阳极跟进作用下软黏土电渗固结室内试验研究

刘飞禹，张 乐，王 军，张 斌

（1.上海大学 土木工程系，上海 200072；2.温州大学 建筑与土木工程学院，浙江 温州 325035；3.上海市电力公司，上海 200122）

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［1］，且具有排出土体中弱结合水的功效。Esrig［2］于1968年最早进行了电渗固结理论研究，提出了电渗的一维固结经典理论。之后，Shang［3］推导了电极平面内的二维固结理论。Su等［4］在Esrig一维固结理论的基础上采用分块处理的方法进行了二维固结理论的解析，提出了电渗的二维固结理论。Zhuang等［5］对电渗过程中的界面电阻问题进行了分析。李瑛等［6－8］开展了含盐量对软黏土电渗排水、电压对一维电渗排水影响的试验研究，并建立了堆载与电渗法联合作用下的耦合固结理论。Glendining等［9－11］对 EKG 开展了研究，并对其使用范围进行了推广。Chew等［12］使用铜丝与塑料排水板制作EVD，尽管现场未达到预期效果，但EVD的设计理念对电渗排水具有积极影响。Micic等［13］，龚晓南等［14］利用室内试验的方法，分别证明了间歇通电技术对电渗加固过程的促进作用，但间歇通电技术也造成了加固周期过长等实际问题。Gray等［15］、Lo等［16］对电极转换技术进行了研究，表明了电极转换技术的有益性，但也暴露了电极转换过程不易有效控制的难题。李瑛等［17］开展了等电势梯度下电极间距对电渗影响的试验研究，表明采用较小的电极间距能够促进电渗加固效果。

但是，电渗法的应用也受到电渗过程中界面电阻增大、阴阳极区域土体含水率下降不均匀、土体电渗透系数降低等问题的困扰。针对上述问题，若是在试验进行过程中，当阳极区土体因固结排水产生土体收缩，进而脱离阳极导致阳极区界面电阻急剧增大时，能够将阳极拔出（或使用新阳极）向阴极跟进，插设于靠近阴极且土体含水率较高的区域，将能够使阳极与周围土体重新接触，使急剧增大的界面电阻有效减小，并能够使原先远离阳极区而未能得到有效加固的土体得以进一步加固。笔者将上述方法命名为阳极跟进技术，并设计了8组室内试验，以期通过试验得到关于阳极跟进技术的有益结论。

1 试验介绍

1.1 土样制备

试验土样取自温州龙湾吹填现场。试验前，将土样烘干、磨成干粉并加水搅拌，制成目标含水率65%的重塑土样，密闭静置24h以保证土样均匀。土样制备过程中，对试验土体基本物理参数进行测试，相关参数如表1所示。

表1 软黏土基本物理参数

1.2 试验装置

试验主体采用有机玻璃模型箱，模型箱由左右两侧的集水室和中间的试样室组成。试样室与两侧的集水室通过下端带有切口的有机玻璃隔板分隔，切口高20mm，使试样室与集水室联通以收集电渗排出水，集水室中心处预留小孔并安装导管，供电渗排出水流入量筒。试样室内部长宽高尺寸为200mm×100mm×100mm。上述有机玻璃箱左右两端各设置一个集水室的构造特点，可满足试验过程中进行电极转换试验的要求。

阳极和阴极均采用金属铁板制成，电极宽度与试样室宽度相同，为100mm，电极高度110mm，高出模型箱10mm，以便于通过电源夹将阴阳极接入电路，电极板厚度为3mm。其中，电渗阳极表面平整密实不做加工处理，电渗阴极在阳极的基础上进行表面钻孔处理，并于一侧表面平贴一层纱布作为过滤层，以防止土颗粒流入集水室。试验用跟进阳极采用不锈钢金属网制成，电极高宽尺寸110mm×100mm，厚度小于1mm。

