金豆豆， 張 澤， 馮文杰， 王金國， 岳 攀， 楊曙光

（1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000；2.東北林業(yè)大學土木工程學院/寒區(qū)科學與工程研究院，哈爾濱黑龍江150040；3.中國科學院大學，北京100049；4.東北多年凍土區(qū)地質環(huán)境系統(tǒng)教育部野外科學觀測研究站（東北林業(yè)大學）/東北多年凍土區(qū)環(huán)境、道路建設與養(yǎng)護協(xié)同創(chuàng)新中心（東北林業(yè)大學），哈爾濱黑龍江150040；5.雅礱江水電開發(fā)有限公司，四川成都610051）

0 引言

土壤凍結過程中，水分向凍結鋒面遷移并發(fā)生相變，當土壤中某些部位含水（冰）量超過了其原始孔隙體積時，會發(fā)生凍脹現(xiàn)象［1］。凍脹是引起寒區(qū)工程病害的主要因素之一，可導致道路變形、輸水渠道滲漏、建筑物基礎破壞以及天然氣管道翹曲等等［2-5］，治理凍脹問題的基本思路是阻水和換填，通過切斷水源或者改變土性治理凍脹災害，但已建工程中發(fā)生凍脹災害后，上述的施工難度將大大增加。

由于土顆粒大多帶負電，且土中的水極易與被溶解物質結合形成水化陽離子，在外加電場作用下，水流會向電勢低處遷移，此現(xiàn)象稱為電滲［6］。電滲法即通過施加電場排出土中多余水分從而達到加固地基的目的，在加固軟土地基方面應用較多。大量學者試驗研究電場電極類型、含水率、通電方式等如何影響電滲排水效果［7-12］；Tang等［13］從工程實際出發(fā)研究了溫度對海洋土壤電滲脫水的影響，發(fā)現(xiàn)溫度升高時土壤電導率增大；Vakili等［14］發(fā)現(xiàn)電滲處理顯著提高了經(jīng)歷多次凍融泥灰?guī)r的承載能力。融土電滲試驗一般在陰極設置透水板，流向陰極的水分可直接流出土體；研究者們將真空預壓［15］、土中添加鹽溶液［16］或化學劑［17-18］等方法與電滲法結合進一步提高軟土加固效果。如果利用電場作用與凍土之上，從而達到將水分遷移走的目的，是否可以有效的緩解或者治理凍脹災害？

由于凍土中始終存在一定數(shù)量未凍水，對凍土試樣加上電場后，孔隙未凍水也會發(fā)生遷移，在陰極處會產(chǎn)生凍脹。研究發(fā)現(xiàn)：土壤的成分、性質、組構和環(huán)境溫度等均可通過影響凍土中未凍水含量改變凍土電滲效果［19］。對不同凍土試樣通電24小時，發(fā)現(xiàn)陰陽極含水率發(fā)生變化，明確電場作用下凍土中確實存在水分遷移［20］，但電勢梯度與凍土水分遷移量及變形量之間存在何種關系尚未知曉。研究發(fā)現(xiàn)：粉粒（0.01～0.05 mm）含量較高的土其凍脹敏感性較強，在有水源補充的情況下比一般的砂性或黏性土凍脹量都大。黃土（或黃土狀土）由于其粉粒級含量較高（可達到60%～70%），經(jīng)常在其分布地區(qū)出現(xiàn)凍脹災害過程［21］。因此，為進一步加深對凍土電滲過程的了解，本文選取凍脹敏感性較高的黃土作為研究對象，考慮到黃土的凍結溫度為-1.5℃左右且目前凍土電滲試驗溫度主要集中在-1.0～-2.4℃之間［19-20］，由于高溫凍土的穩(wěn)定性和相變過程比較復雜，本文選用-3℃環(huán)境溫度下分別觀測電勢梯度為3 V·cm-1、4 V·cm-1、5 V·cm-1情況下凍結黃土陰陽極變形量的變化，分析其通電后土樣的含水量分布規(guī)律，期望進一步了解電場作用下凍土中水分遷移的規(guī)律及機理，為后續(xù)正凍土電滲試驗以及野外實際應用等提供參考。

1 土樣及試驗設計

1.1 土樣

試驗黃土取自甘肅蘭州市區(qū)蘭山附近邊坡（北緯35°57′、東經(jīng)103°53′），海拔1 600 m。將土樣過2 mm篩，按照《土工試驗方法標準》［22］利用液塑限聯(lián)合測定儀進行液塑限測試，土樣液限為23.3%，塑限為13.87%，塑性指數(shù)Ip=9.43。土顆粒粒徑使用全自動激光粒度分析儀測定，級配曲線見圖1。為盡量避免水中離子對試驗結果的影響，試驗中均采用離子含量可忽略的I級純水。

