萬 勇，楊 慶，楊 鋼

（1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院巖土工程研究所 ，遼寧大連116024；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

電勢梯度對海相淤泥電滲試驗(yàn)的影響

萬 勇1，2，楊 慶1，2，楊 鋼1，2

（1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院巖土工程研究所 ，遼寧大連116024；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

基于自制的固結(jié)裝置研究了電勢梯度對海相淤泥電滲試驗(yàn)的影響。通過試驗(yàn)過程中的電流、電勢和排水量的測試結(jié)果及加固前后土體含水率和抗剪強(qiáng)度的變化，得出以下結(jié)論：有效電勢隨電滲過程逐漸降低，且電勢梯度越大，降低的速率越大；電勢梯度會明顯影響土體的電流和排水量，較高電勢梯度下排水速率較大、電流衰減較快，最終的排水量也增多；隨電勢梯度增加，土體含水率下降更明顯、強(qiáng)度增高的幅度更大，因此海相淤泥加固效果更好，但同時會導(dǎo)致平均能耗變大和陽極腐蝕量增加；電滲加固海相淤泥效果較好，但電滲處理前應(yīng)根據(jù)工期和成本共同確定電勢梯度。

電滲；電壓梯度；海相淤泥；有效電勢；陽極腐蝕

海相淤泥廣泛分布于我國沿海海域，由于其含水率高、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等不良的工程特性，在應(yīng)用于實(shí)際工程之前必須進(jìn)行排水固結(jié)。常用的堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓等排水固結(jié)方法在處理類似高粘粒含量、低滲透性的海相淤泥時往往受到限制［1］，難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

電滲法是在土體兩端施加直流電，引起土體內(nèi)部離子定向移動，從而帶動水分子一起運(yùn)動的固結(jié)方法，其最大優(yōu)點(diǎn)是排水速率快且與土顆粒粒徑無關(guān)，是軟土材料高效脫水和快速固結(jié)的有效技術(shù)。

自1939年Casagrande［2］首次成功地將電滲技術(shù)應(yīng)用于鐵路挖方工程后，大量學(xué)者對電滲技術(shù)展開了研究 ，如用不同電極材料［3－5］研究電極－土電勢損失和抑制電極腐蝕 ，利用間歇通電［6］、電極反轉(zhuǎn)［7－8］、電滲聯(lián)合加載［9－10］等技術(shù)提高電滲固結(jié)效果、研究電極布置形式［11］對電滲排水效率的影響等等。但目前電滲技術(shù)還沒有廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，主要因?yàn)殡姖B過程比較復(fù)雜，不同土樣在物理和化學(xué)性質(zhì)上的差異會導(dǎo)致差別很大的電滲效果［1］，所以在確定電滲法處理大連海相淤泥之前有必要研究一些基礎(chǔ)試驗(yàn)，如電勢梯度對電滲的影響。

本文針對大連海相淤泥，在自制的裝置上進(jìn)行了電壓梯度為0.6 V／cm、0.8 V／cm和1.0 V／cm的一維電滲試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)過程中電勢、電流和排水量，及加固后土體的強(qiáng)度和含水率，以期得到電勢梯度對該海相淤泥電滲效果的影響，為實(shí)際工程提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自大連市臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地的工程海域，天然狀態(tài)下物理參數(shù)如表1所示?？紤]到原狀土有貝類、石子等雜質(zhì)，各組試驗(yàn)材料采用原狀土的重塑樣，具體過程包括風(fēng)干、碾碎、篩分及加水拌合等過程，之后靜置12 h以保證土樣含水率均勻，各試驗(yàn)結(jié)束后均重新制備土樣。

表1 原狀土的基本物理參數(shù)

用產(chǎn)自德國的X射線熒光光譜儀（SRS－3400）對原狀土粉末進(jìn)行XRF分析，得到土顆粒主要的化學(xué)組分結(jié)果如表2所示，可看出該海相淤泥富含氯鹽和硫酸鹽。