试验电源采用固纬SPD－3606稳压直流电源，可提供最大120V的输出电压或最大12A的输出电流。电源能够实时显示电路中的电流值与电压值。试验量测装置中，采用量筒量测电渗出流量，采用万用表与电势测针进行土体电势测量。在阴阳两极中轴线上每间隔25cm设置1根电势测针，共设置7根测针，从阴极到阳极依次编号为Dl、D2、D3、D4、D5、D6和D7。测针采用长度为10cm、直径1mm的不锈钢丝，竖直插入土体，入土深度为7cm。

1.3 模型安装

将配制好的土样静置24h后，如图1所示，按下述安装步骤进行模型安装。首先，将电渗电极适当湿润后安装在试验盒中，并开始分层装填小心挤压以使土样处于密实状态。按照电势量测要求，在土中插入电渗测针，按照试验电路图设置要求连接电极、电源、万用表。最后，根据试验方案施加电压开始电渗排水。

2.4 试验方案

此次阳极跟进作用下软黏土电渗试验共设置8组对比试验，试验方案如表2所示。

图1 模型安装平面图

试验开始前，取样测量土样的含水率、pH值、电导率、电渗电极质量等基本参数。试验过程中，间隔1h记录1次电流强度、电势变化以及电渗出流，定时拍照记录土样产生的变化。试验结束后，利用室内微型十字板对土体进行抗剪强度测量，并同时取样进行含水率、土体pH值和电导率测试。

阳极跟进位置为土样3等分处，共3处位置，从阳极到阴极依次命名为间隔1、间隔2、间隔3，表中所示时间为每次阳极跟进作用的持续时间。此次阳极跟进选取电势梯度1V／cm，在不同跟进位置输出相应电压。

表2 试验方案

表2中所示试验Ⅰ为基本实验，阳极不跟进。试验Ⅱ为预插跟进阳极试验，在土样3等分位置，预插3块跟进阳极。试验Ⅲ为电极转换试验，试验进行12h后进行电极转换，继续作用12h。试验Ⅳ到试验Ⅷ为阳极跟进试验，跟进方案如表2所示。

2 试验结果分析

2.1 电流变化

试验中，以初始土体截面积0.01m2换算电流密度，则电流密度为80、50、20A／m2时，电路中电流值分别为0.8、0.5、0.2A。

图2为试验Ⅰ到试验Ⅷ电路中电流强度的变化情况。由图可知，除去各试验中由于阳极跟进或电极转换作用引起的电流跳跃之外，电路中的电流强度呈现整体先增大后减小的变化规律；阳极跟进作用以及电极转换作用均可引起电路中电流的显著增加。由于电路中的电势梯度保持不变，故可从电阻的变化情况对电流强度的变化规律进行解释。进行电阻分析时，将电路中的电阻划分为阳极区电阻、中间部位土体电阻、阴极区电阻3个部分进行考虑。其中阳极区设定为从金属阳极到离开阳极25mm的区域范围内，阴极区设定为从金属阴极到离开阴极25mm的区域范围内，则阴极区、阳极区电阻分别包含电极与土体的界面电阻以及区域内25mm范围内的土体电阻2个部分。

由图2（a）可见，试验Ⅲ中电极转换作用引起了电流增加，然而电极转换引起的电流增加持续时间较短，1h内电流密度便迅速降至20A／m2之下，表明电极转换1h后电渗作用便基本失去了加固效果，反映了电极转换不易操作控制的事实，其实际处理效果也弱于试验Ⅰ。同时，试验Ⅱ预插跟进阳极时，电流强度值低于试验Ⅰ，表明预插跟进阳极对电渗作用具有一定的不利影响，这主要与预插跟进阳极会额外产生金属阳极与土体间的界面电阻有关。

由图2（b）、（c）、（d）、（e）可以看出，相同电势梯度作用下阳极跟进引起的电流增加持续时间较长，这与阳极跟进作用改变了各部分电阻的构成情况密不可分。电渗中，阳极区土体干燥收缩以及气体排出，导致阳极区界面电阻增加；阴极区气体排出引起阴极区界面电阻增加。阳极区土体干燥也会引起土体电阻的增加。此外，中间部位土体因含水率降低等原因也会引起电阻增加。

