真空预压联合电动法加固软土的电学性质变化实验研究*

覃家琪，李洪艺，叶李胜，娄云雷，张碧龙，张澄博

(中山大学地球科学与地质工程学院，广东 广州 510275)

自电渗法被学者Casagrande[1]首次应用于岩土工程后，电渗法加固的研究逐渐深入，工程实践中的应用也逐渐增多。在电渗法的基础上，向土体中注入盐溶液可以有效地提高处理效果，称为电动学加固。该方法可增加电导性，加速排水固结过程，注入的盐溶液通过离子交换，能够在一定程度上使土体颗粒排列更为紧密[2-3]。学者对电动法加固软土进行过大量的研究，如探讨注入不同类型及浓度的盐溶液影响、电渗透系数、电渗流、加固效果等，但仍然存在许多问题有待解决，如电极腐蚀、能耗过大等[4-5]。

真空预压法自W·Kjellman教授提出后[6]，经过大量的研究和工程实践，技术已比较成熟[7]。但真空预压法依然遇到如工期较长、较难排出结合水、工后沉降较大等问题[7-9]。

多方法联合加固的手段也正不断兴起[10]，其中真空预压联合电渗加固软土法融合了两种方法的优点，学者们从机理、理论模型、基本参数、技术工艺等方面做了大量的研究[11-13]，而对真空预压联合电动法加固软土的研究才刚刚起步。在电渗法及电动法加固软土过程中，通过研究电渗相关参数可以对设计进行优化，并以此判断通电效果，从而提高通电效率，降低成本。

本次实验设置三组平行实验对真空预压联合电动法加固软土中的电学性质变化进行研究，并与不注入CaCl2溶液的真空预压联合电渗法进行对比，研究的内容包括加固实验过程中电流的变化，电势分布的特征，土体电导率的变化及单位能耗的变化等，并结合排水量对加固过程中的能耗、效果关系等进行初步研究。

1 真空预压联合电动法实验

1.1 实验土样

珠江三角洲地区的软土分布较为广泛，对工程建设具有不利影响[14]。本次实验取自佛山市南海区西樵镇南海发电一厂。土样呈深灰色-灰黑色，具轻微腥臭味，含有机质，夹粉砂薄层，局部混入腐木，淤积成因，呈很湿～饱和，软塑状态，标贯击数为1～4击，粉砂薄夹层和腐木可使标贯击数偏高。淤泥层厚0.70～17.70 m，平均厚度8.52 m，层顶面高程-10.46～3.68 m。土样经X射线衍射实验分析，主要矿物组成为：石英、伊利石、蒙脱石及一些有机物。土样物理参数见表1。

1.2 实验装置

自制试验装置，装置包括：电源及通电设备；真空泵；排水装置；测量装置；试验箱体。实验装置可以单独作为真空预压实验或电渗/电动实验使用。试验装置示意图如图1所示。

电源系统：阳极棒和阴极棒采用圆形中空铝棒，长22 cm，直径2 cm，电源采用可控硅整流器(型号PS-605D，输出电压0～60 V，输出电流0～6 A)。

真空抽泵：采用循环水真空泵(SHZ-95B型)，功率370 W，极限真空0.097 MPa，抽气量10 L/min。

排水系统：排水管使用圆形铝管，长13 cm，直径1 cm，管身布满小孔用于排水，排水铝管上端位于砂垫层内。阳极棒作为注入溶液的通道，其下端12 cm的地方每隔2 cm设置一个直径5 mm小孔作为注入溶液的流出通道。排水铝管及阳极棒均使用300目尼龙网包裹，防止黏土颗粒堵塞小孔。

测量系统：在试验箱体的前侧立面打8个直径5 mm的圆孔，用于检监测实验过程中电势变化。

试验箱体：采用透明玻璃箱，规格为50 cm×13 cm×16 cm，主要成分为SiO2，并设置附属装置。

表1 土样基本物理性质

图1 实验装置示意图

本试验将原状土分层装入试验容器内，压实整平后再放置另外一层，顶层覆盖1 cm厚的砂垫层，可用于排水。将阳极棒、阴极棒、排水铝管插入软土中，排水铝管上端位于砂垫层内，并将抽气软管埋于砂垫层中，软管的另一头连接锥形瓶。然后使用白色透明塑料膜将玻璃箱密封。使用软管连接锥形瓶、真空泵抽气孔，通过真空泵将砂垫层中的液体或气体抽出，液体在重力作用下留在锥形瓶中，气体则可排出。接通电源，并在前侧面的电势监测点插入铁丝，用于检测试验过程中的电势变化。

1.3 实验方案

共进行三组对照实验，各组实验如下。

实验一：真空预压联合电渗法加固实验，实验时间60 h，主要探讨未注入溶液情况下实验数值的变化。

实验二：真空预压联合电动法加固实验，实验时间60 h，每隔0.5 h从阳极注入5 mL浓度为1 mol/L的CaCl2溶液，探讨在注入溶液情况下实验的变化。

实验三：真空预压联合电动法加固实验，实验时间120 h，每隔2.5 h从阳极注入25 mL浓度为1mol/L的 CaCl2溶液，主要探讨实验时间及溶液注入方式对实验效果的影响。

