土壤含盐量对电势作用下黄土水分迁移影响试验研究

焦丹，任芮花，王铁行，宋彦琳，张磊

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安，710055；2.西安建筑科技大学理学院，陕西西安，710055)

浅层黄土基本处于非饱和状态。非饱和黄土质地疏松、孔隙大、垂直节理发育，可溶盐含量高，具有湿陷性。随着含水量的增加，黄土强度与稳定性都逐渐降低，从而给黄土地区的工程建设带来隐患。土体含水量的变化是土体水分迁移的结果。对浅层黄土体而言，土体水分迁移的动力(水势)主要包括重力势、基质势和温度势，本试验对土体施加直流电场，将电势作为一种新型驱动力研究其对非饱和黄土水分迁移的影响。降低土体含水量对于黄土基坑、隧道等工程而言能够增加其工程稳定性[1]。黄土地区直立边坡高度多为10～20 m，土体含水量为6%～10%。根据地质类比法，利用电势作用降低靠近坑坡土体含水量，形成低含水量坡体或重力式墙，从而增大基坑稳定性。目前，电渗法多应用于饱和软土[2-9]及海相黏土[10]的排水固结，李瑛等[11]研究了不同电源电压对饱和软土电渗排水的影响。王协群等[12]采用不同电极材料对湖相软土进行了电渗排水固结试验，提出采用电渗排水法加固效果好、速度快。李瑛等[13]通过对比分析排水量、含水量等研究含盐量对饱和软土电渗排水的影响。王甦达等[14]结合电渗脱水原理及路基施工情况提出了过湿土填筑路基电渗法施工工艺。这些研究均表明电渗法加固饱和土效果显著，但电渗法在非饱和黄土方面的研究较少。黄土组成成分中有一定含量的盐分，其中易溶盐类包括氯化物盐类、易溶的硫酸盐及碳酸盐类等，含盐量对土体工程地质性质产生很大影响，且不同地区黄土含盐量不同，成分也大不相同。本文作者以非饱和黄土作为研究对象，研究不同含盐量对电势作用下黄土水分迁移的影响，为处理黄土地基提供新思路。

1 试验方案

1.1 试验装置

为了满足土样制备及观察试验过程中土样变化情况，试验盒采用8 mm厚可拆卸透明耐压玻璃制成，分为上部土样盒和下部固定支座。土样盒内部长×宽×高为21.5 cm×10.0 cm×16.0 cm。阳极和阴极均采用10 cm×10 cm的铁丝网格，铁丝直径为1 mm。电极材料与土样之间放置土工布作为反滤层。考虑电极材料与土工布厚度，实际阳极材料与阴极材料间距为21 cm。土样长×宽×高为21 cm×10 cm×10 cm。图1所示为电渗装置图，其中，V1～V5表示电势测针，用于测量该处土体的电势。

图1 一维电渗装置图Fig.1 Setup developed for one-dimension electro-osmosis

试验电源采用直流电源，最大输出电压为30 V，并能保证长时间稳压输出。试验控制电势梯度为1 cm/V。各组试验电压均采用20 V。采用万用表测量电流及电压变化。

1.2 试验土样

试样土料取自陕西西安，为晚更新世Q3马兰黄土，根据勘察报告可知：该地区土体干密度介于1.35～1.65 g/cm3之间，土体含水量最小值为14.2%，平均含水量为20.3%。表1所示为原状土试样基本物理参数。

试验前将原状黄土风干、碾碎并过孔径1 mm筛备用。为保证试验过程中土体接触性良好，配置土样干密度为1.65 g/cm3。按土、水质量比1:5浸水搅拌均匀，待溶液澄清后用吸管将清液排出，反复进行7次，土悬液电导率小于1 ms/cm时，土样变成素土[15]。将素土烘干、碾碎，过孔径1 mm筛备用。试验时先将盐溶于水，再用溶解充分的盐水配制土样。试验用盐为NaCl。含盐量为NaCl与干粉质量比，分别为0，0.25%，0.50%和1.00%。

表1 原状土物理参数Table 1 Physical parameters of undisturbed soil

1.3 试验步骤

按照初始含水量与含盐量不同分成7组试样，试验条件如表2所示。

试验步骤如下：

1)按照设计含水量、含盐量配制土样，静置24 h，使土样均匀；

2)拼装试验盒，在阴阳两级放置电极材料及土工布，将配制好的土样分层填入试样盒中，静置24 h；

3)连接电路，并插入电势测针。打开直流电源开关，试验中每隔1 h记录1次电流和电压。当电极腐蚀严重后各测针处土体电势不再变化时结束试验，其中，第4组试样通电25 h，第7组试样通电20 h，其他试样均累计通电45 h。

