阴极抽真空结合电渗法加固高岭土试验研究

杨建贵 徐小平 马昌龙

摘 要：为了改善电渗法处理软土地基出现阴阳极加固效果严重不均匀的现象，该文利用自制的试验装置，进行了3组不同边界条件下的电渗加固高岭土室内模型试验。分别对比分析并探讨了试验过程中电流、排水量、能耗、沉降、电势分布及试验后不排水抗剪强度和含水率等参数指标，结果显示阴极抽真空的电渗试验相比其他两组试验，在更少的时间内排水更多，沉降更大；且试验结束后土体的不排水抗剪强度更高，水平方向上的不排水抗剪强度较为均匀。总结试验结果，证实了阴极抽真空结合电渗法对于阴阳极加固不均匀的现象显著改善。

關键词：高岭土 电渗 边界条件 阴极抽真空 固结 抗剪强度

中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（a）-00-06

电渗法可以显著提高软土的不排水抗剪强度，然而加固后的土体呈现出明显的不均匀性。如何改善电渗后土体的不均匀性值得深入研究。为了改善土体电渗加固的不均匀性，该文在常规二维电渗固结试验的基础上，对试验方案进行一定的改进，对比分析改进后的二维电渗固结试验与常规二维固结试验各参数在电渗过程中的变化规律。

1 试验方案

1.1 试验装置

试验模型槽由左侧的试样盒和右侧的集水箱组成。试样盒的内径尺寸为370mm×200mm×210mm，集水箱的内径尺寸为100mm×200mm×210mm，在集水箱底部中央开有一直径为2cm的小孔用于排水。在试样盒与集水箱交界处对称设置两个插槽，插入有孔有机玻璃板可变为常规二维电渗固结试验，插入无孔有机玻璃板可进行阴极抽真空的电渗固结试验。

阳极采用直径为3mm的铜丝，阴极采用直径为3mm的铜丝结合塑料排水板（阴极抽真空试验时采用铜丝结合带孔的塑料管）。采用两对电极呈长方形布置形式。

1.2 试验设计

为了更好地模拟现场工程情况，进行了3组对比试验，采用长方形电极布置形式。考虑到电极会对其周围土体的影响，电极应与槽壁有一定的距离，此外，一般同性电极间距b比异性电极间距L小得多，故采用L×b为320mm×120mm的电极间距进行模型试验。

从最常规的二维电渗加固试验出发，在试验过程中，加固区土体表面会出现较大裂缝，土体裂缝会使土体的电阻率增大，这样就会导致电能的利用率大大降低。为了更好地限制裂缝发展，在土体表面进行一定的堆载，采取堆载联合电渗的方式进行第二组试验。由于土体表面堆载主要是为了限制试验过程中的裂缝发展，所以只是采用简单的砝码直接加荷，施加的荷载也比较小，仅为1.0kPa。

经过前两组试验发现，尽管试验中采用了一定的堆载，但是加固后的土体不均匀性较大，阳极附近土体加固效果远远好于阴极附近土体。为了改善加固后土体的不均匀性，在堆载联合电渗加固的同时对阴极进行抽气，施加30kPa的真空负压。

1.3 试验土样

试验用土采用的是南京江宁方山的高岭土，原状土是已经磨碎制好的极细粉末，可以直接按照一定的含水率配置成饱和土样。土的基本物理性质经测定如下：Gs=2.48，wL=41.75%，wP=23.62%，初始含水率w=58%。

1.4 试验步骤

整套试验由3个小试验组成，试验条件汇总在表1中。

试验具体实施步骤如下。

试验1（常规二维电渗加固试验）：将有孔有机玻璃板插入插槽制成试样盒，并在玻璃板表面包裹一层滤布，在试验盒中安装电极，分层密实装填土样；连接线路和电表；静置24h后，接通电源，开始电渗。

试验2（堆载联合电渗加固试验）：在试验1的基础上在土体表面均匀施加1.0kPa的堆载。

试验3（阴极抽真空的堆载联合电渗加固试验）：将试验2中的有孔玻璃板换成无孔有机玻璃板插入插槽制成四周封闭的试样盒。将带有铜丝的塑料管作为阴极插入土体，并将阴极塑料管连接真空抽气装置。通电进行电渗，同时进行阴极真空抽气，直至各个测试量无明显变化时试验结束。实验连接示意图如图1所示。

