組試驗(yàn)在試驗(yàn)的整個(gè)過程最大電流為0.9安培而由圖3可以看出B組的最大電流則達(dá)到3.9安培；同樣由圖1可以看出A組試驗(yàn)在試驗(yàn)的最后趨于平穩(wěn)的電流為0.05安培而由圖3可以看出B組趨于平穩(wěn)的電流則達(dá)到0.6安培；A組試驗(yàn)在進(jìn)行到16個(gè)小時(shí)的時(shí)候電流已經(jīng)下降到0.1安培，B組試驗(yàn)則是在達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)候電流還接近0.5安培，從這些變化趨勢(shì)以及兩組試驗(yàn)電流的最大值和最小值上我們可以得出：A組試驗(yàn)在整個(gè)電滲過程電滲反應(yīng)的強(qiáng)度一直低于B組試驗(yàn)；A組試驗(yàn)電滲的時(shí)間在16小時(shí)以后已經(jīng)很微弱此時(shí)可以近似認(rèn)為A組試驗(yàn)已經(jīng)結(jié)束，B組則保持0.5安培的電流強(qiáng)度，從電流強(qiáng)度的角度分析B組的電極選擇及排布優(yōu)于A組。

從能量消耗的角度分析，A、B兩組試驗(yàn)的能耗均是逐漸遞增的，但是能耗增加的幅度卻是逐漸降低的，其原因是剛開始土體的含水量很高土體的導(dǎo)電性較好電流是很大的，由于電源電壓恒定，所以其能量消耗單位時(shí)間內(nèi)增加的幅度較大；隨著時(shí)間的增加A組的能量消耗增幅逐漸變小慢慢的逐漸趨于平穩(wěn)而B組的能量消耗還呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著電滲的進(jìn)行兩組試驗(yàn)土體均均產(chǎn)生了不同大小的裂縫導(dǎo)致土體電阻變大，電流變小其能量消耗幅值均有所降低；A組的最終能量消耗為0.17kw.h并且趨于穩(wěn)定不在增加，說明其土體內(nèi)電滲已接近結(jié)束，反應(yīng)很微弱已經(jīng)起不到加固的作用；B組的最終能量消耗為0.45kw.h如果繼續(xù)通電還有上升趨勢(shì)，說明B組試驗(yàn)在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電滲反應(yīng)還在發(fā)生。

從能量消耗的曲線上可以得出在電滲過程中的電滲反應(yīng)情況，在一定程度上可以作為停止通電及增加電壓的參考點(diǎn)，當(dāng)能量消耗曲線趨于水平時(shí)此時(shí)可以選擇停止通電，如果想繼續(xù)使電滲發(fā)生則必須提高電源的輸出電壓，合理使用能量消耗曲線能夠節(jié)約不必要的通電時(shí)間。

在整個(gè)電滲過程總的能量消耗為3.2kw.h，而A、B兩組試驗(yàn)的總有效耗能為0.62 kw.h占總能耗的19.4%，其能量主要消耗在直流變壓器以及土體的接觸電阻上面，可見電滲的電能利用率較低，因此在電能利用率這方面還需要做進(jìn)一步的深化研究。

在通電結(jié)束后立即對(duì)A、B兩組試驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量，每組試驗(yàn)取30個(gè)強(qiáng)度測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)電極周圍取3個(gè)點(diǎn)，陰陽(yáng)兩極之間分散取了15個(gè)點(diǎn)，土體各個(gè)地方的強(qiáng)度值由這30個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度值繪制出等勢(shì)線來代替（如圖5和圖6）。

從圖5，圖6我們可以看到A、B組試驗(yàn)土樣加固后都是陽(yáng)極區(qū)域強(qiáng)度最大，陰極區(qū)域強(qiáng)度最小，中間區(qū)域強(qiáng)度居中；A組陽(yáng)極區(qū)域最大值僅為58kpa并且離陽(yáng)極越遠(yuǎn)強(qiáng)度值越低，而B組加固后的土體強(qiáng)度最小值都比A組的最大值大，陰陽(yáng)兩極之間的強(qiáng)度值相差較小，整個(gè)土體加固強(qiáng)度比較均勻；由上述可知陽(yáng)極布置多的B組電流強(qiáng)度較大，電滲發(fā)生的劇烈程度較高，最后體現(xiàn)到加固后的土體強(qiáng)度上；比較兩組試驗(yàn)的能量消耗與加固后土體強(qiáng)度的提升情況，可以以一定的能量消耗為代價(jià)換取更好的加固效果，同時(shí)在加固過程中時(shí)時(shí)結(jié)合能量消耗曲線用來監(jiān)測(cè)電滲發(fā)生的情況以便于更充分的利用電能。

總而言之結(jié)合電流變化曲線、能量消耗曲線以及土體加固后強(qiáng)度等勢(shì)線可以得出：電滲過程中電流的大小對(duì)土體的電滲反應(yīng)程度有著決定性作用，而電極的布置卻是影響電流大小的決定性因素，所以在電滲過程中合理選擇陰陽(yáng)極的數(shù)量及電極布置情況，對(duì)電滲加固效果及能量消耗都有著重要的影響

結(jié)論：

多陽(yáng)極布置情況下電滲加固后的軟黏土的抗壓強(qiáng)度提高較大并且整個(gè)土體抗壓強(qiáng)度比較均勻，在電滲時(shí)應(yīng)盡可能多的布置陽(yáng)極；電源電壓恒定時(shí)，多陽(yáng)極布置情況下電滲的電流強(qiáng)度較高有利于縮短電滲時(shí)間，提高電滲效率；多陽(yáng)極布置的情況下能量消耗是多陰極布置情況下的三倍，但其加固后平均強(qiáng)度提高明顯，且整體性好，因此可以以定的能量消耗為代價(jià)換取更好的加固效果。

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司馬磊磊（1985– ），男，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：復(fù)雜地質(zhì)問題處理。

王頌科（1989–），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向：軟土地基處理及固化。