非金属电极在电渗排水中的应用

王宁伟，孙守刚，梁家豪，柴高炯，刘　铁

(沈阳建筑大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110168)



非金属电极在电渗排水中的应用

王宁伟，孙守刚，梁家豪，柴高炯，刘铁

(沈阳建筑大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

利用自制的非金属电极和金属铁电极分别进行四组室内软土电渗试验，探索非金属电极在电渗排水中的应用效果。通过电渗过程中电流、电渗排水量、排水速率、能量消耗、能耗系数的变化及对电渗前后土体的含水率的变化，得出以下结论：非金属电极在电渗排水中应用效果良好，土体含水率下降较大，并产生比较显著的沉降；非金属电极的电流衰减的较慢，能保证电渗排水的持续进行,最终的累积排水量大；采用非金属电极可提高电渗效率。通过该试验的研究探讨了电渗的有效性，指出了非金属电极的优越性，为电渗法的工程应用提供指导。

非金属电极；电渗排水；电流衰减；有效能耗

随着我国沿海经济新区的不断开发，围海造陆工程越来越多，如何快速处理低抗剪强度、高含水率和低渗透性的软黏土满足工程建设的需要成了工程界的棘手问题之一。传统的加固处理方式如真空预压和堆载预压处理技术等均受制于土体的渗透系数的影响，存在着排水速率十分缓慢、施工时间相对较长、加固后沉降变形大和均匀性较差等问题，有时甚至难以达到预期的加固强度。电渗法是通过在土体两端施加适当的低压直流电，通过产生电动和电化学等反应引起土体内部离子和水分子定向运动的排水固结方法，其最大的优点是排水速率快，加固均匀和强度效果好，是加固软黏土地基的有效处理方法。1936年Casagrande L[1]首次将电渗现象引入到土力学中，并于1939年首次将电渗法成功运用到铁路的挖方工程中，并取得了非常好的加固效果。此后，许多的国内外学者从不同的角度对电渗加固软黏土技术展开了大量的试验研究,如采用不同的传统电极材料[2-3]来研究电极对电渗排水效果的影响，采用转换阴阳电极技术[4-6]、合理的间歇通电技术[7-9]、电渗联合加载技术[10-12]、电渗联合真空技术[13-15]等来提高电渗排水的加固效果，采用不同的电极布置形式[16-18]来研究电极的布置方式对电渗加固效果的影响，采用不同的电压梯度[19-20]来研究其对电渗加固效果的影响，采用新型的电动土工合成材料(EKG)[21-22]作为电极来抑制电极的电化学反应等。但由于电渗法中的金属电极容易腐蚀和钝化、耗电量比较大等缺点未能使其在工程上得到广泛的应用。本文通过对软黏土在相同电势梯度下进行室内电渗试验，分析试验过程中的电流、排水速率、排水量、能量消耗、能耗系数及加固后土体的含水率的变化规律，以期得到非金属电极对软黏土电渗加固效果的影响，为工程现场提供一定的参考。

1　试验准备

1.1制作电极

试验所用的电极主要由碳纤维与固定塑料排水板联合制成的非金属电极和金属铁电极(φ6的钢筋)。碳纤维为12 k，电阻为36 Ω/m。将碳纤维丝等间距的布置在塑料排水板凹槽里，另一端用导线和铜圈与多根碳纤维进行连接，并做好绝缘处理，制作成一支非金属电极。本试验在模型箱两端各布置1支电极，安放电极时将布置碳纤维丝的一侧朝模型箱的内侧相对布置，位于中间的位置，垂直插入土样中，阴极的电极还需从模型箱底部露出3 cm～4 cm，以保证阴极有良好的向下排水通道。

1.2试样制备

试验用土样为营口某万达广场工程现场采集的原状黏性土，将原状土进行烘干，碾碎、过筛等步骤处理，然后按照试验的目标含水率进行计算并称取相应质量的干土和水，放到大型塑料箱内进行搅拌、调匀，配置成重塑土样，并密闭静置48 h后，清除表面积水，以保证土样的均匀性。

1.3试验装置

(1) 试验模型箱。本试验是在自制的长方形塑料模型箱内进行，长×宽×高为280 mm×220 mm×165 mm，在阴极的下端有排水口，量筒放置其下端，便于收集电渗排出的水。整个试验装置示意图如图1所示。

图1电渗试验装置示意图

(2) 稳压直流电源。试验所用电源为定制的稳压直流电源，它能够提供最大电流为5 A的输出电流和最大60 V的输出电压，此电源还能够显示电路中的瞬时电流值，可长时间连续工作，同时具有漏电保护功能。

(3) 测量部分。测量部分由量筒、万用表、电流表、联测无纸记录仪组成。土体排出的水由底部的排水孔从阴极的下端用细铁丝进行引流流出，滴到量筒中进行读数；试验中阴极阳极两端的电压大小用万用表进行测量；土体的瞬时电流用电路中所串联的电流表进行测量；能量消耗用型号为SIN-R200C的联测无纸记录仪测量，其具有停电记忆功能。

