劉飛禹，張 樂，王 軍，張 斌

（1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072；2.溫州大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；3.上海市電力公司，上海 200122）

電滲法具有加固速度快，對細(xì)顆粒、低滲透性土有良好的加固效果等優(yōu)點(diǎn)［1］，且具有排出土體中弱結(jié)合水的功效。Esrig［2］于1968年最早進(jìn)行了電滲固結(jié)理論研究，提出了電滲的一維固結(jié)經(jīng)典理論。之后，Shang［3］推導(dǎo)了電極平面內(nèi)的二維固結(jié)理論。Su等［4］在Esrig一維固結(jié)理論的基礎(chǔ)上采用分塊處理的方法進(jìn)行了二維固結(jié)理論的解析，提出了電滲的二維固結(jié)理論。Zhuang等［5］對電滲過程中的界面電阻問題進(jìn)行了分析。李瑛等［6－8］開展了含鹽量對軟黏土電滲排水、電壓對一維電滲排水影響的試驗(yàn)研究，并建立了堆載與電滲法聯(lián)合作用下的耦合固結(jié)理論。Glendining等［9－11］對 EKG 開展了研究，并對其使用范圍進(jìn)行了推廣。Chew等［12］使用銅絲與塑料排水板制作EVD，盡管現(xiàn)場未達(dá)到預(yù)期效果，但EVD的設(shè)計理念對電滲排水具有積極影響。Micic等［13］，龔曉南等［14］利用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，分別證明了間歇通電技術(shù)對電滲加固過程的促進(jìn)作用，但間歇通電技術(shù)也造成了加固周期過長等實(shí)際問題。Gray等［15］、Lo等［16］對電極轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行了研究，表明了電極轉(zhuǎn)換技術(shù)的有益性，但也暴露了電極轉(zhuǎn)換過程不易有效控制的難題。李瑛等［17］開展了等電勢梯度下電極間距對電滲影響的試驗(yàn)研究，表明采用較小的電極間距能夠促進(jìn)電滲加固效果。

但是，電滲法的應(yīng)用也受到電滲過程中界面電阻增大、陰陽極區(qū)域土體含水率下降不均勻、土體電滲透系數(shù)降低等問題的困擾。針對上述問題，若是在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，當(dāng)陽極區(qū)土體因固結(jié)排水產(chǎn)生土體收縮，進(jìn)而脫離陽極導(dǎo)致陽極區(qū)界面電阻急劇增大時，能夠?qū)㈥枠O拔出（或使用新陽極）向陰極跟進(jìn)，插設(shè)于靠近陰極且土體含水率較高的區(qū)域，將能夠使陽極與周圍土體重新接觸，使急劇增大的界面電阻有效減小，并能夠使原先遠(yuǎn)離陽極區(qū)而未能得到有效加固的土體得以進(jìn)一步加固。筆者將上述方法命名為陽極跟進(jìn)技術(shù)，并設(shè)計了8組室內(nèi)試驗(yàn)，以期通過試驗(yàn)得到關(guān)于陽極跟進(jìn)技術(shù)的有益結(jié)論。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 土樣制備

試驗(yàn)土樣取自溫州龍灣吹填現(xiàn)場。試驗(yàn)前，將土樣烘干、磨成干粉并加水?dāng)嚢?，制成目?biāo)含水率65%的重塑土樣，密閉靜置24h以保證土樣均勻。土樣制備過程中，對試驗(yàn)土體基本物理參數(shù)進(jìn)行測試，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 軟黏土基本物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主體采用有機(jī)玻璃模型箱，模型箱由左右兩側(cè)的集水室和中間的試樣室組成。試樣室與兩側(cè)的集水室通過下端帶有切口的有機(jī)玻璃隔板分隔，切口高20mm，使試樣室與集水室聯(lián)通以收集電滲排出水，集水室中心處預(yù)留小孔并安裝導(dǎo)管，供電滲排出水流入量筒。試樣室內(nèi)部長寬高尺寸為200mm×100mm×100mm。上述有機(jī)玻璃箱左右兩端各設(shè)置一個集水室的構(gòu)造特點(diǎn)，可滿足試驗(yàn)過程中進(jìn)行電極轉(zhuǎn)換試驗(yàn)的要求。

陽極和陰極均采用金屬鐵板制成，電極寬度與試樣室寬度相同，為100mm，電極高度110mm，高出模型箱10mm，以便于通過電源夾將陰陽極接入電路，電極板厚度為3mm。其中，電滲陽極表面平整密實(shí)不做加工處理，電滲陰極在陽極的基礎(chǔ)上進(jìn)行表面鉆孔處理，并于一側(cè)表面平貼一層紗布作為過濾層，以防止土顆粒流入集水室。試驗(yàn)用跟進(jìn)陽極采用不銹鋼金屬網(wǎng)制成，電極高寬尺寸110mm×100mm，厚度小于1mm。

