（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢430072）

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢430072）

為了研究電場(chǎng)作用下含鹽量不同的蒙脫石粘土的滲透特性，利用自制的室內(nèi)電滲試驗(yàn)裝置，完成了4種含鹽量的蒙脫土電滲試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的排水量、電流、電勢(shì)及試驗(yàn)后含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè).結(jié)果表明：蒙脫土在電場(chǎng)作用下的滲透性顯著增大，40 V電壓情況下電滲排水速率約為常規(guī)滲透速率的1 000倍；受蒙脫石自身分子結(jié)構(gòu)及電解質(zhì)濃度的影響，電滲系數(shù)隨含鹽量的增加先增大后減小，在0.5%附近達(dá)到最大排水量；土體兩端有效電勢(shì)隨含鹽量增加而減小，電流反之增大，陰陽(yáng)兩極電勢(shì)降增大，表明界面處的能耗隨含鹽量增加而增大；陰陽(yáng)兩極板短接后，電滲過(guò)程中電荷發(fā)生重分布，電滲結(jié)束后，土體內(nèi)電勢(shì)分布不均勻，中間區(qū)域電勢(shì)最低，土體各處電流方向不一致.

電滲；排水；土體含鹽量；蒙脫石

蒙脫石粘土又稱膨潤(rùn)土，因其膨脹性和低滲透性被廣泛應(yīng)用于核廢料處理的緩沖回填材料.它的高吸水膨脹性可密封各種施工縫隙并緩沖圍巖壓力，低水力滲透性能有效阻障地下水滲流、核素遷移，降低輻射物擴(kuò)散，成為一道阻滯輻射物擴(kuò)散的化學(xué)屏障［1］.膨脹力、滲透系數(shù)和脹縮變形量作為膨潤(rùn)土水-力學(xué)性能評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)已經(jīng)得到相當(dāng)多學(xué)者的重視［2］，在核廢料深層地質(zhì)處置中，考慮膨潤(rùn)土的滲透特性非常重要.Pusch［3］對(duì)膨潤(rùn)土中鹽度與滲透性的關(guān)系進(jìn)行了研究.Komine［4］、Shirazi等［5］對(duì)不同種類膨潤(rùn)土及滲透特性進(jìn)行了研究.牛文杰等［6］對(duì)高廟子膨潤(rùn)土不同條件下的水力學(xué)特性進(jìn)行了分析.孫文靜等［7］對(duì)浸水飽和的高廟子鈣基膨潤(rùn)土進(jìn)行試驗(yàn)以研究其滲透特性.雖然蒙脫石粘土比一般粘土的滲透性更低，但放射性核廢料在衰變過(guò)程中，放出各種射線，并發(fā)生電離和激發(fā)作用，從而會(huì)形成電場(chǎng).在電場(chǎng)作用下蒙脫石粘土?xí)l(fā)生電滲透，使其滲透性增大，可能導(dǎo)致核污染物質(zhì)泄漏，因此，需要針對(duì)蒙脫石粘土進(jìn)行電滲試驗(yàn)研究.

電滲透是指土中極化水分子在電場(chǎng)作用下從陽(yáng)極向陰極的定向移動(dòng)［8］，在巖土工程領(lǐng)域，利用該技術(shù)進(jìn)行透水性很差，水力傳導(dǎo)系數(shù)非常小的、高含水率土體的電滲加固已經(jīng)有了比較廣泛的研究.自Casagande［9］首次用電滲法加固德國(guó)某鐵路挖方工程后，國(guó)內(nèi)外對(duì)電滲的研究及工程應(yīng)用便不斷增多，如從能量的角度對(duì)電滲過(guò)程及機(jī)理進(jìn)行了分析和研究［10-11］；利用電極轉(zhuǎn)換［12］、間歇通電［13］、電極采用新型的電動(dòng)土工合成材料［14-15］等技術(shù)手段提高電滲效果；對(duì)電滲和傳統(tǒng)預(yù)壓等方式聯(lián)合應(yīng)用的研究［16-17］等.已有對(duì)電滲的研究多偏重于在地基處理中的效果，而蒙脫石粘土在電滲作用下的滲透特性極少受到研究者的關(guān)注.在實(shí)際的處置庫(kù)運(yùn)營(yíng)中，近場(chǎng)化學(xué)條件十分復(fù)雜，地下水具有一定的化學(xué)成分和濃度，地下水中的堿金屬離子會(huì)與蒙脫石層間陽(yáng)離子發(fā)生交換.因此，在研究蒙脫石粘土的滲透性時(shí)，電場(chǎng)和孔隙水鹽溶液濃度的影響值得進(jìn)一步研究.

