间歇通电作用下电渗法加固滩涂淤泥试验研究

金锦强，陈 晨，章迪康，林海志，海 钧

(1.温州市瓯飞开发建设投资集团有限公司，浙江 温州 325000；2.江西理工大学 建筑与测绘学院，江西 赣州 341000； 3.浙江工贸职业技术学院，浙江 温州 325035;4.洞头县状元南片围凃建设开发股份有限责任公司，浙江 温州 325035; 5.温州大学 建筑与土木工程学院，浙江 温州 325035)

0 引 言

随着沿海经济的蓬勃发展，沿海城市土地资源紧缺的局势使得人们大力开展围海造陆和滩涂开发工程.沿海软弱地基处理成为新的挑战，滩涂淤泥是滩涂开发的主要对象，其含水率高、压缩性强、强度低、渗透系数低等特点,无法满足直接施工条件，需经过一些适当的处理，方可进行后续的工程建设要求.传统的地基处理方法无法在此类软弱地基上进行有序地开展，如传统的真空预压法的排水固结时间较长，处理深度较浅，排水板淤堵问题[1]；堆载法处理地基需要在具有一定的承载力土体上开展，这些方法很难达到预期效果.因此，寻找一种可行、高效的地基处理方法势在必行.

电渗法是在软黏土的两端通直流电，土中的自由水和弱结合水随水化阳离子一起向阴极移动，从而达到排水固结的一种地基处理方法.1939年德国Cassagrande在铁路路基开挖工程中首次运用电渗排水地基处理方法之后，也逐渐应用于其他实际工程，如地基加固[2-3]、提高桩承载能力[4-6]、环境岩土工程[7]、堤坝稳定[8-9]、电动注浆[10]、提高灵敏黏土对周期荷载的抗力[11]等.由于电渗具有能耗大、腐蚀严重等特点，对电渗的研究和应用在20世纪60年代到70年代末陷入了低谷.20世纪70年代末以来，国内学者对电渗的研究重新关注起来.目前多以室内试验模拟为研究对象，研究各种条件下的电渗排水效果，以达到提高固结效果、降低能耗的目的.汤会增[12],王协群[13]等研究了电极反转对电渗排水的影响；Burnotte[14]通过在阳极灌入化学物来提高阳极界面；lending[15]、Fourier[16]、王协群[17]、和胡俞晨[18]用新型的电动土工合成材料来代替传统的金属材料，但是存在电极电阻率高，能耗大的问题；而间歇通电被认为是改善电渗效果容易实现的手段之一，龚晓南[19]等对间歇通电进行了室内研究，指出间歇通电可以提高土体的沉降和抗剪强度，有效降低界面电阻.Micic[20]等指出间歇通电可以减少电渗过程中的电极腐蚀和电能消耗.

本文通过几组不同通断比的电渗实验，对比排水量、含水率、抗剪强度以及电极腐蚀几个方面来得出最优通断比，为电渗法在工程中的应用提供依据.

1 试验方案

1.1 试验土样

试验土样取自温州瓯飞工程垦区软基处理工程现场.原状土的各项基本物理指标(见表1).

表1 原状土的基本物理性质

1.2 试验设备

试验采用自制的一维电渗固结试验装置(见图1).装置由580 mm×200 mm×200 mm的有机玻璃制成，包括试验槽和集水槽两部分.试验槽和集水槽由

下端开口的有机玻璃板隔开，两侧集水槽中央分别开有直径为100 mm的出水口.试验采用稳压直流电源(SPD-3606)，阳极为200 mm×250 mm×5 mm铁质电极板，阴极为200 mm×250 mm铁丝网.

图1 试验装置图

1.3 试验方案

试验采用稳压输出，电压保持在20 V，进行4组不同通断比的电渗试验，保证各组试验通电时间均为24 h(见表2).分析不同通断比对试验效果的影响以确定最佳的通断比(通电时间/间歇时间).

表2 试验方案

1.4 试验步骤

试验前在模型箱内壁涂上一层凡士林，并在相应位置插入湿润的阳极、阴极，将原状土分层装样，装样过程中小心挤压、震荡以使土样处于均匀密实状态.按照试验装置图连接仪器并开始试验，试验前期每隔1 h记录一次土体的电流强度、电渗出水量，并观察记录土样产生的变化，试验稳定后每3 h记录一次数据，待所有试样排水速率均小于5 ml/h时停止通电.试验结束后，测量土体抗剪强度、含水率、pH值，测点位置(见图2).

图2 取样位置点

2 试验结果分析

2.1 电流及排水量随时间的变化

电渗前期每0.5 h读取一次数据，待电流稳定以后1h测量一次数据，试验后期电流下降趋势稳定后间隔2 h读取一次数据.得到的电流随时间变化的曲线(见图3).从中图中可以看出，电流随着试验的进行呈现先增大后减小的变化趋势.这是由于电渗前期土体成分分布不均匀导致的电流增长，在电渗后期，随着硬壳层、裂缝的形成和阴极水的不断排出，土体电阻和界面电阻不断增大，导致电流逐渐降低.在进行间歇操作以后，电流趋势呈波浪形.这是由于在断电期间，电荷会重新分布，在土体内部形成一个回路，通电的瞬间，回路再次打断，电荷再次重新分布，电流才会产生这样的瞬间上升变化，从而导致电流呈现波浪形.电渗后期，电流下降趋于稳定，但从图中不难看出，随着间歇周期的增长，相同通电时长后趋于稳定的电流相对越高.