1.4试验方案

本次试验一共做4组试验，试验编号分别为试验A、试验B、试验C、试验D，电渗试验基本参数情况见表1。试验A、试验B、试验C三组试验土样均取自同一个模型箱内，初始含水率大致相同，近似为52.3%。试验D的土样取自于另一个模型箱，测得其初始含水率为50.6%。试验开始通电后，每间隔0.5 h记录一次试验数据，包括试验土体中瞬时电流、土体的累积排水量、联测无纸记录仪的能耗读数；连续通电32 h后，停止试验，断开电源。试验结束后测试阴阳极竖直方向上的土体的含水率。以上试验步骤均参照 《土工试验规程》[23](SL237-1999)进行严格进行测试的。

表1　电渗试验基本参数情况

2　试验数据分析和讨论

2.1电流

图2为电流表的读数随时间的变化曲线。由图2可以看出，试验A、试验B、试验C、试验D的电流均呈现从初始电流先短暂增大后缓慢衰减的变化规律，试验A最大电流达到0.86A，试验B最大电流达到0.94A，试验C最大电流达到0.99A，试验D最大电流达到0.84A。随着电渗的进行，土中的自由水和弱结合水不断排出，土体的总电阻不断增大，电流逐渐减小到最低值[24]。而在电流衰减的过程中试验C的电流一直大于同一时刻其他三组试验的电流值。当通电时间到30 h时，电流值平均衰减到初始电流的15%～20%，此时电渗排水十分缓慢。因此可以得到：电流随着土体总电阻的不断增大而衰减变小。根据Shang等[25]1996年的试验研究，电流是电渗排水固结的主要影响因素，电流的大小决定着电渗累计排水量的多少。因此，在30 h后电渗的排水效果不是很明显，几乎达到了停止状态。

图2电流随时间的变化曲线

2.2排水量和排水速率

图3为四组试验的排水量曲线，从图3中可以看出，刚开始通电的6 h内，试验A与试验D的排水量大致相同，试验B与试验C的排水量大致相同；6 h以后试验C的排水量快速增长，增加的斜率大于其他三组试验的增加斜率；24 h后四组试验的增加斜率大致相同，此时四组试验的单位排水量较低。对比四条曲线，在相同的时间下，试验C的排水量始终大于其他三组试验的排水量，试验B、试验C、试验D的最终排水量分别是试验A的最终排水量的1.21倍、1.34倍、1.03倍。由此可知，非金属电极的排水量高于传统的金属电极的排水量，非金属电极的排水效率大于传统的金属电极的排水效率，因此非金属电极相对于传统金属电极更具有工程应用的前景。

图3电渗累积排水量随时间变化曲线

图4为四组试验的排水速率曲线，从图4中可以看出，在整个试验的过程中，试验C的排水速率大致始终高于其他三组试验的排水速率。四组试验的排水速率均呈现随时间先增大而后逐渐降低直至稳定的变化规律，主要与电流的变化有关。与图2相对照，可以看出单位时间的排水速率随着电流的减小而变慢，是因为土的导电主要靠的是离子的运动，电流大则土中的离子迁移速度比较快，带动极性水分子的运动速度和数量也相应增大，因此其排水速率增大。

图4排水速率随时间的变化曲线

结合图3和图4可以得出，电渗排水固结过程大致呈如下变化规律[26]：在0 h～6 h时间内，四组试验的累积排水量呈直线型增长，主要是由于四组试样的初始参数大致基本相同，通过土体的初始电流也相同，所以四组试验的排水速率大致相同；在6 h～20 h时间内，四组试验的累积排水量呈曲线形缓慢增长，它们变化趋势大致相同，主要是由于金属阳极发生电化学反应，与土体形成了界面电阻，随着土体的水不断排出，土体的含水率逐渐下降，二者最终导致土体中电流不断地衰减变小，从而导致排水速率越来越慢；在20 h～32 h时间内，随着土体中大量的水分的排出、电极与土体间的界面电阻的不断增大和电极与土体间产生的裂缝等原因使四组试验的排水速率均比较低，在30 h后四组试验的排水速率大致相同，分别衰减到各自排水速率峰值的6%～12%，此时的电渗排水基本结束。所以，相对于传统金属电极来讲，采用非金属作为电极可以排出更多的自由水和弱结合水，使提高土体的承载力更加均匀，效果更好。

2.3能量消耗和电渗效率

四组试验采用的同一稳压直流电源，试验采用的输出电压为36 V，根据四组电流的数据，电渗排水的能耗表达式[27]：

(1)

式中：Ut为四组试验的所需电压；It为t1～t2的时间段内的经过土体的平均电流；Ct1为t1时刻所对应的能耗值；Ct2为t2时刻所对应的能耗值。四组试验的能耗曲线如图5所示。从电能消耗的角度分析，四组试验的能耗均是逐渐递增的，但是能耗增加的幅度是逐渐降低的，是由于试验开始阶段土样的含水率较高，土样的导电性较好，电流较大。随着试验的进行，土体的含水率不断地降低，电流不断地衰减，电能的消耗增幅也随之减小。从图5中可以看出，试验C的电能消耗最高，试验B的电能消耗始终高于试验A的电能消耗，直到试验结束阶段，两者的电能消耗大致相同，而试验D的电能消耗最小。