将土样取出并用削土刀削去上半部分土样，在截面上依次从距阳极0.5，2.5，4.5，6.5，8.5，10.5，12.5，14.5，16.5，18.5和20.5 cm处取样，并用烘干法测量各处土体含水量。

表2 试验条件Table 2 Test condition of soil sample

2 试验结果和分析

2.1 水分迁移结果分析

为了便于对土体内含水量变化进行描述，将试验土样沿水平方向分为阳极区与阴极区，靠近阳极的一半土体为阳极区，另一半为阴极区[16]。通电结束后，阳极区土体的含水量低于初始含水量，阴极区土体的含水量高于初始含水量，且越靠近阳极，含水量的降低越大。直流电场作用下土体中的水向阴极移动。阳极附近含水量降低最多，两极之间次之，阴极附近含水量高于初始含水量。

试验过程中均无水分排出。图2所示为沿土样长度方向上土体含水量的变化。由图2可知：初始含水量为14.2%时，第3组试样阳极附近含水量的降低幅度最大，达到6.66%。不同含盐量土体含水量降低效果从大到小依次为第3组、第2组、第1组、第4组试样，结果表明：土体含盐量较低时，盐分的增加能够促进土体水分迁移，且土体含盐量在0.25%～0.50%时水分迁移效果最显著。含盐量对含水量降低的影响规律为先增大后减小。当含盐量过高时，由于Cl-对电极的腐蚀作用，电渗效果逐渐降低，当电极材料腐蚀断裂时，通过土体的电流几乎为0A，此时土体无电渗效果。

图2 土体含水量的变化分布曲线Fig.2 Change values of water content of soil

初始含水量为20.3%时，第5组试样阳极附近含水量的降低最多，达到5.79%。由于电极材料的腐蚀，试验后期土体内电流很小，第6组和第7组试样电渗作用减弱。对比初始含水量为14.2%与20.3%的土体，土体不含盐时，初始含水量越高，水分迁移效果越明显，阳极附近土体含水量的降低越大。土体含盐且初始含水量较高时，含盐量越高对电极的腐蚀作用越强，对土体水分迁移的促进作用越差。

试验过程中，阴极无水排出，土体含水量的变化一部分是由电势作用下土体的水分迁移造成，另一部分是由电场作用下的电化学反应造成。

阳极电化学反应方程式：

阴极电化学反应方程式：

由于阴阳两级附近电化学反应的发生，因此，阳极附近土体呈酸性，阴极附近土体呈碱性。

2.2 电极腐蚀

通电结束后，第1，2，5组试样阳极材料被腐蚀变细，无断开现象；第3，4，6，7组试样阳极腐蚀严重，阳极材料出现断开、断裂现象。图3所示为第1组和第6组腐蚀后的阳极材料。

图3 腐蚀后的阳极材料Fig.3 Anode material after corrosion treatment

试验过程中，除了水分迁移，土体还进行着一系列复杂的化学反应。阳极金属电极失去电子被氧化成为金属阳离子，反应过程为

Cl-与Fe2+生成FeCl2，加速阳极过程，导致金属发生严重的腐蚀，且含盐量较高时，土体Cl-浓度高，对金属电极材料腐蚀更严重。阴极发生还原反应，电极材料无明显腐蚀现象。

2.3 电势分布

电渗试验所施加的电势指的是电渗土样两电极之间的电势，由于在电极和土体的接触面上存在界面电阻，实际用于土体电渗的电势并不等于电源电压，而是实际作用在土体两端的电压差，即测针1与测针5的电势差。界面电阻会分去一部分电势，损失在阳极与土体接触面上的电势称为阳极电势降，损失在阴极与土体接触面上的电势称为阴极电势降[16]。

表3所示为界面电阻引起的阳极电势降。由表3可见，第2组试样阳极电势降随电渗时间先降低后逐渐趋于稳定，其他试样的阳极电势降均随着电渗时间逐渐升高。

表3 界面电阻引起的阳极电势降Table 3 Reduction of positive voltage caused by interface resistance V