1.5 试验测量系统

试验测量内容包括试验过程中土体不同部位的沉降量、土体电势、排水量、电流值以及试验后土体不同位置处（如图2所示）的不排水抗剪强度和含水量分布。

2 试验结果

2.1 电流变化分析

通过电流表得到了3种不同边界条件下，高岭土试样在电渗过程中电流随时间的变化规律，如图3所示。

在电渗初始时刻，由于试验1与试验2的土体初始含水量相近，且电极材料也是相同的，即土体电阻及界面电阻理论上也该接近，所以在电流上表现为两组试验初始电流相近；而在试验3中，阴极处带有铜丝的塑料管相比试验1及试验2的带有铜丝的塑料排水板，电极与土体连接处的空隙更小，界面电阻也会更小，这导致初始电流比前两组试验大了30mA左右。

随着电渗的进行，3种不同边界条件下的试样在试验过程中电流都逐渐减小。在电渗的前40h内，试验1与试验2中的电流几乎以相同的速率减小，而试验3中的电流则迅速降低。造成这种现象的主要原因是试验3在阴极真空负压的作用下，排水速率较快，含水量快速降低，导致电流较快减小；而试验1与试验2排水方式主要为自流，含水量减小的速率较慢，导致电流减小的速率也不显著。

2.2 电渗排水量变化分析

由于电势试验开始前，3组试验土样的体积不同，为了衡量不同边界条件对电渗的影响，如果仅仅以电渗过程中排出水的体积总量则显得不公平，若将评价指标设为电渗排水量与初始时试样含水总量的比值则比较合理。图4为通过3组电渗试验过程中每个时间段的排水量与试样开始时的含水总量的比值得到的考虑土样体积的电渗排水曲线。

从图4中可以看出，3组试验排水量都出现了初期电渗排水速率较快而后期排水较慢的规律。在电渗联合堆载试验2中，由于施加的堆载压力较小，在整个电渗过程中，排水速率与排水总量都与试验1单纯电渗相差较小，而在试验3中，利用真空泵不断地在阴极进行真空负压抽气，加快了出水速率，同时也起到了真空预压的效果，因此在排水速率与排水总量上都比试验1和试验2大得多。其中，试验3在30h、60h和最终的排水量分别是试验1的1.6倍、1.5倍和1.4倍（见表2）。

排水量是电渗中的一个比较重要的参数，排水量的多少从一定程度上可以反映出电渗的加固效果，因此，对阴极进行真空抽气可以更快、更多地排出水电渗试样中的水，大大提高了电渗的效率。

2.3 能耗分析

在试验过程中，为了研究土体电渗排水所消耗的电量，利用以上公式（2）得出电渗耗电量随时间的变化规律如图5所示。

从图5中可以看出，3组不同边界条件下的电渗试验用于土体电渗的耗电量基本呈现出相同的规律，即在电渗前期，土体耗电量随時间呈线性增长，随着电渗的继续进行，土体耗电量增加的速率逐渐减小。综合比较3组试验的电渗耗电量，试验3的耗电量增加速率及总耗电量均大于试验1及试验2，这主要是因为试验3中在阴极结合真空抽气提高了电渗的效率，使通过土体的电流较大，从而在相同电压下耗电量最大；试验3的总耗电量为0.17kWh，分别为试验1的1.21倍、试验2的1.04倍。

然而，考虑到3组不同边界条件下试样土体体积有所不同且在电渗过程中的排水量也有大有小，为了排除此类影响，更加确切地研究在不同边界条件下的电渗耗电量，根据公式（1）得出电渗的能耗系数，如图5所示。

从图6可以清楚地看到，试验3的能耗系数最低且在电渗过程中较稳定，即单位体积的土体排出单位体积的水需要消耗更少的能量。可见结合了真空抽气后土体的电渗效率明显得到了提高。相比于试验1和试验2中在土体表面施加了堆载压力，导致在前25h试验2的能耗系数小于试验1，而25h后的能耗系数逐渐大于试验1，且随着时间的增长，两者的能耗系数差值越来越大。由此可以得出，试验2中施加的堆载压力仅仅在电渗前期的降低能耗上有一定的优势，而该试验堆载的主要目的是为了抑制横向裂缝的发展，施加的荷载比较小，在实际工程中，堆载压力设计值的大小也是值得关注的问题，这同样有助于在电渗过程中减少电能消耗，提高利用率。

为了更直观地了解土体电渗耗能的大小，利用处理每立方土体所需要消耗的能量来比较3组不同边界条件下试验的耗电量，并且在试验3中真空预压的耗电量按照实际工程情况约为3kWh/m3。由于3组不同边界条件下的试验最后通电时间不同，因此3组试验均按照120h处理时间比较土体电渗耗电量，如表3所示。