三组对照实验均使用55 V的直流电源供电，采用间歇停电技术，平均每通电16 h停电5 h，在停电时将溶液取出，做排水量等参数的相应测试。

将土样及装置连接好，静置24 h后开始实验。实验结束后对土体进行相应测试。一组实验完毕，使用超纯水洗净实验装置，并更换电极棒，消除上一组实验的影响后进行下一组实验。

2 实验结果

2.1 电流变化

在实验过程中，由于液体被排出、土体干裂固结等原因使得电流呈衰减趋势。但对于不同的实验组，电流变化的规律不尽相同。

其中，真空预压-电渗法加固实验(60 h)，电流变化见图2，前45 h电流衰减较快，表明土体中水分被快速排出，在最后15 h，电流趋于稳定，且保持在较低的数值，这表明电渗在此时的作用已经不大，且采用间歇停电也不能较好地改善。

真空预压-电动法加固实验(60 h)，电流变化如图3所示，电流呈先升高后降低的趋势，在前20 h内，电流从0.07 A急剧升高至0.13 A，为实验一中最高电流(0.06 A)的2.1倍，之后电流呈直线式下降，实验时间达到50 h后，电流稳定于0.04 A。

真空预压-电动法加固实验(120 h)，电流变化可见图4，电流亦呈现先升高后降低的规律，在前50 h内，电流总体呈升高趋势。其中，前10 h内，由于注入CaCl2溶液，电流急剧升高，在10～50 h内，电流呈波动式升高，在50 h左右达到最大值(0.16 A)，为实验一中最高电流的2.7倍。在50～110 h内，由于土体固结干裂等因素影响，电流波动式下降至0.04 A，在此后的10 h内，电流基本稳定于0.03 A左右。

由此可见，注入溶液和延长实验时间都能有效地提高实验电流，其中溶液注入方式对电流影响较大。使用间歇停电技术可以使电流在短时间内急促上升，然后迅速下降至原电流曲线以下，并且以原电流曲线下降速率继续下降。

图2 真空预压-电渗法实验电流变化(60 h)

图3 真空预压-电动法加固实验(60 h)

依据电渗能量理论[15]，电渗过程中的电流呈指数形式衰减，电流指数衰减的形式如下：

I-I∞=(I0-I∞)e-αt

(1)

式中，I为实时电流(A)；I0与I∞分别为初始电流和最终电流(A)，α为衰减常数(s-1)，t为实验时间(h)。

据此对三组实验的进行曲线拟合，从图2-4中的衰减曲线可以看出，在稳压条件下，电渗/电动过程中的电流变化基本呈负指数形式衰减，基本满足式(1)。从拟合度R2可以看出，三个实验的拟合度分别为0.98、0.72、0.67，这说明真空预压-电动法加固实验电流的变化呈逐渐偏离指数形式衰减。

图4 真空预压-电动法加固实验(120 h)

2.2 排水量变化

三组对比实验的排水量累计曲线见图5，排水速率随时间变化示意图见图6。

从图6排水量累积曲线可以看出，真空预压-电渗法加固实验(60 h)与真空预压-电动法加固实验(60 h)时间相同，但后者累积排水量比前者多出1.82倍，说明注入溶液后能够大幅度地提高排水效率；对比真空预压-电动法加固实验(60 h)与真空预压-电动法加固实验(120 h)，后者的累积排水量在前60 h比前者多出57.8%，比实验一多出346%，这说明每隔2.5 h注入25 mL CaCl2溶液与实验二相比能够更有效的提高排水效率，但60 h后的排水量仅占总排水量的5%左右。

三组实验的排水率均随时间增加而减小，从实验一至实验二，排水速率提高约2倍，实验三的排水速率与实验二相比增加约40%～60%。

图5 排水量累积曲线

图6 排水率随时间变化示意图

2.3 电势变化

土体的总电阻效应可以用视在电阻来描述，视在电阻由电极电阻、界面电阻、土体电阻组成，本实验中电极电阻可以忽略不计[16]。本次实验通过测量电势分布，以对界面电阻、土体电阻进行判断。在实验过程中，在距离阳极0、2.5、17.5、32.5、47.5 cm的位置测量电势，对应实验装置示意图图1中的1-5号点。

通过对比发现，对于真空预压-电渗法加固实验(60 h)，电势分布见图7，土样中间部分的电压降比电极两端的小，其他点的电势呈线性分布，这说明电极两端存在明显的界面电阻现象。在实验开始时，电势分布呈直线下降，随着实验时间的增加，界面电阻变大使得电势分布越来越偏离线性。电压降在实验进行到55 h后就达到了45 V，占了总电压的90%，消耗了大部分能量，因此到实验后期，由于界面电阻的存在，电渗效率很低[17]。