試驗(yàn)電源采用固緯SPD－3606穩(wěn)壓直流電源，可提供最大120V的輸出電壓或最大12A的輸出電流。電源能夠?qū)崟r顯示電路中的電流值與電壓值。試驗(yàn)量測裝置中，采用量筒量測電滲出流量，采用萬用表與電勢測針進(jìn)行土體電勢測量。在陰陽兩極中軸線上每間隔25cm設(shè)置1根電勢測針，共設(shè)置7根測針，從陰極到陽極依次編號為Dl、D2、D3、D4、D5、D6和D7。測針采用長度為10cm、直徑1mm的不銹鋼絲，豎直插入土體，入土深度為7cm。

1.3 模型安裝

將配制好的土樣靜置24h后，如圖1所示，按下述安裝步驟進(jìn)行模型安裝。首先，將電滲電極適當(dāng)濕潤后安裝在試驗(yàn)盒中，并開始分層裝填小心擠壓以使土樣處于密實(shí)狀態(tài)。按照電勢量測要求，在土中插入電滲測針，按照試驗(yàn)電路圖設(shè)置要求連接電極、電源、萬用表。最后，根據(jù)試驗(yàn)方案施加電壓開始電滲排水。

2.4 試驗(yàn)方案

此次陽極跟進(jìn)作用下軟黏土電滲試驗(yàn)共設(shè)置8組對比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2所示。

圖1 模型安裝平面圖

試驗(yàn)開始前，取樣測量土樣的含水率、pH值、電導(dǎo)率、電滲電極質(zhì)量等基本參數(shù)。試驗(yàn)過程中，間隔1h記錄1次電流強(qiáng)度、電勢變化以及電滲出流，定時拍照記錄土樣產(chǎn)生的變化。試驗(yàn)結(jié)束后，利用室內(nèi)微型十字板對土體進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測量，并同時取樣進(jìn)行含水率、土體pH值和電導(dǎo)率測試。

陽極跟進(jìn)位置為土樣3等分處，共3處位置，從陽極到陰極依次命名為間隔1、間隔2、間隔3，表中所示時間為每次陽極跟進(jìn)作用的持續(xù)時間。此次陽極跟進(jìn)選取電勢梯度1V／cm，在不同跟進(jìn)位置輸出相應(yīng)電壓。

表2 試驗(yàn)方案

表2中所示試驗(yàn)Ⅰ為基本實(shí)驗(yàn)，陽極不跟進(jìn)。試驗(yàn)Ⅱ?yàn)轭A(yù)插跟進(jìn)陽極試驗(yàn)，在土樣3等分位置，預(yù)插3塊跟進(jìn)陽極。試驗(yàn)Ⅲ為電極轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行12h后進(jìn)行電極轉(zhuǎn)換，繼續(xù)作用12h。試驗(yàn)Ⅳ到試驗(yàn)Ⅷ為陽極跟進(jìn)試驗(yàn)，跟進(jìn)方案如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 電流變化

試驗(yàn)中，以初始土體截面積0.01m2換算電流密度，則電流密度為80、50、20A／m2時，電路中電流值分別為0.8、0.5、0.2A。

圖2為試驗(yàn)Ⅰ到試驗(yàn)Ⅷ電路中電流強(qiáng)度的變化情況。由圖可知，除去各試驗(yàn)中由于陽極跟進(jìn)或電極轉(zhuǎn)換作用引起的電流跳躍之外，電路中的電流強(qiáng)度呈現(xiàn)整體先增大后減小的變化規(guī)律；陽極跟進(jìn)作用以及電極轉(zhuǎn)換作用均可引起電路中電流的顯著增加。由于電路中的電勢梯度保持不變，故可從電阻的變化情況對電流強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行解釋。進(jìn)行電阻分析時，將電路中的電阻劃分為陽極區(qū)電阻、中間部位土體電阻、陰極區(qū)電阻3個部分進(jìn)行考慮。其中陽極區(qū)設(shè)定為從金屬陽極到離開陽極25mm的區(qū)域范圍內(nèi)，陰極區(qū)設(shè)定為從金屬陰極到離開陰極25mm的區(qū)域范圍內(nèi)，則陰極區(qū)、陽極區(qū)電阻分別包含電極與土體的界面電阻以及區(qū)域內(nèi)25mm范圍內(nèi)的土體電阻2個部分。

