多电极与板电极对电渗效果对比试验研究

王顺王宁伟王松

摘要：采用重塑软土，对多电极与板电极的电渗效果进行了室内试验研究，通过分析排水量、电流变化、能量消耗，观测裂缝及沉降比较了两者对电渗效果的影响，结果表明：利用多电极对软土电渗排水时，排水加固效果较好，电流变化比较稳定，产生的裂缝较少。

关键词：电渗；多电极；板电极；排水量

引言

中国是陆地大国，同时也是一个海洋大国，海岸线长度1.8万公里，居世界第四位。同时沿海地区整体开发已经被纳入国家战略。但是在开发的同时也存在很多问题：我国沿海地区广泛的分布着软粘土，软粘土具有含水量高、渗透性低、压缩性高、含盐量高、抗剪能力低等特性，给在其上建设开发工程带来了许多困难，地基的沉降变形、承载能力不足和稳定性很难满足建设需求。因此在工程建设之前需要对这种软黏土进行地基处理。传统的方法（加载预压、真空预压等）费时长，而且效果不是很理想。所以选用合理的地基处理方法十分关键。

电渗法是通过在插入土体中的电极上施加低压直流电来加速排水固结的一种地基处理方法。它是通过在土中插入电极，利用稳压直流电源，在两极施加一个稳定的电场，在电场的作用下，土中的水分会发生定向移动从阳极向阴极处移动并排出，与此同时，土体的内部结构也会发生变化，产生压缩固结。其排水速率与土体的水力渗透系数无关，而与电渗渗透系数有关，因此，特别适合处理低渗透性和高含水量的淤泥和黏土。

在电渗法处理软土时，排水固结效果会因为电极的材料、形式、布置方式的不同发生很大的变化。陶燕丽等[1]对不同材质的电极进行电渗对照试验，发现高电势梯度下铁电极优于铜电极，同时发现了电化学钝化现象会降低电渗的效率；王柳江[2]用不同的电极布置形式进行电渗排水实验；王协群等[3]研究了电极转换技术对电渗排水的影响；高井超[4]研究了双电渗联合排水技术，研究结果表明双电渗联合排水可以缩短排水时间，增加排水量。为了研究电极形式对电渗排水效果的影响，笔者进行了2组不同形式的电渗排水实验，通过对排水量、电流变化、能耗之间的对比分析了电极形式对电渗排水加固软土的影响。

1室内试验

1.1实验装置

室内实验主体装置主要由试验箱、直流电源输出装置、导线、金属电极、电流表及其他辅助装置。装盛土样的试验箱尺寸长×宽×高为30cm×20cm×25cm，金属电极为长度为20cm、直径为8的金属柱电极和直径为10cm、厚度为1cm的金属板电极。

1.2实验步骤

试验所用原状土样为云南红河某煤矿的天然软土。室内将原状土用水侵泡一段时间后充分搅拌均匀，制成重塑土，取适量重塑土放入试验箱内。如图（1）所示，用导线依次连接电源、电流表、金属电极。本次实验分为两组（实验A和实验B）A组为多组金属柱电极（3个阳极，1个阴极），B组为金属板电极。接通电源并调节为30V，每隔1小时纪录一次电流和排水体积。当土样不在排水时断开电源，停止实验。

A多电极布置图B板电极布置图

图1电渗排水固结基本原理图

2实验结果分析

2.1排水量

图2实验A排水量变化图3实验B排水变化量

由图2图3可知实验A累计排水量曲线在试验开始的前8个小时内一直呈线性增长，在之后的两个小时曲线斜率有小幅度降低，随后立即恢复原来的增长速率，直至第13小时，最后的3个小时，排水量曲线保持水平，直至排水结束。整个排水过程大致分为2个阶段：快速排水阶段和缓慢排水阶段。实验B在实验开始的3个小时内，排水量较少且排水速率较慢，从第4个小时开始排水速率开始增加，累计排水总量也逐渐提高，基本呈线性增长，一直持续到第10个小时，随后从第11小时开始直线斜率较小说明排水速率降低，累计排水总量仍然增长。板电极排水过程大致可分为缓慢排水阶段、快速排水阶段和基本不排水阶段.

实验B累计排水总量大于实验A，但是实验B排水处理后的土体裂缝要多余实验A且阳极附近下沉明显，实验A有两条较为明显的裂缝，土体沉降比较均匀。

2.2电流变化

图4实验A电流变化图5实验B电流变化

电流是反映电渗试验过程是否正常有效进行的一个重要试验参数。实验A的通电时间为16小时，电流的初始值比实验B电流的初始值略小，为0.18A。多电极试验的电流在开始的2小时内电流值持续升高，达到峰值0.26A，之后的1小时有小幅度下降而后又逐渐升高至峰值，此时的电流值又变为0.26A。之后的11个小时，电流值又逐渐下降至最低点，此时电流为0.1A。相比较电流的初始值，其减小幅度为41.2%。实验B的通电时间为16小时，电流的初始值为0.2A，在开始的一段时间内，板电极试验的电流值保持不变，这一过程持续约4小时，而在之后的两小时内，电流值迅速增大，呈现出线性变化，在第7小时时达到最大值，为0.3A，峰值持续时间为1小时左右，在随后的1小时内，电流突然下降至0.25A，电流值在保持了两小时后，又开始下降，并一直持续到电渗试验结束，电流下降至最小值，此时的电流值为0.14A，电流减小幅度为30%。

实验A电流的减小幅度比实验B电流的减小幅度大。电极与土体的有效接触面积越大，电极与土体的接触电阻越小，板电极会随着实验的进行，使有效接触面积越来越大。

2.3能量消耗

图6实验A能耗曲线图7实验B能耗曲线

如图6和图7所示为两组试验的累计能耗曲线图。在多电极电渗实验A中，通电用时16小时，在开始的两小时内，能耗变化量不大，从第3小时到第10小时之间，能耗累计曲线基本呈线性增长的趋势；在随后的第11小时至第13小时之间，能耗累计曲线仍然呈线性增长，但此时的曲线斜率相比较于之前的斜率更大，说明该段时间的能量消耗更大；之后的4小时，能耗累计曲线又恢复到原来的斜率，直至试验结束，最终总能耗量为158w·h。在电极板电渗实验B中，通电用时16小时，能耗变化曲线基本上呈线性上升的趋势，直至通电结束，最终总能耗量为165w·h。单位排水量能耗可以通过总能耗除以总排水量得到，实验B（0.31w·h/ml）大于实验B（0.28w·h/ml），说明实验A能耗利用情况好。

结论

1.在实验过程中，电极周边会产生裂缝，随着排水过程的进行，裂缝会变大变宽，土体的电导率降低。

2.用电渗法处理软土，排水固结的效果会随着电极形式的不同发生变化，而且布置阳极数量越多，效果越好，沉降均匀。

参考文献：

[1]陶燕丽，周建，龚晓南，等.铁和铜电极对电渗效果影响的对比实验研究[J].岩土工程学报，2013，35（2）：388-394.

[2]王柳江，刘斯宏，朱豪，等.电极布置形式对电渗加固软土效果的影响试验[J].河海大学学报，2013，41（1）：64-69.

[3]王协群，邹维列.电渗排水法加固湖相软粘土的试验研究[J].武汉理工大学学报，2007，34（2）：95-99.

[4]王宁伟，高井超.双电渗联合排水技术实验研究[J].工程技术，2018，（2）：202-203.