本文采用電滲的方法，利用自制的模型箱對(duì)蒙脫石粘土的主要組成礦物蒙脫石進(jìn)行室內(nèi)電滲試驗(yàn)，研究蒙脫石粘土在電場(chǎng)作用下的滲透性，以及含鹽量對(duì)蒙脫石電滲性狀的影響，以期為以后蒙脫石粘土的滲透性研究及改良防滲性能提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)容器為自制的有機(jī)玻璃模型箱，如圖1所示，整個(gè)裝置分為上部土樣盒和下部集水盒兩部分.土樣盒尺寸為20 cm×12 cm×12 cm，土樣盒在陰極區(qū)域底部設(shè)有排水孔，電滲過(guò)程中聚集到陰極的水會(huì)通過(guò)土樣盒底部的排水孔流入集水盒中，再通過(guò)集水盒下的塑料導(dǎo)管流入量筒中以測(cè)量排水量.圖1中，C1～C4表示測(cè)點(diǎn)位置.

電極采用EKG導(dǎo)電塑料板，其活性較低，可以減弱采用金屬電極帶來(lái)的化學(xué)腐蝕等不利影響.

試驗(yàn)電源采用ps—305d型直流電源，可以提供最大50 V的輸出電壓或者最大5 A的輸出電流，能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作并保證穩(wěn)壓輸出.由于EKG電極材料本身的電阻相對(duì)較大，考慮到試驗(yàn)過(guò)程中的電壓損耗和電滲效率，電壓采用40 V穩(wěn)壓輸出.

測(cè)量工具：VC890D型號(hào)的數(shù)字萬(wàn)能表用于電流和電勢(shì)的測(cè)量；PB602-N型號(hào)的電子秤和101—2A型號(hào)的電熱鼓風(fēng)干燥箱用于稱重和含水量測(cè)試.

1.2 試驗(yàn)材料

鑒于蒙脫石粘土的蒙脫石含量在85%～95%之間，故本試驗(yàn)土料采用商用蒙脫石，液限約為115%，顆粒級(jí)配曲線如圖2所示.每組試驗(yàn)均根據(jù)設(shè)定的含鹽量、含水率和試樣的體積計(jì)算并量取相應(yīng)的蒙脫石干粉、水和鹽.實(shí)驗(yàn)中鹽采用NaCl，含鹽量為NaCl質(zhì)量與干粉質(zhì)量的比值，先將鹽完全溶于水中，再用溶解好的鹽水制作飽和土樣.

圖2 試驗(yàn)材料的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Grading curve of the test material

鑒于海相粘土的含鹽量較高，大多在2%～3%之間，而且已有的工程和試驗(yàn)資料表明［18］，土體電滲透性最大時(shí)的含鹽量要低于海相粘土，因此在低含鹽量范圍內(nèi)對(duì)滲透性進(jìn)行研究更有實(shí)際意義，所以綜合考慮到試驗(yàn)的對(duì)比效果，最終的含鹽量依次定為0.1%、0.5%、1.0%和5.0%.

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

整個(gè)試驗(yàn)按照含鹽量分為4組，如表1所示.由于試驗(yàn)條件限制，每個(gè)試驗(yàn)均采用間歇通電的方式，白天通電9 h，晚上斷電15 h，試驗(yàn)過(guò)程和步驟均相同，都可分為3部分：試驗(yàn)前、中、后.

試驗(yàn)前：（1）測(cè)量土樣的初始含水量（表1）；（2）在土樣盒兩端安裝電極，分4層密實(shí)裝填土樣，每層約為2.5 cm，共填土10 cm；（3）按圖1（a）所示連接電路插入電勢(shì)測(cè)針，靜置24 h后打開電源，試驗(yàn)開始.

試驗(yàn)中：（1）在輸出電壓達(dá)到40 V的瞬間讀取電路中的即時(shí)電流，最大電流和最大電流出現(xiàn)的時(shí)刻；（2）每隔30 min測(cè)量該時(shí)間間隔內(nèi)的排水體積，該時(shí)刻下的瞬時(shí)電流和各測(cè)針處的瞬時(shí)電勢(shì)；（3）當(dāng)土體24 h內(nèi)不再排水或累計(jì)通電時(shí)間達(dá)到65 h時(shí)，移除電源；（4）用導(dǎo)線將陰陽(yáng)兩極板短接，并與電流表組成通路，見圖1（b），每隔30 min測(cè)量電路中的瞬時(shí)電流和各測(cè)針處的瞬時(shí)電勢(shì)；（5）同樣在白天接通電路，夜晚斷開電路，累計(jì)通路30 h結(jié)束試驗(yàn).