表2 XRF 組分分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置為長方體有機(jī)玻璃箱，具體尺寸如圖1所示，中間部分用來容納300 mm×150 mm× 150mm的試驗(yàn)土樣，兩端為設(shè)有排水通道的隔間。試驗(yàn)采用150 mm×170 mm×3 mm的板狀鐵電極，其上均勻分布直徑5mm的小孔，電滲過程中排出的水體經(jīng)排水孔和導(dǎo)管收集到下方的量筒中。蓋板示意圖如圖1（c）所示，其上預(yù)設(shè)2mm的小孔，試驗(yàn)中用直徑1.5mm的銅探針量測土體的電勢分布。

圖1 電滲裝置示意圖（單位：mm）

電源采用MPS－6005L－1型穩(wěn)壓直流電源，其最大電流為5 A，最大電壓為60 V；量測儀器包括量筒和萬用表；固結(jié)后的土體，采用產(chǎn)自新西蘭的MCC－GEO1153微型十字板剪切儀量測其抗剪強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)步驟

（1）經(jīng)計(jì)算取適量原狀土粉末和水，攪拌均勻后靜置12 h，隨機(jī)選3處測量抗剪強(qiáng)度和含水率；

（2）稱取鐵電極重量，并用濾紙包裹陰極板以防止土體堵塞陰極排水孔，適當(dāng)濕潤兩電極后安置在模型箱相應(yīng)位置；

（3）裝置內(nèi)壁均勻涂抹黃油，分多層密實(shí)地填裝土樣至150mm高度，量筒中加入初始50mL的水并通過導(dǎo)管與陰極出水口相連；

（4）蓋上蓋板、插入探針，調(diào)節(jié)電源輸出電壓后接通電路，每隔一段時間測量土體的電流、各探針的電勢、量筒中水的體積；持續(xù)通電直到三小時內(nèi)平均每小時的排水體積小于5mL時斷開電源；

（5）洗凈電極后稱量，用十字板剪切儀測量土體抗剪強(qiáng)度，并進(jìn)行含水率試驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟均參考《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237－1999），匯總各組試驗(yàn)的初始條件如表3所示，試驗(yàn)中初始含水率的略微差別不影響試驗(yàn)結(jié)果。

表3 初始試驗(yàn)條件匯總

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電勢

電流通過電極和土?xí)r，會在界面處產(chǎn)生電勢損失。本試驗(yàn)中探針V1和V7（如圖1所示）距陽極和陰極的距離為1 cm，占電滲土體長度的3%，故可認(rèn)為V1和V7與電極間的電勢差為電極－土接觸損失電勢，而V1和V7之間的電勢差為土體的有效電勢Ve，可由以下公式計(jì)算：

式中：Va和Vc分別表示陽極和陰極處電極－土接觸損失電勢；V0表示加在兩電極間的總電勢。

圖2表示試驗(yàn)T1～T3前36 h內(nèi)有效電勢Ve隨時間的變化關(guān)系曲線。

圖2 前36 h有效電勢隨時間變化曲線

由圖2可以看出，開始通電時試驗(yàn)T1、T2和T3的有效電勢分別為外加電壓的86%、87%和83%，到36 h時線性降低到75%、67%和57%，說明有效電勢隨時間而減小，而且電勢梯度越高，有效電勢降低的速率越快。主要原因是隨著電滲不斷地排水，陽極附近土體含水率逐漸減小，與陽極接觸電阻變大，導(dǎo)致陽極界面電勢損失增加、有效電勢減??；較高的電勢梯度下，電滲排水速率較快，陽極接觸電阻增加的速率較大，從而界面電勢損失也快速增加、有效電勢快速下降。

2.2 排水量和電流

土體的排水量隨時間的變化關(guān)系如圖3所示，圖中曲線的斜率即為排水速率。從圖3可知：各曲線0～6 h內(nèi)排水量與時間呈線性關(guān)系，表明排水速率恒定，且電勢梯度越高排水速率越大；6 h后排水速率隨時間逐漸地降低直至穩(wěn)定，主要與有效電勢和電流的變化有關(guān)。電滲透系數(shù)可通過Esring［14］理論計(jì)算：