由圖2（a）可見，試驗(yàn)Ⅲ中電極轉(zhuǎn)換作用引起了電流增加，然而電極轉(zhuǎn)換引起的電流增加持續(xù)時間較短，1h內(nèi)電流密度便迅速降至20A／m2之下，表明電極轉(zhuǎn)換1h后電滲作用便基本失去了加固效果，反映了電極轉(zhuǎn)換不易操作控制的事實(shí)，其實(shí)際處理效果也弱于試驗(yàn)Ⅰ。同時，試驗(yàn)Ⅱ預(yù)插跟進(jìn)陽極時，電流強(qiáng)度值低于試驗(yàn)Ⅰ，表明預(yù)插跟進(jìn)陽極對電滲作用具有一定的不利影響，這主要與預(yù)插跟進(jìn)陽極會額外產(chǎn)生金屬陽極與土體間的界面電阻有關(guān)。

由圖2（b）、（c）、（d）、（e）可以看出，相同電勢梯度作用下陽極跟進(jìn)引起的電流增加持續(xù)時間較長，這與陽極跟進(jìn)作用改變了各部分電阻的構(gòu)成情況密不可分。電滲中，陽極區(qū)土體干燥收縮以及氣體排出，導(dǎo)致陽極區(qū)界面電阻增加；陰極區(qū)氣體排出引起陰極區(qū)界面電阻增加。陽極區(qū)土體干燥也會引起土體電阻的增加。此外，中間部位土體因含水率降低等原因也會引起電阻增加。

然而，本次試驗(yàn)中對電勢變化監(jiān)測的情況表明，陽極區(qū)電勢突變最為明顯，表明陽極區(qū)內(nèi)電阻增加值占電路中整體電阻增加值比例最高，陽極區(qū)內(nèi)的電阻增加對電滲電路中電流的下降起到了決定性作用。因此，當(dāng)陽極區(qū)土體達(dá)到處理效果之后，將陽極相對陰極進(jìn)行跟進(jìn)，使得電滲電路規(guī)避了原先的陽極區(qū)電阻，電滲效率得以大幅提高，這是陽極跟進(jìn)技術(shù)得以發(fā)揮作用的原因所在。

圖2 電流強(qiáng)度曲線

由圖2（b）可見，試驗(yàn)Ⅳ、Ⅴ的電流強(qiáng)度在試驗(yàn)早期與試驗(yàn)Ⅰ的變化規(guī)律一致，試驗(yàn)中期高于試驗(yàn)Ⅰ，試驗(yàn)?zāi)┢诼缘陀谠囼?yàn)Ⅰ。電流值低于試驗(yàn)Ⅰ可能與試驗(yàn)Ⅳ、Ⅴ早期土體處理效果較好，土體電阻增加值較大有關(guān)。試驗(yàn)Ⅳ、Ⅴ的電流強(qiáng)度變化要優(yōu)于試驗(yàn)Ⅰ，試驗(yàn)Ⅴ的電流強(qiáng)度值要優(yōu)于試驗(yàn)Ⅳ。

試驗(yàn)Ⅳ在進(jìn)行第2次陽極跟進(jìn)后，電流強(qiáng)度值下降速率增大，進(jìn)行第3次陽極跟進(jìn)后，電流在瞬間增加后迅速降低并趨于0，表明頻繁（間隔時間較短）進(jìn)行陽極跟進(jìn)反而會降低電滲效率。試驗(yàn)Ⅳ在進(jìn)行第2次陽極跟進(jìn)時，電路中電流密度在60A／m2的高位，此時進(jìn)行陽極跟進(jìn)可能會打破土體中已形成的導(dǎo)電體系，進(jìn)而降低電滲效率。

由圖2（c）可以看出，試驗(yàn)Ⅵ在陽極跟進(jìn)后電流強(qiáng)度值高于試驗(yàn)Ⅰ，其中試驗(yàn)Ⅵ在進(jìn)行第2次陽極跟進(jìn)后電流值降低速率增大。第2次陽極跟進(jìn)發(fā)生在電流密度在60A／m2的高位。綜上可見，與試驗(yàn)Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ相比，試驗(yàn)Ⅴ的電流強(qiáng)度變化值表現(xiàn)最優(yōu)。