图7 真空预压-电渗法加固实验(60 h)电势分布图

对于真空预压-电动法加固实验(60 h)及真空预压-电动法加固实验(120 h)，电势分布可见图8、图9。其中，实验二每个监测点之间的电压降基本一致，而实验三最大的电压降发生在离阳极17.5～32.5 cm之间，两组实验都没有出现明显的界面电阻现象，这说明注入溶液能较好地减少界面电阻，提高电动效率。随着时间增加，电势变化接近线性，与真空预压-电渗法加固实验的电势分布规律相近，若继续延长实验时间，界面电阻效应加强，效率则越来越低。

图8 真空预压-电动法加固实验(60 h)电势分布

图9 真空预压-电动法加固实验(120 h)电势分布

2.4 电导率变化

在实验中，电导率受到土样内部溶液离子类型、浓度、电阻和固结程度等影响而发生变化，这些变化则会进一步影响电渗出水量及土体的固结过程[18-19]。电导率是实验过程中研究土样的含水率、电阻等变化的重要参数。

图10为实验中土体电导率的变化图，由实验一至实验二、实验三的电导率逐渐增加，说明注入溶液能有效提高电导率，间接加速了排水过程。

其中，真空预压-电渗法加固实验(60 h)的电导率变化不大，基本保持在0.03 (Ω-1·m-1)左右；真空预压-电动法加固实验(60 h)的电导率呈先上升后减小的趋势，而加固实验(120 h)的电导率却呈现波动上升趋势。这说明不同的溶液注入方式对电导率变化具有较大的影响。

图10 电导率变化图

2.5 单位能耗变化

在稳压条件下，实验土体的瞬时电流可以在一定程度上反应土体电阻和能耗的变化。单位能耗系数E，为能耗及液体排出量的比值，公式如下

E=UIt/V

(2)

式中，E为单位能耗系数(J/mL)，U为输入电压(V)。在本次实验中U为55 V，I为开始到测量时间内的平均电流(A)，V为实验开始到测量时间内排出溶液的累积体积(mL)，实验过程中单位能耗系数E如图11所示。

图11 单位能耗系数变化

由图可以看出，真空预压-电渗法加固实验的平均能耗系数随时间的增加而减小，其原因为随实验时间增加，土中溶液被排出而没有补充，电流急剧下降，平均能耗系数呈下降趋势。但其能耗系数与实验二、实验三相比仍然较大，这说明注入溶液能够有效地减小能耗，节约能源。

真空预压-电动法加固实验的平均能耗系数随时间的增加而呈线性增加，即随实验时间增加，电动效率越低，电能则更多地被转换成热能，通过对比实验二与实验三，溶液注入方式对平均能耗系数影响较大，实验二单次注入溶液量比起实验三要小，其平均能耗系数较实验三要大，这说明溶液注入方式对电动效率有较为明显的影响，选择合适的注入方式能够有效地减小能耗，节省能源。

真空预压-电渗法加固实验(60 h)平均能耗系数为0.41 J/mL、真空预压-电动法加固实验(60 h)平均能耗系数为0.43 J/mL，真空预压-电动法加固实验(120 h)平均能耗系数为0.71 J/mL，由此可知，选择合适的通电时长能够有效地降低平均能耗，提高电动加固效率。

3 讨 论

实验结果表明，注入CaCl2溶液能够有效提高通电效率，加速软土固结排水，增大排水量，且CaCl2溶液注入方式对实验具有较大的影响。本实验设置三组对照试验，初步探讨了真空预压联合电动法加固软土的电学参数变化及排水量变化规律。

现有的电动加固软土的研究焦点单方面的集中在注入盐溶液的种类、浓度及加固效果等方面，与真空预压法或其他方法相结合的研究较少[4]。本文实验结果表明盐溶液的注入能够提高软土加固效率及效果，与前人研究结论较为一致。注入盐溶液的真空预压联合电动法在软土加固上，能有效提高工程施工的效率、减少工后沉降对工程带来的损害。本研究证明，注入盐溶液的电动法对真空预压法有明显的促进作用。

实验发现，注入盐溶液后电极腐蚀现象较为明显。本次实验未对电极腐蚀防腐办法做深入探讨。建议在今后的研究中使用新型的电动土工材料或使用其他方法减少电极腐蚀现象。

4 结 论

1)注入盐溶液能够提高土体中电流的大小，且电流的变化呈逐渐偏离负指数的形式衰减，能够提高电导率，能有效减少界面电阻现象。

2)溶液注入方式不同对实验结果影响较大，适量增加单次注入溶液的剂量可以使电流增大、电导率增大、排水量增大、排水速率加快，但电动法通电时间过长则会导致电动效率明显降低。

3)注入盐溶液能降低排出单位液体所需要的能量，随实验时间增加，电能将被转换为热能，且界面电阻逐渐增大，选择合适的通电时间可以有效控制能耗及效率。

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