圖1 顆粒級配半對數(shù)累計曲線Fig.1 The grain size distribution semi-logarithmic curve of soil sample

1.2 試驗裝置

試驗裝置如圖2所示，控溫箱（7）為Xutemp高低溫交變式（控溫范圍為-30℃到+30℃，溫度誤差±0.1℃），用于對土樣環(huán)境進行控溫；試驗模型箱（5）為有機玻璃保溫材質，其內部尺寸為200 mm×60 mm×100 mm，模型箱上部支架用于固定激光測距儀［圖2（b）］；電源（1）采用直流穩(wěn)壓電源，最大輸出值為60 V/3 A；試驗選用SENSOPATRT FT25激光測距儀（4）實時測量陰陽極變形量，激光測距儀連接MC usb1608G數(shù)據(jù)采集儀（8）記錄變形量；電流表（3）采用UNI-T UT39C，電流測量精度為1 mA；試驗電極（6）為石墨材質，長150 mm，直徑為8 mm。

圖2 變形量測量裝置圖（單位：mm）Fig.2 Deformation measurement device diagram（unit：mm）

1.3 試驗內容及步驟

分別在30，40和50 V穩(wěn)壓下對凍結黃土進行通電試驗，實時監(jiān)測其陰陽極變形量；3種電壓下的電勢梯度分別為3，4和5 V·cm-1，當變形量變化穩(wěn)定后試驗終止。

具體試驗步驟如下：

（1）取適量原狀土和水，用電動攪拌機充分攪拌均勻，制成重塑土樣，靜置一晝夜后測量重塑土樣含水率；（2）取土樣分層裝入試驗模型箱，將電極潤濕插入黃土試樣，樣品密封后將試驗模型箱放置到-3℃控溫箱中，安激光測距儀，凍結24小時確保土樣完全凍結；（3）取出凍結黃土、拆除蓋板，將凍脹高出試驗模型箱的部分磨平后再次密封放入溫度-3℃的試驗箱中；（4）再次安裝導線、打開激光位移計；調節(jié)電源輸出到所需電壓，接通電路；（5）通電結束，停止試驗，斷開電源；（6）拆除裝置；取出試驗土樣，均勻分層測量試樣含水率。

表1 試驗條件匯總表Table1 Summary of test conditions

1.4 含水率測點布置

為了驗證電場作用下凍土中的水分遷移規(guī)律，對通電前后土樣按陰陽極距離被切為6等份，每層按圖3方式切塊進行含水率測量，總計54個含水率測點，將每層土取得的9個含水率取平均值作為該層含水率值。含水率變化分析時將土樣按電極間距分為兩部分，陰極所在截面稱為陰極，陽極所在區(qū)域稱為陽極區(qū)，則含水率區(qū)差值為陰極區(qū)含水率減去陽極區(qū)含水率。

圖3 含水率測量布置圖Fig.3 Water content measurement chart

2 試驗結果及分析

試驗結果參照常規(guī)融土電滲試驗研究［7］的分析方法，對電滲效果的描述主要從排水量、排水速率、電滲后土體含水量的分布、能耗等方面展開。本文將從土體陰陽極變形量、通電前后含水量分布、電流變化以及電能消耗三個方面討論電場對凍土的影響。

2.1 變形量

圖4 與圖5分別為土樣通電前初始凍脹量隨時間的變化曲線和土樣電場有效變形量隨時間的變化曲線。由圖4可以看出，土體在-3℃狀態(tài)下初始（未通電）凍結5 h左右凍脹量不再發(fā)生變化，初始穩(wěn)定凍脹量為2 mm。

圖4 初始凍脹量隨時間的變化曲線Fig.4 Variation curves of initial frost heave with time

由圖5可知，在電場梯度作用下土樣陰極變形量始終均為正值，即陰極處發(fā)生膨脹，其中土樣通電15天后3 V·cm-1的電勢梯度下陰極膨脹量最大，為1.383 mm；4 V·cm-1次之，為0.356 mm，5 V·cm-1電勢梯度作用下膨脹量最小為0.111 mm。在電勢梯度作用下土樣陽極變形量始終均為負值，即陽極處發(fā)生沉降，其最終變形量大小排序則與陰極正好相反，在5 V·cm-1的電勢梯度下陽極沉降量最大，為1.888 mm，4 V·cm-1次之，為1.301 mm，3 V·cm-1電勢梯度作用下陽極沉降量最小，為0.045 mm。