表1 試驗(yàn)條件匯總表Tab.1 Summary of test conditions %

試驗(yàn)后：依次取陰極、陽(yáng)極及中間3個(gè)區(qū)域，上、下兩個(gè)位置共6個(gè)土樣，進(jìn)行含水量測(cè)試，取樣點(diǎn)位置分布見圖3.

圖3 取樣點(diǎn)位置分布圖（正視圖，單位：cm）Fig.3 Locations of sampling points（front view，unit：cm）

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 電滲排水量與排水速率

（1）電滲排水量

累計(jì)排水量隨通電時(shí)間的變化曲線如圖4所示.由圖4可知，4組試驗(yàn)曲線的變化趨勢(shì)基本相同，在電滲的初始階段，排水速率最大，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電滲累計(jì)排水量的增長(zhǎng)速率變慢，曲線增長(zhǎng)變緩并收斂，當(dāng)通電時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，總排水量不再發(fā)生變化.由于間斷通電，當(dāng)再次通電時(shí)，不會(huì)馬上排水，因此，每條曲線在增長(zhǎng)階段均存在水平線段.

為了進(jìn)一步說(shuō)明蒙脫石的電滲排水特點(diǎn)，圖4中選取了含鹽量為0.5%的軟粘土電滲排水曲線［19］進(jìn)行比較，很明顯蒙脫石的電滲排水效果遠(yuǎn)不及軟粘土，這與蒙脫石自身的分子結(jié)構(gòu)有關(guān).一方面蒙脫石吸水膨脹后排水孔道減少；另一方面由于晶格置換，使晶體表面電化學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)，吸附陽(yáng)離子和極性分子的能力增大，進(jìn)而使電滲排水受到抑制作用.在剛開始通電的2 h內(nèi)，4組土體的累計(jì)排水量曲線都近似直線且接近重合，說(shuō)明此時(shí)土體的排水幾乎不受鹽分多少的影響.由于含鹽量差異使得電滲排水量曲線有了明顯不同.文獻(xiàn)［19］在軟粘土電滲試驗(yàn)中也得出相同的規(guī)律，即土體存在一個(gè)使其電滲透性最大的含鹽量值，且其值與土體種類有關(guān).圖4顯示含鹽量為0.5%的試樣排水量最多，電滲透性最大，曲線各階段的斜率也最大.含鹽量越高，斜率越小，線性增長(zhǎng)階段的時(shí)間越短.

圖4 電滲排水量曲線Fig.4 Cumulative volumes of water collected by electro-osmosis drainage

蒙脫石粘土電滲作用隨含鹽量先增加后減小的規(guī)律可以通過(guò)蒙脫石中水分子的排列方式和Stern雙電層理論［20］來(lái)解釋.一方面，隨著Na+濃度增加，Na+周圍的束縛態(tài)水分子增多，即向陰極移動(dòng)時(shí)所攜帶的水分子增多，有利于電滲排水.另一方面，根據(jù)Stern雙電層模型，Na+濃度的增加會(huì)使雙電層擴(kuò)散層產(chǎn)生壓縮，使陽(yáng)離子從擴(kuò)散層轉(zhuǎn)移到Stern層，即Na+被吸附到土顆粒表面不可移動(dòng)層，擴(kuò)散層中陽(yáng)離子數(shù)目降低，水分子含量下降，所以電滲排水受到抑制.兩個(gè)方面的作用使得電滲排水量隨含鹽量先增后減，存在最大值.

（2）電滲排水速率

電滲排水速率隨通電時(shí)間的變化過(guò)程如圖5所示.初始通電時(shí)，除了5%的初始排水速率稍低以外，其余3組土體試樣的排水速率相差不大，但在接下來(lái)的幾個(gè)小時(shí)中，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的排水速率升高，而試驗(yàn)3和試驗(yàn)4的排水速率降低.原因是低含鹽量的土體隨著水分的排出，溶液中離子濃度相應(yīng)提高，更接近最大排水含鹽量.隨著通電時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，4組試驗(yàn)的排水速率均不斷降低，且含鹽量大的排水速率衰減相對(duì)較快.

圖5 電滲排水速率曲線Fig.5 Electro-osmosis drainage rate

圖6 電滲排水量與含鹽量的關(guān)系Fig.6 Relationship between electroosmosis drainage and salinity

由圖6可以看出，電滲排水曲線在含鹽量為0.1%～1.0%的區(qū)間變化很大，且通電時(shí)間越久，排水曲線在0.1%～0.5%區(qū)間內(nèi)上升越快，在0.5%～1%區(qū)間內(nèi)下降也越快，可以確定試驗(yàn)用土樣電滲最大排水含鹽量應(yīng)該在0.5%左右.