圖2（d）顯示了試驗(yàn)Ⅰ與試驗(yàn)Ⅴ、試驗(yàn)Ⅶ的電流強(qiáng)度變化情況。試驗(yàn)Ⅶ在陽極跟進(jìn)后電流強(qiáng)度值高于試驗(yàn)Ⅰ。當(dāng)試驗(yàn)Ⅶ在試驗(yàn)開始后18h、電流密度20A／m2時進(jìn)行第2次陽極跟進(jìn)時，電流強(qiáng)度有小幅跳躍增長，這可能與土體經(jīng)歷18h的電滲處理后，跟進(jìn)部位土體已較為干燥、電阻較大有關(guān)。從整體電流變化來看，試驗(yàn)Ⅶ的第2次陽極跟進(jìn)對電滲效果仍有促進(jìn)作用，但由于電流密度為20A／m2時電滲效率已較低，其最后6h的電滲加固效果有限。

圖2（e）顯示了試驗(yàn)Ⅰ與試驗(yàn)Ⅴ、試驗(yàn)Ⅷ的電流強(qiáng)度變化情況。試驗(yàn)Ⅷ在第1次陽極跟進(jìn)后電流強(qiáng)度值高于試驗(yàn)Ⅰ。當(dāng)試驗(yàn)Ⅷ在試驗(yàn)開始后18h、電流密度20A／m2時進(jìn)行第2次陽極跟進(jìn)時，電流強(qiáng)度在明顯跳躍增加后迅速降低并趨于0。試驗(yàn)Ⅷ的第2次陽極跟進(jìn)與試驗(yàn)Ⅳ的陽極跟進(jìn)位置一致，均為間隔3處，即陰極區(qū)土體界面位置。上述試驗(yàn)表明，針對陰極區(qū)土體進(jìn)行陽極跟進(jìn)，但陽極跟進(jìn)并未出現(xiàn)電流值增大現(xiàn)象，表明對陰極區(qū)土體進(jìn)行陽極跟進(jìn)是無效的。

2.2 抗剪強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)束后，將土體沿深度方向等分為兩層、沿陰極到陽極方向等分為4段，共8個區(qū)塊。于第1層表面每段中心部位利用室內(nèi)微型十字板剪切儀進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試，于每個區(qū)塊表面的中心部位取土進(jìn)行含水率、土體pH值等指標(biāo)測試，每處取土不少于40g。

表3列出了試驗(yàn)Ⅰ到試驗(yàn)Ⅷ第1層土體各測試位置的十字板抗剪強(qiáng)度值。靠近陽極區(qū)的土體抗剪強(qiáng)度高于靠近陰極區(qū)的土體，且陽極跟進(jìn)提高了原先遠(yuǎn)離陽極區(qū)的土體抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)Ⅳ到試驗(yàn)Ⅷ中陽極跟進(jìn)作用形成的新陽極區(qū)，其土體抗剪強(qiáng)度甚至高于初始陽極區(qū)土體的抗剪強(qiáng)度，顯示了陽極跟進(jìn)技術(shù)的有效性。由于試驗(yàn)Ⅳ中陽極跟進(jìn)間隔時間相同，試驗(yàn)Ⅳ中除陰極區(qū)土體抗剪強(qiáng)度值較低外，其余位置抗剪強(qiáng)度值較為均勻。

表3 土體抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度的差異性表明，當(dāng)陽極區(qū)土體達(dá)到處理要求時，便可進(jìn)行第1次陽極跟進(jìn)，跟進(jìn)位置設(shè)在尚需處理的土體中。在進(jìn)行后續(xù)陽極跟進(jìn)時，優(yōu)先根據(jù)土體處理效果決定何時進(jìn)行跟進(jìn)，以免造成局部土體處理效果過好，導(dǎo)致能耗過高資源浪費(fèi)。

2.3 排水量和含水率變化

圖3為各組試驗(yàn)土體累積出流量隨時間的變化規(guī)律。由圖3（a）、（b）可以看出，試驗(yàn)Ⅰ土體排水優(yōu)于試驗(yàn)Ⅱ與試驗(yàn)Ⅲ，而試驗(yàn)Ⅳ土體排水則優(yōu)于試驗(yàn)Ⅰ，同時陽極跟進(jìn)作用下各組試驗(yàn)的土體排水均優(yōu)于試驗(yàn)Ⅰ，表明了陽極跟進(jìn)的有效性。試驗(yàn)Ⅳ、Ⅵ土體累積排水較少的原因，可能與第1次陽極跟進(jìn)后作用時間較短有關(guān)，未能充分利用第1次陽極跟進(jìn)產(chǎn)生的較高電流密度。