然而，本次试验中对电势变化监测的情况表明，阳极区电势突变最为明显，表明阳极区内电阻增加值占电路中整体电阻增加值比例最高，阳极区内的电阻增加对电渗电路中电流的下降起到了决定性作用。因此，当阳极区土体达到处理效果之后，将阳极相对阴极进行跟进，使得电渗电路规避了原先的阳极区电阻，电渗效率得以大幅提高，这是阳极跟进技术得以发挥作用的原因所在。

图2 电流强度曲线

由图2（b）可见，试验Ⅳ、Ⅴ的电流强度在试验早期与试验Ⅰ的变化规律一致，试验中期高于试验Ⅰ，试验末期略低于试验Ⅰ。电流值低于试验Ⅰ可能与试验Ⅳ、Ⅴ早期土体处理效果较好，土体电阻增加值较大有关。试验Ⅳ、Ⅴ的电流强度变化要优于试验Ⅰ，试验Ⅴ的电流强度值要优于试验Ⅳ。

试验Ⅳ在进行第2次阳极跟进后，电流强度值下降速率增大，进行第3次阳极跟进后，电流在瞬间增加后迅速降低并趋于0，表明频繁（间隔时间较短）进行阳极跟进反而会降低电渗效率。试验Ⅳ在进行第2次阳极跟进时，电路中电流密度在60A／m2的高位，此时进行阳极跟进可能会打破土体中已形成的导电体系，进而降低电渗效率。

由图2（c）可以看出，试验Ⅵ在阳极跟进后电流强度值高于试验Ⅰ，其中试验Ⅵ在进行第2次阳极跟进后电流值降低速率增大。第2次阳极跟进发生在电流密度在60A／m2的高位。综上可见，与试验Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ相比，试验Ⅴ的电流强度变化值表现最优。

图2（d）显示了试验Ⅰ与试验Ⅴ、试验Ⅶ的电流强度变化情况。试验Ⅶ在阳极跟进后电流强度值高于试验Ⅰ。当试验Ⅶ在试验开始后18h、电流密度20A／m2时进行第2次阳极跟进时，电流强度有小幅跳跃增长，这可能与土体经历18h的电渗处理后，跟进部位土体已较为干燥、电阻较大有关。从整体电流变化来看，试验Ⅶ的第2次阳极跟进对电渗效果仍有促进作用，但由于电流密度为20A／m2时电渗效率已较低，其最后6h的电渗加固效果有限。

图2（e）显示了试验Ⅰ与试验Ⅴ、试验Ⅷ的电流强度变化情况。试验Ⅷ在第1次阳极跟进后电流强度值高于试验Ⅰ。当试验Ⅷ在试验开始后18h、电流密度20A／m2时进行第2次阳极跟进时，电流强度在明显跳跃增加后迅速降低并趋于0。试验Ⅷ的第2次阳极跟进与试验Ⅳ的阳极跟进位置一致，均为间隔3处，即阴极区土体界面位置。上述试验表明，针对阴极区土体进行阳极跟进，但阳极跟进并未出现电流值增大现象，表明对阴极区土体进行阳极跟进是无效的。

2.2 抗剪强度

试验结束后，将土体沿深度方向等分为两层、沿阴极到阳极方向等分为4段，共8个区块。于第1层表面每段中心部位利用室内微型十字板剪切仪进行抗剪强度测试，于每个区块表面的中心部位取土进行含水率、土体pH值等指标测试，每处取土不少于40g。

表3列出了试验Ⅰ到试验Ⅷ第1层土体各测试位置的十字板抗剪强度值。靠近阳极区的土体抗剪强度高于靠近阴极区的土体，且阳极跟进提高了原先远离阳极区的土体抗剪强度。试验Ⅳ到试验Ⅷ中阳极跟进作用形成的新阳极区，其土体抗剪强度甚至高于初始阳极区土体的抗剪强度，显示了阳极跟进技术的有效性。由于试验Ⅳ中阳极跟进间隔时间相同，试验Ⅳ中除阴极区土体抗剪强度值较低外，其余位置抗剪强度值较为均匀。

