间歇通电联合电极移动作用下电渗法加固滩涂淤泥试验研究

曾芳金， 袁莉莉， 符洪涛， 王军， 海钧， 石常鑫

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省岩土与工程灾害控制重点实验室，江西 赣州 341000；3.温州大学建筑与土木工程学院，浙江 温州325035；4.浙江省软弱土地基与海涂围垦工程技术重点实验室，浙江 温州325035；5.浙江省海涂围垦及其生态保护协同创新中心，浙江 温州325035）

电渗法是在软黏土的两端通直流电，使黏土中的自由水和弱结合水随水化阳离子一起向阴极移动，从而达到排水固结的一种地基处理方法．电渗法的发展历程始于19世纪初俄国学者Reuss发现了黏土中的电渗现象，1939年德国工程师Cassagrande首次将这种方法用于铁路路基的加固工程．随后电渗法被大力推广应用于斜坡、堤岸和水坝等加固工程，都取得了一定的效果．由于电渗法本身存在着电极腐蚀严重以及能耗高等缺点，限制了电渗法的进一步推广应用．同时众多学者对于电渗法的作用机理并未有一致认可的理论，所以其作用机理也待进一步研究．

近二十年来随着经济的高速发展，沿海发达城市建设用地紧缺，填海造陆和滩涂开发引起了人们的广泛关注．滩涂淤泥是滩涂开发主要原材料之一，其具有含水率高、渗透性低和强度低的特点，无法满足施工要求，需要对软黏土进行快速排水固结处理．传统的真空预压技术存在具有排水固结缓慢、后期真空度传递受损和塑料排水板淤堵等问题[1]，基于此，电渗法又重新成了软土地基加固工程中的研究热点．目前大多数研究是以室内试验模拟各种不同条件下的电渗排水，以便掌握加固特性，达到处理效果和降低造价的目的．如：陶燕丽[2]分别采用了梅花形、长方形、平行错位三种电极布置形式；陈卓[3]、王协群[4]等研究了通过电极反转来改善土体酸碱不平衡；刘飞禹[5]研究了逐级加压对加固吹填土的影响；申矫健[6]、曾芳金[7]等研究了成层软粘土电渗的相关参数受界面性质影响；S．Glendining[8]和胡俞晨[9]提出了用电动土工合成材料与土工织物制作电极，但是存在导电电极电阻率很高，电能消耗很大．李瑛[10]发现电势梯度下电极间距减半可以加快电渗排水，降低土体含水率，但是会增大阳极的腐蚀量．而陶燕丽[11]、王军等[12]指出间歇通电可以减少电渗过程中的电极腐蚀和电能消耗．基于此，笔者将间歇通电和减半电极间距相结合，以期达到更好的处理效果．

在以往的电渗过程中发现靠近阴极部分的土体处理效果远不如靠近阳极部分，形成了明显的沉降和强度差异，因此，文中拟通过将间歇通电和减半电极间距相结合的电渗试验，来减缓电极的腐蚀和提高土体加固后的均匀性．

1 试验过程

1.1 土样制备

试验土样取自温州某工程围垦现场，试验前，先把滩涂淤泥烘干、粉碎、搅拌，配成重塑土样．密闭静置24 h以后开始分层装样，其基本物理指标如表1所示．

表1 滩涂淤泥的基本物理指标

1.2 试验模型装置

电渗固结试验装置是由试验槽、电极板、直流电源（SPD-3606）、量筒组成，为了减小对土体的扰动，新阳极材料用一级圆钢筋代替，插入位置在试验槽的正中心，如图1所示．

图1 电渗试验装置示意（单位：mm）

1.3 试验方案

试验分为两个阶段进行．第1阶段：保证试验通电时间均为28 h，进行了5组不同通断比的电渗试验，如表2所示，确定合理的通断时间比（通电时间/间歇时间）．第2阶段：在第1阶段的基础上，选出效果最佳的一组进行电极跟进．当试样通电8 h之后，将电极间距减半，以研究加固效果．

表2 电流间歇的试验方案

1.4 试验步骤

试验前，在试验槽内贴一层土工膜；在两侧安置好绑扎好反滤层的电极，分层装样；接通20 V的电源开始电渗试验．试验结束后，将试样分表层、中层、底层三层，分别进行十字板剪切强度、含水率测定和土体pH值测定．试验的各参数测点位置如图2所示．

图2 取样位置点

2 试验结果及分析

2.1 合理通断比的确定

电渗处理区长为20 cm，在20 V的稳压输入下，试验的电势梯度为1 V/cm，每间隔半小时读取电流值．根据第1阶段的5组试验数据整理得出电流随时间的变化情况 （图3）．从图3可以看出，所有组电流强度随电渗时间的延长而呈现出先增大后减小的趋势．电渗早期电流增大是和土体成分的非均质特性有关，在土体形成的导电路径增多导致电流增大，当试验进行到后期，由于界面电阻增大和通路中的土性发生了变化，导电路径受到阻断[13]使得电流下降．

在电渗初级阶段 （0～8 h），5组电流都达到最大值，分别为 1．58 A、1．68 A、1．52 A、1．77 A、1．78 A．由图3可知，不同的通断比电流变化不同，间歇周期越长，相同通电时间最后趋于稳定的电流相对越高．到了试验的后期，电流趋于稳定．