图5能耗随时间的变化曲线

为了研究电渗排水效率，引入了平均能耗系数[28]，它代表排出单位体积水所需要消耗的电能：

(2)

式中：Ut为四组试验的所需电压；It1t2为在t1～t2的时间段内土体的平均电流；Vt1是t1时刻的累积排水量；Vt2是t2时刻的累积排水量。t1、t2均为通电时间。四组试验电渗过程的能耗变化曲线如图6所示，由图6可看出：在电渗开始的12 h之内四组试验的能耗系数很小，说明电渗排水效率比较高，是因为在电渗的开始阶段土体的含水率较高，土中的水分子通过克服阻力，消耗电能，很快形成排水通道，排水通道形成后排水速率加快，电能利用率高；在12 h以后，四组试验的能耗系数不断上升，随着土中水的不断排出，土体总电阻增大，此时排水需要更多的电能消耗，进而使其能耗系数不断增加。当试验进行到24 h时，四组试验的能耗系数均出现迅速增长，此时电渗的效率非常低，可以停止试验，以便节约电能。

图6能耗系数随时间的变化曲线

2.4电渗后的土体和电极

试验结束后，分别测试了四组试验的阳极附近1 cm处上部、中部、下部的12个点的土样平均含水率，如表2所示。

表2　试验后土体的含水率

试验A、试验B、试验C初始含水率是53.2%，试验D的初始含水率是50.3%，电渗结束后，经电渗排水后四组土样均有平均8 mm左右的整体沉降，试验A、试验B、试验C、试验D的阳极附近的土体含水率分别减少了46.2%、62.4%、65.6%、43.3%，而阴极附近处的土体含水率降低略小于阳极的降低幅度；试验B、试验C经电渗试验后含水率降低幅度大于试验A传统电极电渗处理后含水率降低幅度。在电渗试验过程中，四组试验的阳极表面均有腐蚀，试验C的腐蚀最严重，试验B、试验D的阳极腐蚀次之，试验A阳极腐蚀最小，而且四组试验的阳极附近表面出现一个红褐色的不规则圆形区域，直径大约为8 cm左右，该区域强度较高；阴极的部分碳纤维出现断裂，呈碎末状，且阴极土体出现发热现象，具有一定的温度，可能是电流过大的造成的，阴极表面有白色物质出现，该区域直径大约为5 cm，附近土体表面有少些裂缝出现，裂缝最大宽度可达到4 mm～7 mm。量筒也有少量的白色钙质沉淀附着在其内壁上，可能是碳酸钙沉淀。

3　结　论

本文从电极材料的角度入手，通过四组软黏土电渗室内试验研究，从电流衰减变化规律、电渗累积排水量、排水速率、电渗能量消耗、电渗效率及土体含水率和电极腐蚀等多方面进行对比，得到结论如下：

(1) 非金属电极在电渗排水中应用效果良好，土体含水率下降较大，并产生比较显著的沉降。

(2) 在同一通电条件下，电渗过程中的电流大致呈先增长后减小的变化规律。

(3) 非金属电极的电流衰减的较慢，可以持续保持足够大的电流，能够保证电渗的进行。

(4) 对比四组试验，非金属电极的排水速率高于传统金属电极，其电渗排水量远大于传统金属电极的排水量。非金属电极可以提高电渗效率，其具有非常好的工程应用前景。

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The Application of Non-metallic Electrodes in Electroosmotic Drainage

WANG Ningwei, SUN Shougang, LIANG Jiahao, CHAI Gaojiong, LIU Tie

(SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,Liaoning110168,China)

The purpose of this experiment was to explore the application effect of the non-metallic electrodes in electro-osmotic drainage. The experiment performed four groups of indoor electro-osmosis tests and the electrode used is made of self-made non-metallic electrodes and metallic iron electrodes. Through the variation of electrical current, drainage rate, electro-osmosis displacement, energy consumption, energy consumption coefficient, as well as the variation of the water content before and after the electro-osmosis consolidation test, the conclusions are Non-metallic electrodes has good effect in the application of electroosmotic drainage, the decrement of water content is more obvious and generate more significant settlements; the electrical current of Non-metallic electrode decay is slow, it can ensure sustained electroosmotic drainage process, the ultimate drainage is more. Non-metallic electrodes can improve the electro-osmotic efficiency. Through the experiment, it can explore the effectiveness of electro-osmosis and pointed out the advantages of the non-metallic electrodes as well as provide guidelines for engineering applications of the electro-osmosis technique.Keywords: non-metallic electrode; electroosmotic drainage; electric current decay; effective energy

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.012

2016-03-17

2016-04-11

TU472

A

1672—1144(2016)04—0059—05