土体含水量较低时，阳极电势降随着含盐量的增加先减小后增大，且含盐量为0.25%时电势降最小。洗盐过程仅洗去部分易溶盐，微溶硫酸盐等仍留存于土体中，电势作用下阳极电极附近土体呈酸性，微溶硫酸盐在酸性介质中有可观的溶解度[17]。由于土体除Cl-外还含有，金属腐蚀速率随溶液中Cl-与物质的量比的增大呈先减小后增大趋势，界面电阻随着溶液中Cl-与物质的量比的增大呈先减小后增大的趋势[18]。初始含水量为14.2%的土体，当含盐量为0.25%时，界面电阻达到最小。当含盐量较高，即Cl-浓度较高时，电极表面沉积盐膜较疏松，加速腐蚀反应进行。对于初始含水量为20.3%的土体，当含盐量为0.25%时，试验前期阳极电势降较小，随着试验的进行，界面处Cl-浓度不断升高，阳极材料不断被腐蚀，导致阳极电势降变大。对比第1组和第5组试样，土体不含盐时，初始含水量越大阳极电势降越小。表4所示为界面电阻引起的阴极电势。由表4可知：含盐量越高阴极电势降越大，且阴极电势降随电渗时间逐渐降低。

表4 界面电阻引起的阴极电势降Table 4 Reduction of negative voltage caused by interface resistance

图4所示为第1～3组试样不同时刻的电势分布。由图4可知：第2组试样阳极区土体电势随电渗时间逐渐降低且变化较小，阴极区土体电势斜率在10 h后随电渗时间不断增大。这是由于土体水分迁移量随电渗时间延长不断增大，而且阴极区含水量分布梯度较大(图2)，导致阴极区电势斜率比阳极区的略大。第1组和第3组试样不同时刻电势均近似呈线性分布，随着电渗时间的延长，不同位置土体电势逐渐增大且电势斜率逐渐变小。土体含盐时土体电势增大速率比土体不含盐时的大，且试验后期，不同位置处土体电势均接近于电源输出电压。

对比图4(a)和图2可知：通电45 h后，土体电势分布曲线与含水量变化值的分布曲线变化趋势一致。电势作用下黄土发生水分迁移，沿土体长度方向上电势的变化主要由土体含水量的变化引起。第2组试样的阳极区与阴极区电势分布斜率变化最明显，土体水分迁移最显著，第3组试样的阳极区与阴极区电势分布斜率变化次之，水分迁移量次之，第1组试样阳极区与阴极区电势分布斜率变化最小，水分迁移量最小。阳极区与阴极区电势分布斜率的变化间接反映土体水分迁移程度。

由于电极与土体接触面上存在界面电阻，试验过程中实际电势梯度并非为1 cm/V，而是用土体两端的电势差与土体长度的比值。将测针1与测针5之间电势差作为有效电势，将其与两测针间土体长度的比值作为有效电势梯度。

图4 第1～3组试样不同时刻电势分布Fig.4 Voltage distribution at different times of samples 1-3

图5所示为有效电势梯度随电渗时间的变化曲线。由图5可知：除第2组和第6组试样以外，其余试样的有效电势梯度均随电渗时间逐渐降低，第2组试样有效电势梯度先随时间不断升高，后趋于稳定。由于带有2个负电荷，具有极强的亲核性，与Cl-在金属表面的竞争吸附降低了金属的腐蚀速率，因此，对金属具有一定的缓蚀作用[18]。初始含水量为14.2%，含盐量为0.25%时，对金属的缓蚀效果达到最大，随着试验的进行，阳极电势降减小，有效电势增大，从而导致有效电势梯度优于其他试验。初始含水量为20.3%，含盐量为0.25%时，由于对金属的缓蚀作用，土体有效电势梯度先随时间缓慢上升，随着时间延长，界面处Cl-浓度逐渐增大，电极材料的腐蚀严重，导致试验后期有效电势梯度不断下降。

图5 有效电势梯度随电渗时间的变化曲线Fig.5 Variation of effective voltage gradient with time

2.4 电流变化

图6所示为电流随电渗时间的变化曲线。由图6可知：含水量越高，土体导电性能越好，通过土体的电流越大。含盐量越高，土体溶解离子的浓度越高，土体导电能力越强，电流越大。电流随时间的总体变化趋势为先短暂增大后不断衰减，且含盐量越高，波峰越明显，其后衰减的速率也越快。随着时间延长，阳极材料不断被腐蚀，含盐量较高时，腐蚀速率较快，界面电阻不断增大，导致电流不断衰减，且含盐量越高，衰减速度越快。由于电极腐蚀严重，第3，4和7组试样后期电流趋近于0 A。第2组试样的腐蚀程度较小，后期电流衰减速度越慢，且均比其他试样的高。