圖4顯示了各組試驗(yàn)不同位置處土體含水率的分布情況。各試驗(yàn)中土體含水率均表現(xiàn)出陽極區(qū)土體含水率低，陰極區(qū)土體含水率較高的規(guī)律。由圖4（a）、（b）可以看出，試驗(yàn)Ⅰ的土體處理效果優(yōu)于試驗(yàn)Ⅱ與試驗(yàn)Ⅲ，試驗(yàn)Ⅳ、試驗(yàn)Ⅴ、試驗(yàn)Ⅵ在陽極跟進(jìn)作用下土體處理效果均優(yōu)于試驗(yàn)Ⅰ，其中試驗(yàn)Ⅴ處理效果較試驗(yàn)Ⅳ與試驗(yàn)Ⅵ處理效果要好。

圖3 土體累積出流量

由圖4（c）可以看出，試驗(yàn)Ⅴ、試驗(yàn)Ⅶ、試驗(yàn)Ⅷ在陽極跟進(jìn)作用下土體處理效果均優(yōu)于試驗(yàn)Ⅰ，其中試驗(yàn)Ⅶ、試驗(yàn)Ⅷ的處理效果優(yōu)于試驗(yàn)Ⅴ。試驗(yàn)Ⅶ與試驗(yàn)Ⅷ在一層土體含水率分布情況上表現(xiàn)較為接近。由圖4（d）、（e）可以看出，在各組不同陽極跟進(jìn)方案的試驗(yàn)中，試驗(yàn)Ⅶ的處理效果表現(xiàn)最好。

2.4 土體電導(dǎo)率和pH值

表4為各組試驗(yàn)不同位置土體pH值的分布情況。由表4可見，在電滲作用下由于試驗(yàn)過程中的電化學(xué)反應(yīng)，陰極區(qū)土體pH值較處理前土體的pH值普遍提高，陽極區(qū)土體pH值較處理前土體的pH值有所降低。處理效果越好的組次，其陰極區(qū)土體pH值越高、陽極區(qū)土體pH值越低。pH值變化的越顯著，表明了土體內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)越強(qiáng)烈，也反映出陽極跟進(jìn)能夠促進(jìn)電滲過程。

表4 土體pH值

圖4 土體含水率分布

表5為各組試驗(yàn)不同位置土體電導(dǎo)率值的分布情況。電滲作用后，越靠近陽極區(qū)，土體電導(dǎo)率值越大，大于處理前的土體電導(dǎo)率值4.96，越靠近陰極區(qū)，土體電導(dǎo)率值越小。同時，陰極區(qū)土體pH值越高，土體電導(dǎo)率值越低，表明土體電導(dǎo)率的降低與電化學(xué)反應(yīng)引起的酸堿度的變化密切相關(guān)。

表5 土體電導(dǎo)率

2.5 陽極腐蝕量

圖5為各組試驗(yàn)中陽極質(zhì)量減小值，此處定義為陽極腐蝕量。試驗(yàn)中陽極1到陽極4的命名根據(jù)實(shí)際作用時陽極跟進(jìn)的次數(shù)與先后順序確定，其中，陽極1為初始陽極，陽極2、3、4均為跟進(jìn)陽極。由圖5可以看出，電滲處理效果與陽極腐蝕量成正比，陽極腐蝕量越大，表明電滲作用效率越高；當(dāng)電滲作用基本停止時，陽極腐蝕量也基本為0。

圖5 陽極腐蝕量

此外，試驗(yàn)Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ的陽極腐蝕量大于試驗(yàn)Ⅰ、試驗(yàn)Ⅱ、試驗(yàn)Ⅲ，表明陽極跟進(jìn)導(dǎo)致了陽極腐蝕量的增加，也間接表明陽極跟進(jìn)促進(jìn)了土體的電滲固結(jié)。從試驗(yàn)Ⅱ陽極2的質(zhì)量減小可以看出，預(yù)插跟進(jìn)陽極會使跟進(jìn)陽極產(chǎn)生一定的腐蝕。從試驗(yàn)Ⅳ可以看出，陽極2、3、4的陽極腐蝕量依次減小，表明第2次與第3次陽極跟進(jìn)其電滲加固效果均小于第1次陽極跟進(jìn)。試驗(yàn)Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ也得到同樣的結(jié)論。

3 結(jié)論

1）采用陽極跟進(jìn)技術(shù)可有效降低電路中陽極區(qū)電阻，提高電滲加固效果。

2）采用陽極跟進(jìn)技術(shù)時，第1次陽極跟進(jìn)效果最為顯著。

3）電滲法加固軟黏土地基過程中，針對陰極區(qū)土體開展陽極跟進(jìn)無法獲得顯著的加固效果。

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