电渗仪的研制及其典型试验

曹永华，高志义

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

在土中通以直流电，在电势差的作用下，土中水从阳极流向阴极，这种现象即为电渗。如果将汇集于阴极的水分及时排出，就可以不断降低土的含水率，因此电渗可以用于对地基进行加固处理。Casagrande于1939年第一次将电渗技术应用于岩土工程中，后来各国学者在其加固机理与应用方面开展了大量的研究工作[1-6]。电渗法具有加固速度快，对细颗粒、低渗透性土有良好的加固效果等优点。随着我国港口建设的飞速发展，利用港池和航道疏浚土吹填造陆工程大量涌现。疏浚土往往具有细颗粒、高塑性、低渗透等特性，因此电渗法有望成为此种土的有效加固方法。在电渗加固中，土体的电渗透系数、电阻率等参数都是电渗加固中的重要参数，然而对电渗透系数，很多情况都是取经验值，这是一种粗略的处理方法。不同的土类其电渗透系数并不一样[7]，获取准确的电渗透系数可以更科学严谨地进行工程设计，然而，关于电渗透系数等参数的测量装置和测试方法的详细研究工作却不多见。为将电渗广泛应用于工程实践，必须发展一套电渗透系数的测试设备和测试方法。本研究通过对国内外相关资料的整理分析，并结合现有技术条件，研制出了用于电渗透系数和电阻率量测的室内试验设备电渗仪。

1 电渗仪的设计及其实现

1.1 设计思想

电渗仪应具有下列功能：

1）能胜任电渗透系数测量；2）能胜任土体电阻率测量；3）具有固结仪的一般功能，能垂直加载，胜任固结试验。

为完成上述功能，电渗仪应具有下列技术特点：

1）能在土体中形成均匀一维电场；2）具有双面排水功能，并能灵活控制排水条件；3）能对电渗排水进行准确地收集；4）能监测土体中电势分布；5）能监测加固中土体表层位移。

1.2 电渗仪的结构

电渗仪整体结构见图1。

电渗仪除电极外，基本由有机玻璃制成，主要构成部分有土样室、上下电极、上下排水管、加载系统、孔压测试装置和电势测试装置。土样室安置试验土样，土样室高10 cm，直径18 cm，其宽高比符合形成一维均匀电场的要求。电极采用导电性能优良的多孔铜板，既可形成均匀电场，又能使电渗排水通畅排出。排水管的功能是将汇集于电极的水排出，并通过采集装置将排水收集。电线与电极相连，从而在铜板电极间形成均匀电场。电势测头深入土体0.5 cm，与万用表相连，可以对各点电势进行监测。加载系统可以垂直加载，因此电渗仪可以研究电渗加固、预压加固及其之间的联合加固方法。此外，由于在电极间形成了一维均匀稳定电场，电渗仪还可以测定土样的电阻率。

图1 电渗仪示意图

2 电渗仪的应用

2.1 电渗透系数测定

电渗透系数是衡量电渗加固效果的重要参数，从数量上等于单位电势梯度作用下的水流速度，对于一维情况有：

式中：ve为电渗透流速；ke为电渗透系数；为电势梯度。

对于一维情况，在水力梯度和电势梯度的共同作用下，土中水的渗透流速可以表示为：

式中：Qe是电渗渗流的流量；Qh是水力渗流的流量。

由于试验中电渗渗流和水力渗流同时发生，在ke未知和不设置常水头装置的情况下，Qh是无法确定的。但通过试算可知，在本试验的试验装备和方法的情况下，Qh要比Qe小很多倍，因此，将Qh忽略，其对ke的试验结果产生的影响可以忽略不计。

因此，有：

利用式（4），可以对电渗透系数进行测定。

试验中，为了防止由于电渗导致阳极排水而使得土壤性质发生显著地改变，于土样上部注入与土壤中水分相同的水，约1 cm高度，这样既能避免阳极土性质及阳极和土的接触电阻发生显著变化，又能使由于水力渗透导致的Qh小到可以忽略的程度。电渗仪测试系统见图2。

图2 电渗仪测试系统图

试验土样采用青岛疏浚软土，其物理性质见表1，试验结果见表2。

表1 土样物理性质

表2 电渗透系数测试结果

试验中对一定电势梯度作用下土体的出水量等进行记录，由式（4）可以计算得到土体的电渗透系数。

2.2 电阻率测定

土体电阻率也是电渗设计中的重要参数。由电渗固结理论可知，由电渗引起的水体运动速度与电势梯度成正比，因此，较大的电势梯度有利于提高加固速度和效果。但电势梯度的加大使得土体中电流密度增大，在土体电阻率较小时尤为明显，从而导致了阳极腐蚀速度的加快，这又是对加固不利的，因此，土体电阻率对电渗设计也是非常重要的。

在电阻测量中，接触电阻是不可忽略的。为了消除接触电阻对试验结果的影响，可以测量不同长度土样的电阻，绘制成土样长度-电阻曲线，此曲线在长度为0时的电阻即为接触电阻。用总电阻减去接触电阻即可得到实际土样的电阻。总电阻可以通过土样的电压-电流关系曲线获得。土样电阻与电阻率的关系为：

式中：RS为土样电阻；ρ为电阻率；S为试样截面积；L为试样长度。

因此，求得不同试样高度的系统总电阻后，作出系统总电阻与试样高度的拟合直线，此直线的斜率即是试样截面积等于当前试样的单位长度土样的电阻，将斜率乘以试样截面积就能得到电阻率。

试验土样与2.1中相同，其物理性质见表1。

首先求不同试样高度时的系统总电阻。试验中的电压电流关系拟合直线的斜率就是系统总电阻，典型的拟合直线如图3。

图3 土样高度3.7 cm时系统总电阻

共进行了5组测试，不同试样高度和系统总电阻的拟合直线如图4。

图4 系统总电阻随土样高度的变化

由图4，直线斜率为26.472，表示试样长度为1 m时具有的电阻值为26.472 Ω，因此土体的电阻率为：

3 结语

电渗透系数和土体电阻率是电渗加固设计中必须考虑的参数，对加固效果有重要的影响，采用最新研制的电渗仪，对此二参数进行测定，可以更科学严谨地进行工程设计。

电渗透系数和土体电阻率受多种因素的影响，对其主要影响因素进行深入研究，有助于更科学地施工设计及对电渗加固的深入理解。

[1]Casagrande L.Electroosmosis in Soils[J].Geotechnique，1948，1：159-177.

[2]Casagrande L.Stabilization of Soils by Means of Electroosmotic State-of-art[J].Journal of Boston Society of Civil Engineering，ASCE，1983，69（3）：255-302.

[3]Esrig M I，Gemeinhardt J P.Electrokinetic Stabilization of an Illitic Clay[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1967，93 SM3（5）：109-128.

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[7]Laursen S.Laboratory Investigation of Electroosmosis in Bentonites and Natural Clays[J].Canadian Geotechical Journal，1997，34（5）：664-671.