圖5 電場有效變形量隨時間的變化曲線Fig.5 Variation curves of effective electric field deformation with time

將不同電勢梯度下土樣陰陽極最終變形量匯總成圖6。我們可以發(fā)現(xiàn)，土樣陰極變形量隨電勢梯度增大而減小，而土樣陽極沉降量則隨電勢梯度的增大而增大；通電15天后3 V·cm-1電勢梯度下存在土樣陽極沉降量約等于零，而陰極膨脹量較大。5 V·cm-1電勢梯度下的最終變形量與3 V·cm-1電勢梯度下的情況相反。

圖6 變形量對比圖Fig.6 Comparison chart of deformation

2.2 含水量分布

為了探究不同電勢梯度對凍土電滲效果的影響，試驗結束按圖3方式對試驗后凍土試樣均勻分層切塊得到土體分層含水率，由于土樣未通電初始凍脹過程中碳棒與土樣導熱系數(shù)不同，使得水分向碳棒及四周遷移，水分不再均勻分布，此時測得含水率值由初始凍脹與電場雙重作用共同產(chǎn)生。為排除初始凍脹過程中水分遷移對試驗結果的影響，進行補充試驗：對相同含水率融土進行不通電初始凍脹，24 h后測定土樣含水率分布。則實際電場產(chǎn)生的含水率變化可由雙重作用下含水率值減去補充試驗含水率值表示，圖7所示為含水率變化值及雙重作用下最終含水率值。

圖7 含水率匯總圖（S1為陽極，S2～S5為中間土體，S6為陰極）Fig.7 Summary diagram of water content（S1 is the anode，S2～S5 is the middle soil，S6 is the cathode）

由雙重作用后各層含水率值可以看出，試驗結束水分主要集中在兩電極附近，在4 V·cm-1及5 V·cm-1電勢梯度下陰極處含水率明顯高于陽極處含水率，即存在水分由陽極處遷至陰極處。含水率變化值直觀反映電場對凍土中水分遷移的作用，由圖7可以看出，3 V·cm-1電勢梯度下土樣陰陽極含水率變化值差別不大，但其余部分含水率變化值從陽到陰呈線性遞增；電場作用下除5 V·cm-1電勢梯度下陰極處含水率為正值，其余含水率均為負值，這可能是因為電場作用過程中不僅存在水分遷移，而且存在復雜的化學反應等消耗水分，其次考慮實驗過程中樣品密封性不足所導致的水分損耗。

為更加直觀看出電勢梯度與水分遷移量的關系，本文作出含水率區(qū)差值隨電勢梯度的變化曲線，如圖8所示。

由圖8可知，含水率變化值基本為負值，即土樣通電結束后含水率相比初始凍脹后整體呈下降趨勢，而含水率區(qū)差值均為正值且隨電勢梯度的增大而增大，證明電場作用下部分水分由陽極區(qū)遷移至陰極區(qū)。

圖8 土樣含水率變化匯總圖Fig.8 Summary of changes in soil moisture content

通電前后土體中心剖面含水率分布如圖9所示，縱坐標為土樣高度，高度為0 cm代表此平面為土樣底面。在未通電初始凍脹過程中，由于土樣表面及石磨電極溫度首先降低土壤中水分由溫度高處向溫度低處遷移，使得水分積聚在電極附近，而土樣中部水分向電極及土樣上下表面遷移，造成如圖9（a）所示水分分布圖。3 V·cm-1電勢梯度下，陰陽極含水率分布大致相同，而隨著電勢梯度的增大，陽極含水率逐漸減少，陰極含水率逐漸增大。由于水分的遷移造成樣品含水量“中空”效應，與初始的含水量相比，土樣中部的含水量減少了大約5%左右。觀察中空部分的含水量分布發(fā)現(xiàn)都具有“啞鈴狀”形態(tài)，而持續(xù)通電可能會使水分持續(xù)向陰極遷移從而改善“中空”效應。

圖9 通電前后土體含水率分布Fig.9 Distribution of soil moisture content before and after electrification

2.3 電流及電能損耗

圖10 為通電過程中電流隨時間的變化趨勢。可以看出3條曲線整體呈下降趨勢，初始狀態(tài)下電勢梯度越大電流也越大。在3 V·cm-1電勢梯度下，電流隨著時間的變化幅度不大，且試驗結束時電流值最大；5 V·cm-1電勢梯度下電流值表現(xiàn)出下降穩(wěn)定再下降穩(wěn)定的的規(guī)律；電流隨著時間變化的幅度大小為：5 V·cm-1＞4 V·cm-1＞3 V·cm-1，此與含水率區(qū)差值隨電勢梯度的增大而增大的特征類似。