式中：ve為電滲排水速率（mL／s）；ke為電滲透系數(shù)〔cm2／（V?s）〕；Δφ和L分別為土體的有效電勢與電流方向上土體的長度。

圖3 排水量隨時間變化

式（2）計(jì)算出前6 h土體的平均電滲透系數(shù) ke＝7.97×10－5cm2／（V?s），與Mohamedelhassan［3］試驗(yàn)結(jié)果（marine sediment，ke＝9.16×10－5cm2／（V?s））比較相近，相比李瑛［15］結(jié)果偏大（杭州土，ke＝（3～6）×10－5cm2／（V?s）），因?yàn)楹Ｏ嘤倌嗪}量較高、電導(dǎo)率較大，電滲過程中有更多的正離子拖曳水分子向陰極移動，導(dǎo)致電滲透系數(shù)增大；對比水力系數(shù)kh（表1所示）可知，電滲透系數(shù)高出水力滲透系數(shù)102以上，說明對于該海相淤泥，電滲排水速率遠(yuǎn)高于水力排水速率。

各組試驗(yàn)的最終排水量和持續(xù)時間如表4所示，從表4中可看出初始含水率一定時，電勢梯度較高的土體電滲持續(xù)時間短，最終累計(jì)排水量多，說明電勢梯度越大，平均排水速率越快，排水效率越高。主要因?yàn)檩^高的電勢梯度下，土體中電場強(qiáng)度較大，對離子有更大的牽引力，從而離子遷移的速度增加，帶動水分子迅速地向陰極移動并被排出。

為了表現(xiàn)電滲結(jié)束時，單位排水量消耗的平均電能，引入平均能耗系數(shù)ˉβ：

式中：V0為電源提供電壓為 t1時刻和 t2時刻電流的平均值；Qt為電滲最終排水量。

由ˉβ計(jì)算值可以看出，電勢梯度并不是越大越好，過高的外加電壓下，排出單位體積水需要消耗更多的電能。

表4 試驗(yàn)持續(xù)時間和最終排水量

圖4顯示了不同電勢梯度下電流隨時間的變化關(guān)系，圖4中可看出電滲開始時，土體的電流值較大，主要因?yàn)楹Ｏ嘤倌嗪}量大，通電時可自由移動離子多，導(dǎo)致電阻率減小、電流增大；初始電流與電壓呈正比，說明初始含水率相同的土體電阻相同。區(qū)別于焦丹等［16］的結(jié)果，通電開始4 h內(nèi)電流會小幅增加，達(dá)到一個峰值，且增加的幅度隨電勢梯度的升高而增加；4 h后電流隨時間衰減至0.1 A左右，主要因?yàn)殡S著電滲不斷排水，土體含水率下降、電阻增大，而且有效電勢隨時間逐漸減小，導(dǎo)致電流不斷下降。

圖4 電流隨時間的變化

對比不同電勢梯度下電流的變化關(guān)系可發(fā)現(xiàn)，電勢梯度越大，電流衰減得越快，主要是因?yàn)槌跏己氏嗤瑫r，電勢梯度大的土體在相同時間內(nèi)排水量增多，造成土體電阻增大、電流降低。

2.3 含水率和強(qiáng)度

電滲加固后土體含水率和強(qiáng)度的變化量將影響電滲法的應(yīng)用，對電滲工程有重要的意義。本試驗(yàn)采用微型十字板剪切儀量測電滲前后土體的強(qiáng)度，測點(diǎn)分布在圖1（b）所示的M1斷面～M5斷面上，每個斷面取4個測點(diǎn)；然后在同一斷面取上、中、下6個測點(diǎn)進(jìn)行含水率試驗(yàn)；將所測的含水率和強(qiáng)度值取平均值后表現(xiàn)在圖5和圖6中。

圖5 電滲后土體含水率分布

圖6 電滲后土體強(qiáng)度曲線

由圖5和圖6可以看出，除陰極周圍（離陰極3 cm以內(nèi)）土體以外，土體含水率由初始的70%降到40%以內(nèi)，降幅達(dá)40%以上；十字板剪切強(qiáng)度由試驗(yàn)前小于2 kPa（流塑狀）增加到20 kPa以上，增幅達(dá)10倍以上，說明電滲法能有效地降低該海相淤泥的含水率，提高其抗剪強(qiáng)度。

對比圖5和圖6可知，電勢梯度對電滲加固效果影響明顯，對同一含水率的土體，電勢梯度越高，土體含水率降低地越多、強(qiáng)度提升地越大，土體加固的效果越好。加固后的土體強(qiáng)度提升和含水率降低的最大值出現(xiàn)在陽極附近，在陰極附近最小，總體上表現(xiàn)為從陽極到陰極含水率升高、強(qiáng)度降低的趨勢。