图6 电流随电渗时间的变化曲线Fig.6 Variation of current with time

随着电渗试验的进行，阳极电极材料不断被腐蚀，界面电阻逐渐增大，导致土体总电阻增大，土体电流随之下降，因此电流的变化间接反映电能利用率[19]。不同试验土体初始电流不同，为便于对比分析，定义电流降低率：

式中：Q为电流降低率，%；I为土体电流，mA；I0为初始电流，mA。表5所示为不同试样电流降低率。由表5可知：当土体不含盐时，在相同通电时间下，初始含水量越高，电流降低率越小，电能利用率越高。当土体含盐时，除第2组试样外，通电结束时电流降低率均高于90%，电能利用率较低。当土体为低含水量、低含盐量时，电流降低率较小。当含盐量较高时，电极腐蚀严重，导致界面电阻增大，电流降低率越大，电能利用率越低。

表5 不同试样电流降低率Table 5 Current reduction rate of different samples

2.5 土体电阻率变化

土体电阻率反映土体的导电性能，是土体性质的重要参数之一[20]。为了比较有效电势作用下不同含盐量土体的电阻率，定义土体电阻率：

式中：ρ为土体电阻率，Ω·m；E为土体有效电势，V；A为土体横截面面积，m2；L为有效电渗试验土体长度，m；I为电流，A。各组试样土体横截面面积均为0.01 m2，有效电渗试验土体长度均为20 cm。

2.5.1 初始土体电阻率随含盐量变化

图7所示为含盐量与初始土体电阻率的关系曲线，拟合后为一阶递减指数曲线。由图7可知：初始含水量越高，初始土体电阻率越小；初始含水量相同时，土体电阻率随含盐量的增加呈指数降低。土体含水量越高，导电性能越好。土体含盐量的增大导致阳离子浓度增大，导电能力越强，从而导致初始土体电阻率随含盐量的增加呈指数形式降低。

图7 初始土体电阻率随含盐量变化曲线Fig.7 Variation of soil sample initial resistivity with salinity

2.5.2 土体电阻率随时间变化

图8所示为各组试验土体电阻率随时间变化曲线。由图8可知，通电期间土体电阻率是动态变化的。试验过程中土体电阻率随土体中的离子迁移而发生变化。第1组试样土体电阻率最大，试验前期先降低后缓慢升高，试验后期土体电阻率随时间波动。除第1组试样外，其他试样的土体电阻率均先降低后升高。由于通电初期离子溶解度较高，土体电阻率呈现微降趋势[21]，随着离子的定向迁移，孔隙水中活性离子减少，土体电阻率随之增大。

图8 土体电阻率随电渗时间的变化曲线Fig.8 Variation of soil sample resistivity with time

3 结论

1)通电条件下，土体含水量越高，水分迁移效果越明显。初始含水量较低时，含盐量对非饱和黄土水分迁移效果影响显著。受土体中离子浓度的影响，水分迁移效果随含盐量的增加先增大后减小，含盐量为0.25%～0.50%时效果最显著。初始含水量较高时，含盐量越高对电极的腐蚀作用越大，对土体水分迁移的促进作用越差。

2)土体含水量的变化由电势作用下土体的水分迁移及电化学反应造成。由于阴阳两级附近发生电化学反应，阳极附近土体呈酸性，阴极附近土体呈碱性。

3)土体含水量越高，电流越大，土体电阻越小。初始含水量相同时，电流随土体含盐量的增加而增大。含盐量较高时，电流降低率越大，电能利用率越低。不同位置处土体电势近似呈线性分布，阳极区与阴极区电势分布斜率的变化反映土体水分迁移程度。含水量较低时，由于的缓蚀作用，随含盐量增加，界面电阻先减小后增大，导致阳极电势降先减小后增大，含盐量为0.25%时，有效电势梯度随着时间延长先增大后趋于稳定。

4)含水量越高，初始土体电阻率越小。含水量相同时，土体电阻率随含盐量的增加呈指数降低。试验过程中土体电阻率随着土体中的离子迁移而不断发生变化。