2.2 電流強(qiáng)度變化

（1）通電過(guò)程中電流變化

圖7顯示土體含鹽量越高，電路中電流就越大.當(dāng)每次斷電后再通電時(shí)，4組試驗(yàn)的電流均出現(xiàn)突變升高，然后迅速下降至斷電前的電流以下，并且繼續(xù)按照原電流曲線的下降趨勢(shì)繼續(xù)下降.去除圖中電流突變點(diǎn)，將曲線的趨勢(shì)進(jìn)行擬合，得到函數(shù)表達(dá)式，4組試驗(yàn)均說(shuō)明電流隨時(shí)間是近似呈負(fù)指數(shù)趨勢(shì)變化的，見圖8.

對(duì)比電滲排水量與排水速率曲線可知，排水量和排水速率隨電流的減小而增大，說(shuō)明由于土體電阻減小引起的電流增大并不能提高電滲排水效果.

（2）陰陽(yáng)兩極短接后電流變化

通電結(jié)束后移除電源，將兩極板與電流表連成通路，電路中電流與時(shí)間關(guān)系曲線見圖9.陽(yáng)極板與電流表的紅色端口相連，陰極板與黑色端口相連，測(cè)得電流為正值，即電流是從陽(yáng)極板流向陰極板，則土體內(nèi)部負(fù)電荷是由陽(yáng)極區(qū)域向陰極區(qū)域移動(dòng)，說(shuō)明外電場(chǎng)作用下土體內(nèi)部電荷發(fā)生重分布.陰陽(yáng)兩極短接后的電流隨著含鹽量的增加而增大，表明在電滲過(guò)程中，土體的含鹽量越高，即土體內(nèi)陰陽(yáng)離子越多，電荷累積量越大.當(dāng)不考慮短接后前2～3 h的電流速降，電流變化的整體趨勢(shì)仍然符合負(fù)指數(shù)關(guān)系.

圖7 電流隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of current with time

圖8 去除突變點(diǎn)后電流與時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Variation of current with time after removing mutation points

2.3 電勢(shì)分布

（1）通電過(guò)程中各點(diǎn)電勢(shì)分布

4組含鹽量不同的電勢(shì)曲線變化規(guī)律相似，只選取最接近最大排水含鹽量的曲線進(jìn)行分析.圖10為0.5%含鹽量的各測(cè)點(diǎn)電勢(shì)隨時(shí)間變化的曲線.由圖10可知，初始時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)之間的電勢(shì)差最大，在剛通電后2～4 h內(nèi)各測(cè)點(diǎn)電勢(shì)有小幅上升，然后逐漸下降，隨著電滲的繼續(xù)進(jìn)行，各測(cè)點(diǎn)處的電勢(shì)變化趨勢(shì)曲線近乎吻合.在30 h以后的曲線趨勢(shì)與電流的趨勢(shì)曲線非常相似，間歇通電同樣會(huì)引起各測(cè)點(diǎn)的電勢(shì)出現(xiàn)沖擊-回落現(xiàn)象.

圖9 短接后電流隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of current with time after plates connected

圖10 含鹽量0.5%時(shí)各點(diǎn)電勢(shì)隨時(shí)間的變化Fig.10 Variation of voltage with time at 0.5%salinity

不同時(shí)刻各測(cè)針的電勢(shì)如圖11所示.從圖11中可以看出，除了在兩極處電勢(shì)的明顯躍變外，電壓隨距陰極的距離呈線性分布.4組試驗(yàn)在電滲開始時(shí)刻兩極均出現(xiàn)很大的躍變損失，這是由于EKG電極板本身的電阻及電極與土體之間的接觸電阻所致.隨著電滲時(shí)間的增加，陽(yáng)極處土體失水干縮開裂，上部甚至與陽(yáng)極板脫離，界面電阻增大，C4測(cè)針與陽(yáng)極之間的電壓很高，實(shí)際用于電滲排水固結(jié)的電壓要比電源電壓小很多.電勢(shì)的不均勻分布也與含水率不均勻?qū)е碌耐馏w各部分電阻不均勻有關(guān).