表3 土体抗剪强度

抗剪强度的差异性表明，当阳极区土体达到处理要求时，便可进行第1次阳极跟进，跟进位置设在尚需处理的土体中。在进行后续阳极跟进时，优先根据土体处理效果决定何时进行跟进，以免造成局部土体处理效果过好，导致能耗过高资源浪费。

2.3 排水量和含水率变化

图3为各组试验土体累积出流量随时间的变化规律。由图3（a）、（b）可以看出，试验Ⅰ土体排水优于试验Ⅱ与试验Ⅲ，而试验Ⅳ土体排水则优于试验Ⅰ，同时阳极跟进作用下各组试验的土体排水均优于试验Ⅰ，表明了阳极跟进的有效性。试验Ⅳ、Ⅵ土体累积排水较少的原因，可能与第1次阳极跟进后作用时间较短有关，未能充分利用第1次阳极跟进产生的较高电流密度。

图4显示了各组试验不同位置处土体含水率的分布情况。各试验中土体含水率均表现出阳极区土体含水率低，阴极区土体含水率较高的规律。由图4（a）、（b）可以看出，试验Ⅰ的土体处理效果优于试验Ⅱ与试验Ⅲ，试验Ⅳ、试验Ⅴ、试验Ⅵ在阳极跟进作用下土体处理效果均优于试验Ⅰ，其中试验Ⅴ处理效果较试验Ⅳ与试验Ⅵ处理效果要好。

图3 土体累积出流量

由图4（c）可以看出，试验Ⅴ、试验Ⅶ、试验Ⅷ在阳极跟进作用下土体处理效果均优于试验Ⅰ，其中试验Ⅶ、试验Ⅷ的处理效果优于试验Ⅴ。试验Ⅶ与试验Ⅷ在一层土体含水率分布情况上表现较为接近。由图4（d）、（e）可以看出，在各组不同阳极跟进方案的试验中，试验Ⅶ的处理效果表现最好。

2.4 土体电导率和pH值

表4为各组试验不同位置土体pH值的分布情况。由表4可见，在电渗作用下由于试验过程中的电化学反应，阴极区土体pH值较处理前土体的pH值普遍提高，阳极区土体pH值较处理前土体的pH值有所降低。处理效果越好的组次，其阴极区土体pH值越高、阳极区土体pH值越低。pH值变化的越显著，表明了土体内部电化学反应越强烈，也反映出阳极跟进能够促进电渗过程。

表4 土体pH值

图4 土体含水率分布

表5为各组试验不同位置土体电导率值的分布情况。电渗作用后，越靠近阳极区，土体电导率值越大，大于处理前的土体电导率值4.96，越靠近阴极区，土体电导率值越小。同时，阴极区土体pH值越高，土体电导率值越低，表明土体电导率的降低与电化学反应引起的酸碱度的变化密切相关。

表5 土体电导率

2.5 阳极腐蚀量

图5为各组试验中阳极质量减小值，此处定义为阳极腐蚀量。试验中阳极1到阳极4的命名根据实际作用时阳极跟进的次数与先后顺序确定，其中，阳极1为初始阳极，阳极2、3、4均为跟进阳极。由图5可以看出，电渗处理效果与阳极腐蚀量成正比，阳极腐蚀量越大，表明电渗作用效率越高；当电渗作用基本停止时，阳极腐蚀量也基本为0。

图5 阳极腐蚀量

此外，试验Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ的阳极腐蚀量大于试验Ⅰ、试验Ⅱ、试验Ⅲ，表明阳极跟进导致了阳极腐蚀量的增加，也间接表明阳极跟进促进了土体的电渗固结。从试验Ⅱ阳极2的质量减小可以看出，预插跟进阳极会使跟进阳极产生一定的腐蚀。从试验Ⅳ可以看出，阳极2、3、4的阳极腐蚀量依次减小，表明第2次与第3次阳极跟进其电渗加固效果均小于第1次阳极跟进。试验Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ也得到同样的结论。

3 结论

1）采用阳极跟进技术可有效降低电路中阳极区电阻，提高电渗加固效果。

2）采用阳极跟进技术时，第1次阳极跟进效果最为显著。

3）电渗法加固软黏土地基过程中，针对阴极区土体开展阳极跟进无法获得显著的加固效果。

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