圖10 電流隨時間的變化曲線Fig.10 Variation of current with time

經(jīng)濟適用性是電法能否實際應用的重要因素，能耗越高費用越昂貴。本文作為電場作用下凍土中水分遷移的機理研究，考慮水分遷移量與能耗的關系期望為后續(xù)野外試驗提供參考。因此本文進一步計算了各試驗的總能耗和單位含水率（區(qū)差值）能耗，計算式分別如下：

總能耗為

則單位含水率能耗為

式中：T為通電時間；u為電源輸出電壓，本試驗中u分別為30、40和50 V；i為電路中的電流；Q為含水率陰陽極區(qū)差值。本試驗u為恒定值，電流值和通電時間已知，則可計算得到不同電勢梯度作用下電能總能耗與單位含水率能耗，如圖11所示。

由圖11可知，黃土在液限含水率下通電320 h時4 V·cm-1的電勢梯度總能耗最小，3 V·cm-1次之，5 V·cm-1最大，而單位含水率能耗則5 V·cm-1電勢梯度下最小。

圖11 總能耗及單位能耗柱狀圖Fig.11 Histogram of total consumed energy and energy unit content

3 討論

已往電滲試驗的研究關注點主要是集中在融土，特別是軟土［6-11］，而對于凍土通電后會產(chǎn)生什么樣的反應關注較少。

若在理想環(huán)境中，即忽略水分損耗的情況下，當凍土中存在電勢差時，電滲力使得弱結合水中水化陽離子擺脫土顆粒表面靜電場作用向電勢低處遷移，水化陽離子周圍的未凍水吸引殘留水也向這一方向移動，如圖12所示。此時已凍土中已有的固液平衡被破壞，為維持土體固液平衡，陽極區(qū)部分冰變成水補充水的損耗，而遷移至陰極的水分在陰極似乎是多余的，因此陰極區(qū)高于平衡狀態(tài)的未凍水變成了冰，使得陰極產(chǎn)生凍脹。

圖12 電場作用下凍土水分遷移機理微觀示意圖Fig.12 Microscopic schematic diagram of water migration mechanism of frozen soil under electric field

事實上，在整個電滲過程中，通常伴隨著水的電解、石墨電極失能等化學現(xiàn)象［6，23］使得實際結果與理想狀態(tài)相差甚遠。本文采用蘭州黃土試驗對比不同電勢梯度對凍土電滲結果的影響，試驗發(fā)現(xiàn)含水率區(qū)差值、電流值差值及土體陰陽極變形量差值隨電勢梯度的增加而增加（圖13），差值是指試驗結束時土體的陰極特征值減去土體陽極特征值。含水率區(qū)差值反映凍土中電場作用水分遷移量的大小，即隨著電勢梯度的增加凍土中由于電場產(chǎn)生的水分遷移量越大。凍土中含水率變化在一定程度上決定土體的變形情況，由圖13（c）可知，土體變形量差值也隨著電勢梯度的增大而增大，與含水率區(qū)差值表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。融土電滲試驗中電流值隨時間發(fā)生變化主要是由于金屬電極鈍化及水分被排出［7］使得土體電阻率增大或電極部分與土體脫離。

圖13 總變化匯總圖Fig.13 Summary of each changes

凍結黃土通電過程中電流減小的原因主要是：1）土體中水分發(fā)生遷移，改變土體原有的導電通道，陽極區(qū)含水率降低，電阻率增大；2）在通電過程中，與電極接觸部分產(chǎn)生水的電解或電能轉換為熱能從而消耗掉一部分水，使得接觸部分含水率降低，電阻率增大。而當電勢梯度增大時，上述原因均會增強，使得電流值降低幅度變大。

4 結論

對凍結黃土進行不同電勢梯度下電滲試驗研究，并從變形量、含水率、電流及電能損耗等三方面進行了對比分析，得出以下結論：

（1）在3 V·cm-1、4 V·cm-1及5 V·cm-1電勢梯度下通電320 h后土樣陰極均發(fā)生膨脹，陽極均發(fā)生沉降；且陰極處的膨脹量隨電勢梯度的增大而減小，陽極處的沉降量隨電勢梯度的增大而增大。

（2）在不同電勢梯度作用下，土體中的水分發(fā)生重分布；隨著電勢梯度的增大，水分由陽極區(qū)至陰極區(qū)的遷移量隨之增大，

（3）電流值隨時間延長而減小，電勢梯度越大電流降低的幅度越大；5 V·cm-1電勢梯度下電能總能耗最大，單位含水率能耗最小。