圖11 含鹽量0.5%時(shí)不同時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)電勢(shì)的分布Fig.11 Voltage profile of 0.5% salinity at different time

（2）通電過(guò)程中土體兩端有效電壓

將加在土體兩端的實(shí)際電壓，即電源電壓扣除陰陽(yáng)兩極的電勢(shì)躍變值后的電壓，稱作有效電壓，記為φe，單位為V，則有

式中：φ為電源輸出電壓，V；

Δφa為陽(yáng)極與土體間的電勢(shì)損失，V；

Δφc為陰極與土體間的電勢(shì)損失，V.

本試驗(yàn)中，測(cè)針C1與陰極、測(cè)針C4與陽(yáng)極之間的距離相對(duì)于土樣長(zhǎng)度和截面尺寸很小，如圖1（a）所示，故忽略測(cè)針與電極板間土體電壓產(chǎn)生的誤差，近似用C4與陽(yáng)極板、C1與陰極板間電壓替代.

土體有效電壓在4組試驗(yàn)中依次占了電源電壓的22%、19%、14%和7%.圖12為有效電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律.由圖12可以看出，有效電壓與各測(cè)點(diǎn)的電勢(shì)曲線變化趨勢(shì)吻合.含鹽量越高，初始有效電壓越低，0.1%的有效電壓最大，但是與之對(duì)應(yīng)的電流并不大.故在高含鹽量時(shí)，土體導(dǎo)電能力較強(qiáng)，電阻較小，在整個(gè)電路中分得的電壓較??；相反低含鹽量時(shí)電阻較大，電壓較高.隨著電滲的進(jìn)行，土體本身的電阻以及土體與電極板之間的接觸電阻都會(huì)越來(lái)越大，但是接觸電阻增大的幅度要比自身電阻大，所以，土體在電路中分得的電壓越來(lái)越小.

前文中電壓和電流均產(chǎn)生突變升高現(xiàn)象，這主要是由于斷電期間土體中的含水量和電荷發(fā)生重分布，另外，水電解產(chǎn)生的氣體在斷電期間消散完畢，界面電阻減小，使得界面處電勢(shì)降相應(yīng)減小，所以土體兩端有效電壓相應(yīng)增高.對(duì)比電流時(shí)間曲線與累計(jì)排水量時(shí)間曲線會(huì)發(fā)現(xiàn)，電流的突增沒(méi)有加快排水，反而出現(xiàn)排水中斷現(xiàn)象，說(shuō)明土體在排水前內(nèi)部會(huì)發(fā)生一些反應(yīng)消耗能量.

圖12 有效電壓的變化Fig.12 Variation of effective voltage

（3）短接后土體電勢(shì)分布

為進(jìn)一步分析電滲過(guò)程中電荷的分布，根據(jù)短接后各測(cè)點(diǎn)的電勢(shì)可繪制出電勢(shì)隨時(shí)間變化曲線，選取含鹽量為1.0%的曲線見圖13.

由圖13可知，斷電后正負(fù)電荷發(fā)生重分布，使得各測(cè)點(diǎn)電勢(shì)在電路再次接通時(shí)突升.電路接通時(shí)，陰極板與陽(yáng)極板可以看作是等勢(shì)體，故陽(yáng)極電勢(shì)為0，土體中各測(cè)點(diǎn)的電勢(shì)均為負(fù)值，說(shuō)明土體本身的電勢(shì)比極板的低.土體內(nèi)各測(cè)點(diǎn)電勢(shì)逐漸下降，C1的電勢(shì)相比于其他測(cè)點(diǎn)最高且變化最快，C2和C3電勢(shì)近似相等且最低.由此推測(cè)在土體中陽(yáng)離子的移動(dòng)能力比陰離子要強(qiáng)，而且移動(dòng)速度比電解反應(yīng)速度快，所以陰極區(qū)域電勢(shì)高于陽(yáng)極區(qū)域高于中間區(qū)域.電滲結(jié)束時(shí)各段電勢(shì)的不規(guī)律性預(yù)示著土體中不同位置的電流并不相同.土體內(nèi)部電流從高電勢(shì)流向低電勢(shì)，外部則由陽(yáng)極板流向陰極板.

圖13 短接后各測(cè)點(diǎn)電勢(shì)隨時(shí)間的變化Fig.13 Variation of voltage with time at different test points after plates connected

2.4 電滲透系數(shù)變化

電滲透系數(shù)是衡量土體電滲透性的主要指標(biāo)，根據(jù)Esrig的理論［21］，土體電滲透系數(shù)可以表示為

式中：ve為電滲排水速率，用每半個(gè)小時(shí)的排水量除以該段時(shí)間計(jì)算得到，mL/s；

E為施加在土體兩端的電勢(shì)梯度，V/cm，由于電極與土體之間的界面電阻影響，實(shí)際用于電滲的電勢(shì)梯度E應(yīng)該是實(shí)際作用在土體兩端的有效電壓（圖1中C4與C1之間電勢(shì)差）除以該段土樣長(zhǎng)度；

A為通過(guò)電流的土體橫截面面積，cm2，在試驗(yàn)過(guò)程中認(rèn)為土體橫截面積A保持不變；

Ke為土體電滲透系數(shù)，cm2/（s·V）.