排水量是衡量电渗效果的直观指标，图4即为T1～T4试验排水量随时间的变化.由图像可知在电渗初期，四组试验并无明显差异，随着试验的进行，T1与T2～T4排水量出现明显差异，并随时间的流逝差异越来越大.T1、T2、T3和T4最终排水量分别为：474.16 g、636.06 g、654.23 g和685.23 g，间歇效果最好的T4组排水量相比持续通电的T1组多排水211.07 g所以间歇通电效果明显优于持续通电.间歇通电的三组试验，随着通断比的不断增大排水量也明显增加，效果最好的T4组排水量比T2组多了49.17 g，但T2和T3排水量仅相差18.17 g.由此可见，间歇延长了电渗试验的排水时间，使得间歇通电排水效果远优于连续通电；由于断电过程中排水基本停止，在毛细现象和反向水力梯度作用下汇集在阴极的部分水位回流，所以间歇时间不宜过长，断电时越短排水效果越好.

图3 电流随时间的变化

图4 排水量随时间的变化

2.2 含水率的变化

试验结束后按图2测点位置取土、称重、烘干、再称重得出土体含水率变化曲线(见图5).由图可知，阴极含水率明显高于阳极含水率.这是由于在试验过程中，水由阳极向阴极移动，随着试验后期电渗效率的降低及裂缝的生成，阴极水无法排出所导致.同时，由于间歇延长了电渗试验的排水时间，使得间歇通电的排水效果远优于连续通电，所以间歇通电的T2～T4组试验后土体含水率小于持续通电的T1组，并且，根据间歇时间的长短，T2～T4组试验后土体含水率存在一定差异，这也与排水量的差异相互呼应.

图5 含水率变化情况

2.3 抗剪强度的变化

试验结束后用微型十字剪切仪按图2所示测点位置测量土体的抗剪强度.土样表层抗剪强度(见图6)，T1～T4组抗剪强度均从阳极到阴极递减，且不同通断比的表层抗剪强度存在明显差异，T4组阳极、中部抗剪强度明显高于其他3组，但阴极抗剪强度无太大差别均在10 kpa以下.间歇效果最好的T4组阳极抗剪强度相比持续通电的T1组高出13 kpa,中部亦比T1组高出7 kPa、5 kPa，说明T4组的方案可以明显提高土体阳极的抗剪强度，但是对土体中部，阴极土体的抗剪强度提升效果并不明显.

图6 抗剪强度的变化曲线

2.4 PH值的变化

试验结束后，阳极存在较为严重的腐蚀，阴极附近有白色沉淀物(主要为Ca2+和Mg2+的沉淀物)所以在电渗过程中伴有化学电解反应.阴极生成OH-使得土体PH升高；阳极产生H+从而使土体呈酸性.

阴极：

2H2O+2e-→H2↑+4OH-

阳极：

2H2O-4e-→O2↑+4H+

M+H2O→MO+2H++2e-

按图2位置取出土样，烘干测其含水率后捣碎，以1 ∶5的土-水质量配成悬浊液，静置30 min后测其PH.图7为试验结束后土体的PH变化情况.由图可以得出：阳极附近PH下降，阴极附近PH上升.相比持续通电而言，间歇通电土体PH变化相对较小，从而可知间歇通电减缓了土体的电解反应、电极腐蚀.

2.5 电极腐蚀对比

试验结束后取出电极，阳极严重腐蚀，从而导致界面电阻增大，这也是电渗试验后期效果不佳的主要原因之一.将阳极冲洗晾干后称重，进而得到表2中各组电极腐蚀情况.从表中不难看出，合理的间歇通电可有效减缓电极腐蚀.

图7 试验后土样PH值

T1T2T3T4试验前/g974.44912.81913.47965.88试验后/g885.93828.47835.41897.83腐蚀量/g88.5184.3478.0668.05

3 结 论

本文以温州软黏土为研究对象，针对间歇通电对电渗效果的影响进行了4组室内一维电渗试验，从排水量、抗剪强度、电极腐蚀等方面比较了不同通断比对电渗效果的影响，综合以上数据的分析，可以得出以下结论：

(1)间歇通电效果明显优于持续通电，有利于工程施工的改善.

(2)选取合理的通断比，间歇通电可有效地减缓电极腐蚀，提高电渗效率，使排水量和土体的抗剪强度得到明显改善.建议间歇时间不宜过长，间歇时间越短电渗效果越好.

(3)实际工程中，建议通电2 h，间歇15 min，这样既可以提高排水效果又可以缓解电极腐蚀，提高土体抗剪强度.

信息启示

法国居里大学Bruce Denby教授受聘为我校客座教授

4月11日下午,Bruce Denby教授受聘为我校客座教授的聘任仪式在教学科研楼412会议室举行.我校党委委员、副校长徐金寿、信艺学院负责人及师生代表等20余人出席了受聘仪式.徐金寿副校长代表学校为Bruce Denby教授颁发了客座教授聘书.

授聘仪式后，学校人事处副处长朱美红、信艺学院院长包志炎与Bruce Denby教授研究团队举行了合作洽谈，并就开展大数据技术及其在水利领域应用方面研究项目合作、教师互派、国际交换生等事项达成初步合作意向；Bruce Denby教授作了题为“无声语音识别：原理、挑战和发展”的学术报告；一起随行的Bruce Denby教授的研究团队成员Pierre教授、Fran?oise教授也分别围绕大数据分析和洪水预报预警等研究领域向大家分享了最新的研究成果.

据悉，Bruce Denby教授来自法国皮埃尔和玛丽居里大学，是天津市“千人计划”外国专家.研究方向主要为无声语音通信(Silent Speech Interface)，机器学习，信号处理等，在国际知名期刊、会议上发表学术著作200余篇.作为无声语音通信的提出者，Denby教授在该领域享受极高声望.

摘自浙江水利水电学院网