电极布置对电渗加固软黏土的影响

司马磊磊 王颂科

摘 要：本文通过室内试验在固定尺寸的试验箱内，同时进行了两组不同电极布置形式的电渗试验，此试验采用不对等的阴阳极布置，其电极布置分别为：一个阳极对应四个阴极、一个阴极对应四个阳极，每个电极都与电源相连，保证有相同的电压输出。本试验共计通电三十个小时，在通电完成后立刻对所加固的土体进行抗压强度的测量，从所测量的强度数据中可以得出以下结论：多阳极布置情况下电渗加固后的软黏土抗压强度提高较大并且整个土体抗压强度比较均匀，在电渗时应尽可能多的布置阳极；在电源电压恒定，多阳极布置情况下电渗的电流强度较高有利于缩短电渗时间。

关键词：电渗；电极布置；抗压强度；抗剪强度；

0引言

电渗这一学科起步虽然很早，casagrande[1]于1939年首次将电渗成功地应用于德国某铁路挖方边坡工程中此后，电渗法被尝试应用于不同类型的工程，但其发展道路及其坎坷，时至今日也没有很好的推广和应用，随着这些年沿海城市的进一步开发，这也给我们提供了很好的试验与推广相结合的机会。电渗用于加固软黏土地基已经有很长的历史，但是其复杂的作用机制和众多的不确定性因素一直阻碍它成为地基处理中的常规手段，并且在很长一段时间内几乎无人问津。我国近年不断增多的吹填造陆工程和疏浚淤泥的处理使得电渗重新成为国内岩土界关注和研究的热点。国外学者Chew S H[2] 、Esrig[3]及国内学者曾国熙[4]、王协群[5]等已在许多方面对电渗进行研究，国内主要包括：利用间歇通电、电极转换、或通过注入化学盐溶液等技术手段来提高电渗处理效果；总而言之，目前对电渗的研究越来越全面但是在基础方面还有问题值得去探究，比如不同电极布置对电渗强度的影响。

本文通过不同的电极布置方式去探究经过电渗加固后的软黏土的强度对比，寻找出更为合理地的电极布置方式，提出可以通过改变电极布置方式来加固出满足不同实际工程状况的土体。

1 试验基本情况

试验用土为营口地区淤泥质粉质黏土。淤泥质粉质黏土夹薄层粉砂：灰～灰黑色，饱和，软塑～流塑状态，高压缩性，稍有光泽，含有腐殖質，含大量贝壳碎片，有腥臭味，夹多层薄层粉砂。土体的物理力学性质如表1所示。

本试验为电渗且不排水试验，采用长×宽×高为28cm×22cm×17cm尺寸的验箱，电极的布置方式如图一所示，将一个阳极对应四个阴极的一组编号为A、将一个阴极对应四个阳极的一组编号为B，电极采用直径为6mm的圆钢，长度为25cm，电源电压为恒定的直流电压，电源的最大输出电压为100V，最大输出电流为30A。

试验步骤：首先将电极按照如图一所示布置在试验箱内，然后将电极分别用导线与直流电源直接连接，A组试验的电流表接在阳极与电源相连的导线上量测A组试验过程中的总电流，B组试验的电流表接在阴极与电源相连的导线上量测B组试验过程中的总电流；用VC8900D型号万用表测量A、B组的阴极与阳极之间的电势差；用型号为LCDG-ZJ1-51010的转接式计量插座测量试验过程中的总能量消耗；导线与电流表、电源、电极接好后开始通电，在前6个小时每隔半个小时记录一次数据，在之后的24小时每隔一个小时记录一次数据，数据内容包括：电流、电势差、总的能量消耗；通电满30个小时后停止通电与此同时测量A、B组阴极区和阳极区及中间部位的抗压承载力及抗剪承载力。

试验通电后两组试验的阴极均有气泡冒出，并且B组试验产生的气泡比较明显；在通电进行大约两个小时之后两组试验都开始产生了裂纹，不过两组试验的裂纹的分布与裂隙大小有着截然不同的特点：A组试验的裂纹以阳极为中心呈波纹型围绕阳极分布但是裂隙较小；B组试验则是在阴极与阳极间呈直线分布并且裂隙较大；并且两组试验产生裂缝的时间也不相同，B组实验在电渗进行了一个小时的时候便出现了劈裂式裂缝而A组试验则是在接近两个小时的时候才出现波纹式裂缝。通电结束后的裂缝（见下图）。

2 试验中电流的变化情况

对于裂缝出现时间的不同以及裂缝大小的不同，从电流大小上我们可以看出，B组电流在0-1小时之间一直很大，而A组则相对较小，电流大的B组土体出现裂缝的时间比较早并且裂缝的宽度也比电流小的A组土体大，说明多电极阳极多的情况下电渗发生的层度比较剧烈；随着剧烈的电渗反应土体开始出现裂缝，裂缝的出现导致土体电阻突然增大从而在A、B两组试验中电流出现了陡降区段；裂缝的出现使得电渗的效率有所降低。