圖14為電滲系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線.從圖14可以看出，電滲透系數(shù)很不穩(wěn)定，在排水過(guò)程中波動(dòng)幅度很大，但是整體仍是減小趨勢(shì).由于“間歇通電”，每天再次通電時(shí)都不會(huì)馬上排水，越到排水后期，這個(gè)間隔時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)，這也是電滲透系數(shù)出現(xiàn)零值的原因.

圖14 電滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.14 Variation of electric permeability coefficient with time

圖14明顯地反映出電滲透系數(shù)的大小與土體鹽分的關(guān)系，0.5%的整體電滲透系數(shù)最大，排水量最多，排水速率最快，因此，最接近最大排水含鹽量.其余3組試驗(yàn)，隨著含鹽量的增加，整體電滲透系數(shù)在減小.為了更直觀的觀察電滲系數(shù)的整體變化，可以做出每天電滲系數(shù)的平均值與天數(shù)的關(guān)系曲線，見圖15.由圖15可知，隨著天數(shù)的增加，電滲透系數(shù)一直在減小，除0.5%以外，其余3組的電滲透系數(shù)在第3天就已經(jīng)減小為0.而從微觀角度來(lái)說(shuō)，電滲透系數(shù)與土體本身的性質(zhì)，如雙電層電勢(shì)和土體孔隙率有關(guān)，因此，含鹽量作用電滲透系數(shù)的機(jī)理還需要在以后增加蒙脫石電滲前后微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)比來(lái)進(jìn)一步研究.

圖15 電滲透系數(shù)隨天數(shù)的變化Fig.15 Variation of electric permeability coefficient with days

2.5 試驗(yàn)后含水量變化

試驗(yàn)后對(duì)土體的含水率進(jìn)行測(cè)試，取土位置見圖3，各部分的含水率降低量如圖16所示.

圖16 含水率降低量的分布Fig.16 Profiles of reduction value of water content

由圖16可以看出，土體的含水量在電滲后均有不同程度的降低，0.5%含水量降低的最大；試驗(yàn)1與試驗(yàn)2的規(guī)律性更突出，上部與下部含水率降低量曲線與距離近似線性關(guān)系，距陽(yáng)極越近，含水量降低的越多；試驗(yàn)3與試驗(yàn)4的曲線雖然規(guī)律性不是很強(qiáng)，但是總體來(lái)看，陰極附近的降低量小于陽(yáng)極附近，土體下部小于上部.充分說(shuō)明了在外電場(chǎng)的作用下，水分子由陽(yáng)極移向陰極.除了0.5%以外的3組試驗(yàn)隨著含鹽量的提高，含水量的降低量增大，與累計(jì)排水量的結(jié)果剛好相反，這可能是由于NaCl的增多加劇了水的電解.

3 結(jié)論與展望

通過(guò)自制的室內(nèi)試驗(yàn)裝置對(duì)蒙脫石粘土在電場(chǎng)作用下的滲透性進(jìn)行試驗(yàn)研究，討論了土體含鹽量對(duì)排水量、排水速率、電滲透系數(shù)、含水量以及土體電流和電壓分布的影響，對(duì)斷電后兩極板短接過(guò)程中電流和電壓的變化進(jìn)行了分析，得出以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）對(duì)于蒙脫石為主要礦物的蒙脫石粘土來(lái)說(shuō)，電滲排水速率比常規(guī)水力梯度下的排水速率大約為1 000倍，其用作核廢物處置庫(kù)緩沖回填材料時(shí)需考慮因輻射而產(chǎn)生電場(chǎng)的影響.電滲透作用與土體種類有關(guān)，由于蒙脫石自身分子結(jié)構(gòu)對(duì)水分子的吸附性使其電滲性能遠(yuǎn)不及軟粘土.

（2）含鹽量對(duì)蒙脫石礦物的電滲有很大影響，由于其對(duì)離子濃度和雙電層兩方面的作用，使得電滲排水量和電滲透系數(shù)隨含鹽量的增加先增后減，存在最大排水含鹽量，使得電滲透系數(shù)及電滲累計(jì)排水量都是最大值.