图3 电流随时间的变化

电渗过程中不同通断比累计排水量随时间变化曲线如图4所示．由图4可知，试验的初期阶段（0～8 h）不同通断比与持续通电累计排水量差别不是很大，基本呈线性增长，随着试验的进行，不同通断比累计排水量出现了明显的差异性．T4、T5均比T2、T3排水量多．主要原因是断电时间太长，在断电过程中排水会暂时停止，在毛细现象及反向水力梯度作用下，把已经转移到阴极部位的部分水又回流到阳极[14]．

图4 排水量随时间的变化

综合以上指标分析可知，保证相同的电渗通电时间，通电4 h,断电30 min,为最佳的通断比．在此基础上增加T6试验组，其通断比、试验时间与T5相同，在通电8 h后，在试验槽中部插入新阳极进行电渗试验，对T5和T6的土体沉降、含水率、土体pH和抗剪强度的变化情况进行分析．

2.2 土体沉降

土体表面沉降随时间的变化关系如图5所示.从图5中可以得出，通电3 h时，T5和T6的沉降没有明显差别；通电28 h时，T6的1、2号位置比T5沉降量均增大3 mm，因为在通电8 h之后在土体中部插入新阳极，电渗处理间距减小，电势梯度增大.通过土体的电流密度增大，加速阴极部位水排出，从而增大阴极部位沉降量.结果表明间歇通电后期将电极减半有利于改善土体沉降不均.

图5 土体表面沉降随时间的变化

2.3 含水率

测T5、T6距离阴极不同深度、不同位置的土样含水率值，含水率的分布情况如图6所示，由图6可知，阴极含水率明显比阳极含水率高.这是因为水是由阳极向阴极移动，在试验的后期因为电渗效率的降低，阴极水无法排出.

图6 含水率变化情况

在通电8 h之后将电极间距减半可以明显降低阴极部分的含水率.T6的1号位置点和2号位置点含水率比T5分别降低了11.45%、13%，靠近阳极的4号和5号的两个测点含水率相差不大.主要原因是T6在试验第二阶段，将电极间距减半，加速了靠近阴极部位的电渗排水效果，而靠近阳极的土体未继续进行处理.说明在通电8 h之后，将电极间距减半，可以有效地提高靠近阴极部位的电渗排水效率.

2.4 抗剪强度

试验结束后采用微型十字板剪切仪进行抗剪强度测定，分三层取样，每层的取样点见图2，然后取各截面所测数据的平均值作为该截面的抗剪强度值，土体抗剪强度分布情况如图7所示.T6比T5的1，2号位置点抗剪强度分别提高了17 kPa，19 kPa，表明T6在通电8 h之后将电极间距减半可以有效提高电渗固结效果.因为输出电压保持不变，将电极间距减半，电势梯度变为原来的两倍，电渗效果得到了提高[15].从图6可知，T6比T5的3号位置点含水率相差仅1.3%，而抗剪强度提高了2.7 kPa,这是因为在试样的新阳极区发生氧化反应，生成Fe（OH）3胶体，从而膨胀加密了新阳极区的土体.结合图6可知，抗剪强度变化与含水率的变化具有相关性，含水率的降低的越多，抗剪强度相应的提高越大.

图7 抗剪强度的变化曲线

2.5 土体pH值

在试验结束后，发现阴极板上析出少量的白色颗粒，这可能是土壤中的钙镁离子和阴极电解产生的 OH-生成的 Ca（OH）2和 Mg（OH）2.

将测完含水率的土样烘干、捣碎后以1∶5的土-水质量配成悬浊液，静置30 min后测pH值，测点位置如图2所示.初始的土体pH值为8.1，图8显示的是电渗结束后土体的pH的变化情况.由图8可以得出靠近阳极的pH下降，靠近阴极的pH上升.试样T6靠近阴极土体的pH值变化量大于试样T5的pH变化值，因为试样T6在试验8 h之后电极间距减半，电压保持不变，电势梯度增加为2V/cm，加速了电化学反应.

图8 试验后土样pH值

3 结 论

文中以温州垦区滩涂淤泥为研究对象，为了验证间歇通电联合阳极跟进方法的有效性及加强阴极附近土体的加固效果，进行了6组室内模型试验，研究表明：

1）间歇通电联合阳极跟进可以有效地改善土体不均匀沉降，便于后期工程施工的开展.

2）电渗法采用间歇通电联合阳极跟进方案，处理效果较好，靠近阴极附近土体的含水率明显下降、抗剪强度得到提高，土体抗剪强度的差异性明显得到改善.

3）间歇时间不宜超过2 h，间歇时间过长会明显影响土体的排水量.建议通电4 h，间歇时间30 min可以有效提高排水效率.

4）电渗排水试验的电极采用金属材料时，阳极附近土体加固效果是由电渗排水和胶体膨胀加密共同作用.

5）电极间距是电渗过程中一个重要的参数，将电极间距减半可以有效地加强电渗效果，加速靠近阴极的电渗排水，对排水固结有十分明显的作用，但是对阴极土体的pH值变化有所影响.

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