一维电渗固结过程中土体性质变化规律研究★

裴美娟，杨 鹏，李乐晗

(兰州石化职业技术大学土木工程学院，甘肃 兰州 730060)

1 概述

电渗固结排水方法是一种优良的处理高含水率细颗粒土体的加固方法，土体的电渗系数对土体颗粒大小不敏感，同时，其排水动力主要依靠电势场，无需外部荷载的作用，能够避免软土因受力发生剪切破坏。1806年，电渗现象被观测到，但是直到20世纪30年代中期才首次被应用于实际工程，Casgrande成功地将该方法应用于铁路路基的排水，取得了良好效果后，该方法逐步受到了研究者的关注，开展了大量的试验、理论研究，推动了该方法的发展，近年来随着沿海、沿河工程的建设，电渗法的应用得到了迅速发展[1-2]。

Esrig[3]最先基于叠加原理和太沙基渗流固结原理，提出了较为完整的一维电渗固结理论，并给出了不同排水边界下的解析解。考虑到电渗固结方程属于含有源项的二阶抛物线型偏微分方程，为了解决复杂边界条件下的求解问题，Wan,Mitchell等[4]学者开展了相关的数值算法。苏金强、王钊[5]进一步在Esrig理论模型的基础上，基于分块的思想提出了二维电渗固结理论模型，解决了平行排布形式下的电渗固结孔压计算问题。电势场作为电渗固结排水的主要驱动力，电极排布形式是电渗固结排水加固效果的重要影响因素，不同形式下电势场分布不同会产生不同的效果，同时不同形式下的排水效率、能耗表现、电流变化幅度及电极腐蚀情况也表现出差异[6-10]。电渗固结过程中伴随着复杂的电化学过程，引发土体性质的变化，导致电渗效率降低，并且在电渗后期表现较为强烈，杨晓宇等[11-12]提出了相关的分段迭代的算法，实现了有效电势变化情况下的负孔隙水压力计算。

电渗固结过程，由于土体水分的迁移排出，以及化学反应的发生，土体的性质实际上是在发生变化的，电势场的分布随着电渗过程的进行处于动态变化之中，Esrig理论中以及多数相关的理论研究中，电势项是一个常量，与时间无关，导致无法反映出这一客观因素，计算结果与真实情况存在偏差。针对这一问题，有必要详细地确定出电渗过程中土体性质以及各项电渗指标变化规律，分析出引发变化的原因及影响程度，以此为后续相关理论研究提出基础性的支持。围绕上述问题，开展了一维电渗固结模型的试验研究，分析电渗过程中各项性能及电学指标的变化规律，有助于进一步认识电渗固结过程，对电渗排水固结方法的实际应用具有积极促进作用。

2 试验方案

为进一步探究分析电渗固结过程中的相关参数变化规律，开展室内试验研究，以实测数据分析表征变化规律，为理论研究、工程应用提供支撑。

2.1 试验模型及材料

自行设计了电渗固结所用的Miller box箱，利用该模型箱进行一维的电渗试验研究，电渗土体模型长为25 cm，宽度为15 cm，高度为20 cm，在长度方向的左右两侧配有隔离槽，底部开有排水孔，用于土中水的汇集与排出。土体采用淤泥质土，土样取自某基坑现场，土样经烘干、碾碎进行重塑，配置土体为饱和状态，电渗前土体含水率(质量分数)约为36%。电渗电源采用直流电源，型号为PS-605D，该电源最大供电电压能够达到60 V，容许最大电流5 A。试验中电渗电压设置为25 V，即阴极-阳极方向的电势梯度为1 V/cm；为了测定电渗过程中土体不同位置处电势值的变化，采用金属探针进行测定，金属探针采用细铁丝制成，直径约2 mm，其高度约5 cm，金属探针顶端连接导线引出，以方便万用表进行电压测量。电极采用不锈钢板状电极，阳极板不开孔，阴极板开有排水孔用于孔隙水的排出。

试验模型平面布置图见图1，位于两端的金属探针用于测定土体与电极之间的接触电压，两处金属探针距离电极板均为1 cm，其余金属探针每隔4.6 cm进行放置，从阴极至阳极金属探针依次编号1,2,3,4,5,6。两侧隔离槽底部的排水孔直径为2 cm，阴极侧隔离槽中加入小颗粒碎石，以防止排出的土体堵塞排水孔。

2.2 试验步骤

首先，将原状土体取回后碾压、烘干进行重塑，然后补水至饱和状态，并测定土体试样的含水率；将电极板插入到Miller box箱中，并将电极板与直流电源用导线进行连接。在电极板之间加入试验土体(如图2所示)，电极板外侧的隔离槽内添加细颗粒碎石，防止流出水夹带的土体堵塞排水孔，在阴极侧的排水孔下放置集水盒，用于收集电渗排出的水。待土体全部加入后，依据方案在预定位置处插入金属探针，金属探针顶部露出土体表面1 cm。土体高度达到15 cm时停止加入。模型静置24 h后，启动电源，直流电源全程保持25 V的电压，试验总时间为102.5 h。每2 h进行一次测定电势值、电流、排水量数据的读取与记录。