（3）電滲過(guò)程中在兩電極處有較大的電勢(shì)降，故土體兩端有效電壓很小.隨含鹽量的增加，有效電壓減小，電流增大，NaCl的加入增強(qiáng)了土體的導(dǎo)電能力，使電勢(shì)降集中在土體與電極界面處，增大了電滲排水所需要的能量，排水量減小.

（4）陰陽(yáng)兩極短接后電壓和電流消散很慢，監(jiān)測(cè)到的電流近似成負(fù)指數(shù)變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了電荷累積理論.并且發(fā)現(xiàn)土體兩端的電勢(shì)要比中間部分電勢(shì)高，陰極附近高于陽(yáng)極附近，這與土體中離子遷移速度及土壤電化學(xué)機(jī)理密切相關(guān).電勢(shì)的不均勻分布表明電滲作用停止后，土體內(nèi)電流方向不同.

本文在蒙脫石粘土的電滲特性方面得出了一些結(jié)論，但影響其電滲性狀的因素很多，如土顆粒粒徑、礦物類型、pH值等，因此還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究.試驗(yàn)中用蒙脫石礦物近似替代蒙脫石粘土，沒(méi)有考慮其他組分在電場(chǎng)作用下對(duì)滲透性的影響，其他各礦物組成對(duì)電滲的影響有待進(jìn)一步研究.由于試驗(yàn)條件限制沒(méi)有對(duì)電滲前后蒙脫石的微觀結(jié)構(gòu)以及排出水的成分進(jìn)行檢測(cè)分析，以后的研究中應(yīng)予以考慮.此外，鹽的種類對(duì)蒙脫石粘土的電滲影響機(jī)理仍需進(jìn)一步研究.

［1］ KOMINE H. Simplified evaluation for swelling characteristics of bentonites［J］.Engineering Geology，2004，71（3/4）：265.

［2］ 陳永貴，黃潤(rùn)秋，朱春明，等.化學(xué)場(chǎng)對(duì)膨潤(rùn)土水-力特性影響研究進(jìn)展［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42（3）：398-405.

CHEN Yonggui，HUANG Runqiu，ZHU Chunming，et al.Chemical environment effect on hydromechanical behaviour of compacted bentonite［J］.Journal of Tongji University，2014，42（3）：398-405.

［3］ PUSCH R.Experimental study of the effect of high porewater salinity on the physical properties of a natural smectitic clay［R］.Stockholm：SKB Technical Report，2001.

［4］ KOMINE H. Theoreticalequations on hydraulic conductivities of bentonite-based buffer and backfill for underground disposal of radioactive wastes［J］.Journal of Geotechnicaland GeoenvironmentalEngineering，2008，134（4）：497-508.

［5］ SHIRAZI S M，KAZAMA H，SALMAN F A，et al. Permeability and swelling characteristics of bentonite［J］.International Journal of the Physical Sciences，2010，5（11）：1647-1659.

［6］ 牛文杰，葉為民，陳寶，等.約束狀態(tài)對(duì)高廟子膨潤(rùn)土的水力學(xué)特性的影響［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6（3）：492-497.

NIU Wenjie，YE Weimin，CHEN Bao，et al.Effect of constrained condition on the hydraulic character of Gaomiaozi bentonite［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6（3）：492-497.

［7］ 孫文靜，劉仕卿，孫德安，等.飽和高廟子膨潤(rùn)土的滲透特性［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2015，11（1）：115-119.

SUN Wenjing，LIU Shiqing，SUN Dean，etal. Permeability ofsaturated Gaomiaozibentonite［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2015，11（1）：115-119.

［8］ 陳云敏，葉肖偉，張民強(qiáng)，等.多場(chǎng)耦合作用下重金屬離子在粘土中的遷移性狀試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（12）：1371-1375.

CHEN Yunmin，YE Xiaowei，ZHANG Minqiang，et al. Experimental study on heavy metal ion transport in clay under coupled flows［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27（12）：1371-1375.

［9］ CASAGRAND L. Electro-osmosis in soils［J］. Geotechnique，1949，1（3）：159-177.

［10］ 莊艷峰，王釗.電滲的電荷累積理論［J］.巖土力學(xué)，2005，26（4）：629-632，649.

ZHUANG Yanfeng，WANG Zhao.Electric charge accumulation theory for electro-osmotic consolidation［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（4）：629-632，649.

［11］ 莊艷峰，王釗，林清.電滲的能級(jí)梯度理論［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37（2）：283-286.