试验通电开始后，两组试验的电流变化趋势相似，都是先增大后减小然后逐步趋于稳定，不过A组的最大电流和趋于平稳时的电流均比B租的电流小，由图3可以看出A组试验在试验的整个过程最大电流为0.9安培而由图3可以看出B组的最大电流则达到3.9安培；同样由图1可以看出A组试验在试验的最后趋于平稳的电流为0.05安培而由图3可以看出B组趋于平稳的电流则达到0.6安培；A组试验在进行到16个小时的时候电流已经下降到0.1安培，B组试验则是在达到稳定的时候电流还接近0.5安培，从这些变化趋势以及两组试验电流的最大值和最小值上我们可以得出：A组试验在整个电渗过程电渗反应的强度一直低于B组试验；A组试验电渗的时间在16小时以后已经很微弱此时可以近似认为A组试验已经结束，B组则保持0.5安培的电流强度，从电流强度的角度分析B组的电极选择及排布优于A组。

从能量消耗的角度分析，A、B两组试验的能耗均是逐渐递增的，但是能耗增加的幅度却是逐渐降低的，其原因是刚开始土体的含水量很高土体的导电性较好电流是很大的，由于电源电压恒定，所以其能量消耗单位时间内增加的幅度较大；随着时间的增加A组的能量消耗增幅逐渐变小慢慢的逐渐趋于平稳而B组的能量消耗还呈现递增趋势，这是因为随着电渗的进行两组试验土体均均产生了不同大小的裂缝导致土体电阻变大，电流变小其能量消耗幅值均有所降低；A组的最终能量消耗为0.17kw.h并且趋于稳定不在增加，说明其土体内电渗已接近结束，反应很微弱已经起不到加固的作用；B组的最终能量消耗为0.45kw.h如果继续通电还有上升趋势，说明B组试验在试验结束时电渗反应还在发生。

从能量消耗的曲线上可以得出在电渗过程中的电渗反应情况，在一定程度上可以作为停止通电及增加电压的参考点，当能量消耗曲线趋于水平时此时可以选择停止通电，如果想继续使电渗发生则必须提高电源的输出电压，合理使用能量消耗曲线能够节约不必要的通电时间。

在整个电渗过程总的能量消耗为3.2kw.h，而A、B两组试验的总有效耗能为0.62 kw.h占总能耗的19.4%，其能量主要消耗在直流变压器以及土体的接触电阻上面，可见电渗的电能利用率较低，因此在电能利用率这方面还需要做进一步的深化研究。

在通电结束后立即对A、B两组试验进行强度测量，每组试验取30个强度测试点，每个电极周围取3个点，阴阳两极之间分散取了15个点，土体各个地方的强度值由这30個点的强度值绘制出等势线来代替（如图5和图6）。

从图5，图6我们可以看到A、B组试验土样加固后都是阳极区域强度最大，阴极区域强度最小，中间区域强度居中；A组阳极区域最大值仅为58kpa并且离阳极越远强度值越低，而B组加固后的土体强度最小值都比A组的最大值大，阴阳两极之间的强度值相差较小，整个土体加固强度比较均匀；由上述可知阳极布置多的B组电流强度较大，电渗发生的剧烈程度较高，最后体现到加固后的土体强度上；比较两组试验的能量消耗与加固后土体强度的提升情况，可以以一定的能量消耗为代价换取更好的加固效果，同时在加固过程中时时结合能量消耗曲线用来监测电渗发生的情况以便于更充分的利用电能。

总而言之结合电流变化曲线、能量消耗曲线以及土体加固后强度等势线可以得出：电渗过程中电流的大小对土体的电渗反应程度有着决定性作用，而电极的布置却是影响电流大小的决定性因素，所以在电渗过程中合理选择阴阳极的数量及电极布置情况，对电渗加固效果及能量消耗都有着重要的影响

结论：

多阳极布置情况下电渗加固后的软黏土的抗压强度提高较大并且整个土体抗压强度比较均匀，在电渗时应尽可能多的布置阳极；电源电压恒定时，多阳极布置情况下电渗的电流强度较高有利于缩短电渗时间，提高电渗效率；多阳极布置的情况下能量消耗是多阴极布置情况下的三倍，但其加固后平均强度提高明显，且整体性好，因此可以以定的能量消耗为代价换取更好的加固效果。

参考文献：

[1]Casagrande L. Electro-Osmosis in Soils[J]. Geotechnique， 1949， 1（3）： 159-177.

[2]Chew S H， Karunaratne G P， Kuma V M， et al. A field trial for soft clay consolidation using electric vertical drains[J]. Geotextiles and Geomembranes， 2004， 22（1）： 17-35.

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[6]Burnotte F， Lefebvre G， Grondin G. A case record of electroosmotic consolidation of soft clay with improved soil electrode contact[J]. Canadian geotechnical journal， 2004， 41（6）： 1038-1053.

[7]李一雯. 电极布置形式对电渗效果的试验研究[D]. 浙江大学， 2013.

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[9]焦丹， 龚晓南， 李瑛. 电渗法加固软土地基试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2011， 30（1）： 3208-3216.

[10]李瑛， 龚晓南. 软黏土地基电渗加固的设计方法研究[J]. 岩土工程学报， 2011， 33（6）： 955-959.

司马磊磊（1985– ），男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向：复杂地质问题处理。

王颂科（1989–），男，河南周口人，硕士研究生，研究方向：软土地基处理及固化。