各組試驗(yàn)中陰極附近（距3 cm內(nèi)）的土體含水率較高，強(qiáng)度較低，主要因?yàn)殡姖B過程中水體由陽極向陰極流動，而隨著電滲進(jìn)行電流逐漸減小，以至于試驗(yàn)后期沒有足夠的牽引力把水分子排出而匯聚在陰極周圍；同時電解反應(yīng)會在陰極產(chǎn)生氣體，氣體逸出會導(dǎo)致土體疏松而阻礙水分子的運(yùn)移。

2.4 腐蝕量

電滲中電解反應(yīng)會逐漸地消耗陽極，通過稱量試驗(yàn)前后電極的重量可以得到陽極腐蝕量。定義系數(shù)ζ如下：

式中：ζ表示消耗 1 g陽極土體排出水的體積（mL／g）。

各組試驗(yàn)的陽極腐蝕量和系數(shù)ζ計(jì)算值如表5所示。由表5可看出，各組試驗(yàn)的陽極腐蝕量占電極重量的5%以上，且腐蝕量隨電勢梯度的增加而增加，但增加量與電勢梯度不成比例；此外，系數(shù) ζ隨著電勢梯度的增加而減小，說明高電勢梯度下單位腐蝕量的排水量減小，即用于電滲排水的有效腐蝕量減小，電極的有效利用率降低，所以高電勢梯度會造成電極的浪費(fèi)和電滲工程成本的增加。

表5 陽極腐蝕量

3 結(jié) 論

本文針對大連海相淤泥進(jìn)行了不同電壓梯度下的一維電滲試驗(yàn)研究，得到了電滲過程中各個參數(shù)隨電勢梯度變化的規(guī)律，總結(jié)如下：

（1）電滲法能有效降低海相淤泥含水率，增加其抗剪強(qiáng)度，加固效果比較明顯，高電壓梯度下，土體加固的效果更好。

（2）電極－土界面電勢損失隨電滲過程逐漸增大，會降低土體的有效電勢，且電勢梯度越大，有效電勢降低的速率越快。

（3）較大電勢梯度下電滲持續(xù)時間短、最終排水量大，從而土體排水速率較快、效率較高，能有效的縮短電滲工期，但會導(dǎo)致電流衰減得較快，且電能消耗增加；同時會引起陽極腐蝕量增多，且單位腐蝕量的排水量降低。

（4）電滲法可以用來固結(jié)大連海相淤泥，但電勢梯度的確定要同時考慮工程成本和實(shí)際工期。

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Electro－osmotic Experiment on Marine Sludge of Different Voltage Gradients

WAN Yong1，2，YANGQing1，2，YANGGang1，2
（1.Institute ofGeotechnical Engineering，School of Civil Engineering，Dalian University of of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China；2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China）

To improve electro－osmotic consolidation effect ofmarine sludge，a series of one－dimensional electro－osmotic laboratory experimentswith different voltage gradientswere conducted with self－made apparatus.Through the test results of electric current，voltagegradientsand drainage，aswellas the variation ofwater content，and undrained shear strength before and after the consolidation test，the conclusionswere drawn as follows.Effective potential decreases along with electro－osmotic process，the higher the voltage gradient is the faster the reduction rategoes；voltage gradienthasa significant impacton electro－osmotic consolidation，high voltage gradient can accelerate the drainage ratio of soil，the decay of electric current and the ultimate drainage；with the increasing of voltage gradient，the consolidation effect ofmarine sludge becomes better because the decrementofwater content ismore obvious and the improvement of shear strength is greater，however，the average energy consumption coefficient and anode corrosion increase aswell；electro－osmosis is an effective consolidationmethod ofmarine sludge，butvoltage gradientshould be determined by actual time and costsof the project.

electro－osmosis；voltage gradient；marine sludge；effective potential；anode corrosion

TU411

A

1672—1144（2014）04—0094—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.017

2014－03－13

2014－04－08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179023）

萬 勇（1989—），男 ，湖北天門人 ，碩士研究生 ，研究方向?yàn)檐浲撂幚怼?/p>