ZHUANG Yanfeng，WANG Zhao，LIN Qing.Energy level gradient theory for electro-osmotic consolidation［J］. JournalofHarbin Institute of Technology，2005，37（2）：283-286.

［12］ 王協(xié)群，鄒維列.電滲排水法加固湖相軟黏土的試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34（2）：95-99.

WANG Xiequn，ZOU Weilie.Experimental research on electro-osmostic consolidation of lacustrine clay［J］. Journal of Wuhan University of Technology，2007，34（2）：95-99.

［13］ MICIC S，SHANG J Q，LO K Y，et al.Electrokinetic strengthening of a marine sediment using intermittent current［J］.Canadian Geotechnical Journal，2001，38：287-302.

［14］ GLENDINNING S，LAMONT BLACK J，JONES C J F P.Treatment of sewage sludge using electrokinetic geosynthetics［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，（A139）：491-499.

［15］ 胡俞晨，王釗，莊艷峰.電動(dòng)土工合成材料加固軟土地基實(shí)驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（5）：582-586.

HU Yuchen，WANG Zhao，ZHUANG Yanfeng. Experimental studies on electro-osmotic consolidation of soft clay using EKG electrodes［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27（5）：582-586.

［16］ WAN T Y，MITCHELL JK. Electro-osmotic consolidation of soil［J］.Journal of the Geotechnical Engineering Division，1976，102（GT5）：473-491.

［17］ 房營(yíng)光，徐敏，朱忠偉.堿渣土的真空-電滲聯(lián)合排水固結(jié)特性試驗(yàn)研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（11）：70-75.

FANG Yingguang， XU Min， ZHU Zhongwei. Experimental Investigation into draining consolidation behavior of soda residue soil under vacuum preloadingelectro-osmosis［J］.Journal of South China University ofTechnology： NaturalScience Edition， 2006，34（11）：70-75.

［18］ MITCHELL J K.Conductive phenomena：from theory to geotechnical practice［J］.Geotechnique，1991，41（3）：299-340.

［19］ 李瑛，龔曉南.含鹽量對(duì)軟黏土電滲排水影響的試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（8）：1254-1259.

LI Ying，GONG Xiaonan.Experimental study on effect of soil salinity on electro-osmotic dewatering in soft clay［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33（8）：1254-1259.

［20］ GUPTA A K，COELHO D，ADLER P M.Influence of the Stern layer on electrokinetic phenomena in porous media［J］.Journal of Colloid&Interface Science，2007，316（1）：140-159.

［21］ ESRIG M I. Pore pressure， consolidation and electrokinetics［J］.JournaloftheMechanicsand Foundations Division，ASCE，1968，94（SM4）：899-921.

含鹽量對(duì)蒙脫石粘土電滲影響試驗(yàn)研究

石振明1，2， 周圓媛1，2， 彭 銘1，2， 莊艷峰3

Experimental Study on Effect of Soil Salinity on Electro-Osmosis in Montmorillonite Clay

SHI Zhenming1，2， ZHOU Yuanyuan1，2， PENG Ming1，2， ZHUANG Yanfeng3
（1.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Ministry of Education Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

In order to investigate the permeability of montmorillonite clay with different salt content under an electric field，a laboratory device was designed to capture the drainage，current intensity，voltage，and water content during electro-osmotic drainage tests at four different salinities in montmorillonite.The results show that the permeability increased significantly during electro-osmotic drainage in the electric field.Under 40 V voltage the drainage rate in electro-osmosis was as large as 1 000 times that in normal drainage tests.The electric permeability coefficient increased first and then decreased with an increase in the salt content because of the effect of montmorillonite molecular structure and electrolyte concentration.When the salt content was near 0.5%，the drainage reached a maximum.With the salt content increasing，the effective potential of the soil decreased but the current and the potential drop between cathode and anode increased，reflecting that the energy consumption at the interface increased with the increase of salinity.In addition，a short-circuit connection between the cathode and anode electrodes resulted in a charge redistribution in the process of electro-osmosis.After the electro-osmosis，the potential distribution was found not uniform：the potential of the middle region was the lowest，and the direction of current was different in the soil.

electro-osmosis；drainage；soil salinity；montmorillonite

石振明，周圓媛，彭銘，等.含鹽量對(duì)蒙脫石粘土電滲影響試驗(yàn)研究［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（5）：1005-1013.

0258-2724（2016）05-1005-09

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.025

TU411

A

2016-06-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41372272，41402257）；青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41502275）

石振明（1968—），男，教授，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)工程，E-mail：shi_tongji@#edu.cn

（中文編輯：秦 瑜 英文編輯：蘭俊思）