3 试验结果分析

图3为电渗过程中，电流及排水质量随时间的变化曲线。初始时刻电渗模型中的总电流为0.41 A，在前20 h内，电流下降速度较快，第20小时时，电流值为0.12 A，下降了约70.7%，这反映出电渗过程在这一时间段内排水效果较好，在20 h后，电流的变化幅度变得较为平缓，直到电渗结束，即102.5 h时，电流值降低到了0.03 A。电渗中电流的变化呈现出降低的趋势，并且在电渗初期电流降低幅度较大，中后期电流变化幅度较小。

而排水量是反映电渗排水效果的重要指标，图3中排水曲线与电流的变化相反，为单调递增的趋势，并且在初期排水量曲线变化较快，随着电渗的持续进行，排水速率在不断降低，最终接近平缓，结束时达到排水量为1 173.9 g。

通过金属探针测定了6个位置处电势值的变化，这里以阴极为0电势参考面，即阴极处电势值记为0，得到各个测定处电势随时间变化曲线，如图4所示。可以看出，各个测定的电势值均表现出先随时间增大，后发生降低的趋势。并且距离阴极越近，增大幅度越大，越靠近阳极，电势值的变化幅度越小。

图5为模型在不同时刻的电势分布，初始时刻电势从阴极到阳极基本呈线性分布，而随着电渗的进行靠近阴极端的测定电势上升幅度较大，探针2处变化最大，但总体上电势分布较接近线性分布形式：

图6为通过排水量以及土体截面面积和模型长度，利用实测值计算的土体电渗透系数的变化曲线，公式如式(1)所示：

(1)

其中，ve为电渗流速度；ke为土体电渗透系数，m/(V·s)；ΔV为电渗电压；L为模型长度；A为模型的横截面面积。

初始时刻模型中孔隙水的量较大，模型刚接通电源后，电化学反应明显，电渗系数出现突变，在短时间内达到峰值后，呈现出降低的趋势。需要指出的是实测的排水量是总的排水量，包含电渗流和水力渗流，由于电渗中电渗流起主导作用，因此，可以近似的进行替代，进行初步的土体电渗系数的估算。

对于一维电渗模型而言，土体电渗模型可以考虑为串联电路，通过模型中的总电流是相同的，而总电压全程保持25 V，因此可以得到模型总电阻的变化，如图7所示，从初始时刻的60.7 Ω，基本呈线性增大的趋势，结束时达到了806.5 Ω，变化幅度较大。由于土体的电导率与土体中的孔隙水相关，电阻的增大直接反映出了土体水分排出的程度。此外，通过金属探针1和金属探针6的电势值，可以计算出阴、阳极的截面电压值，进而得到土体-电极界面处的电阻变化，见图7。可以发现，模型中电阻的变化主要是土体电阻的变化，界面电阻变化的影响幅度是小于土体电阻变化的。再者，一维电渗模型中，电阻的变化基本保持了较好的线性趋势。

综上，电渗过程中土体性质以及电势场均会随着电渗的进行发生一定幅度的改变，这主要与电渗过程中的化学反应以及孔隙水的排出有关。电化学反应造成金属电极腐蚀，进而加大了界面电阻，使得真正作用在土体两端的电压下降，造成电渗法后期效率低下、能耗较高的问题。而土体中的孔隙水对于土体的电学性质有着较大影响，随着水分的排出，电渗模型的总电阻持续增大，当无法进行排水时，电阻大小基本达到峰值。因此，在相关的电渗固结理论研究中，有必要考虑这些性质变化的影响，尤其应当考虑电势场的变化，Esrig理论中电势项是一个常量，无法反映出电势场的实际变化，这是其局限性之一。

4 结论

为了探究电渗过程中土体性质的变化规律，围绕该问题展开了室内试验研究，在自制的Miller box箱中进行了试验研究，测定了土体模型内不同位置处的电势值，分析了测点电势变化以及模型电阻的变化，主要研究结论如下：

1)电渗过程中，受到电化学反应以及孔隙水的流出，会造成土体电导率的改变，并且排水速度以及电流的变化，均在初期变化幅度较大，中后期逐渐平缓。

2)随着电渗的进行，土体中各点处的电势值在发生改变，主要原因在于两个方面：a.电极-土体界面的接触程度发生了改变，导致接触电压的增大，有效电势出现了降低；b.土体自身电导率的降低并非是均匀的，因此会导致局部部分土体电阻值偏大或偏小，导致各段电压并非相等。