从表3可以直观地看到各试验的耗电量。试验2消耗的电能最大，试验3次之，试验1耗电最少。联系电渗过程中排出的水量来看，试验3的排水总量是试验1排水总量的1.4倍，而耗电量仅仅增加了11.8%，这也从侧面证实了阴极真空抽气的有效性及经济性。

2.4 土体沉降变化分析

在电渗作用下，土体中的水会随着电渗的进行而不断被排出，根据太沙基有效应力原理，在总应力不变的条件下，土体中的孔隙水应力减小，则有效应力增大，土体孔隙比将减小，从而土体发生固结产生沉降。利用百分表测量了3组不同边界条件下土体表面不同位置的沉降变化，如图7所示。

土体的表面沉降在3组电渗试验中都出现了随时间的增加而不断增大的现象。从图7中可以看到，3组试验最大沉降都出现在土体表面的中间位置，这主要是因为阴阳极侧的土体在沉降过程中受到了模型槽壁的阻力影响。其中最大的是试验3，达到了34.62mm，最小的为试验1，达到了22.20mm；另外，以出现沉降量最大的土体中间位置来看，在试验3中从第28h开始沉降速率减缓，且沉降量已完成总沉降的67%；而试验1和试验2中从第48h才开始沉降速率减缓，且沉降量分别达到总沉降的67%及69%。由此可见，3组试验中，若要达到相同的沉降量，试验3耗时最少，试验2次之，试验1耗时略多于试验2。这主要还是取决于试验的边界条件，试验3结合了真空抽气使土体中的孔压下降较快，沉降必然最快，而试验2相比试验1，在土体表面施加了堆载也同样地加快了土体中孔压的消散，从而加快沉降。

从阴阳极的差异沉降来看，在试验1中，阴阳极的最终沉降相差6.72mm；在试验2中差异沉降为2.98mm；而在试验3中，阴阳极的差异沉降仅为0.46mm。这也显示出阴极抽真空的电渗联合堆载试验的优越性。

2.5 土体中电势变化分析

试验中以电源负极电势为0，通过电势探针测得与负极的电势差从而求得不同位置处的电势。图8揭示了电渗试验中，土体在沿长度方向上不同通电时间的电势分布。

从图8中的结果可以看到，在电渗前24h，除了在阴阳两极附近有明显的“跳跃”现象外，试样中土体之间各个测点的电势基本呈线性分布且电势变化较小、较稳定。另外，可以清楚地看到，3组不同边界条件下的试验都出现了阳极处的电压降大于阴极处的电压降，这与之前的学者试验中的结果一致。

2.6 抗剪强度变化分析

电渗试验结束后，利用微型十字板剪切仪测定了土体的不排水抗剪强度。各试验的结果如图9所示。

3组不同边界条件下的试验由于土体的初始含水率较高，利用微型十字板剪切仪几乎无法测得强度，可以认为初始强度为零，在电渗结束后，土体的强度得到了显著的提高。试验3土体加固后的强度明显高于试验1及试验2，试验3的最大强度约为试验1中土体最大强度的1.8倍。

试验1与试验2不排水强度曲线揭示了土体表层强度最低而底部强度最高，这主要是因为在试验1与试验2中土体表面覆盖了堆载板，仅仅通过堆载板上的若干小孔排出土体表面的水，排水措施效果较差，这就导致了底部不排水强度高于表层强度。

试验3电渗结束后，土体表层强度明显高于底部不排水强度，这是因为在试验3的阴极施加了真空负压抽气，促进了土体表层水的排出，另外，真空度经过塑料管由上到下传递时会有损失，即土体上层的真空度大于底部真空度，这也会导致底部强度优于表层强度。

在试验1中，在水平方向，出现阳极附近土体加固后强度最高，中间次之，阴极附近土体加固后强度最差；而在试验2、3中，整体上出现中间土体强度低于阴极附近土体的强度，这是由于在电渗联合堆载条件下，中间土体的沉降比试验1大且表面排水较差导致土体表面有部分水会在中间汇聚，使得中间土体的含水率较高而强度较低。

在试验1中，加固后土体沿长度方向强度分布明显不均匀，在同一水平面上，强度较高的阳极附近土体分别是强度较低的阴极附近土体的5倍、3.9倍和5倍；在试验2中，施加堆载后土体各位置的强度都较试验1有所提高，但仍然出现阴阳极加固效果极大的不均匀，在同一水平面上，强度较高的阳极附近土体分别是强度较低的中间附近土体的5.8倍、5.5倍和4.3倍；试验3中，在电渗联合堆载的情况下，阴极真空抽气，这使得土体各位置的强度得到了很大的提高，同时，我们还可以发现相比较前两组试验，试验3中土体加固后的强度显得较均匀，且在同一水平面上，强度较高的阳极附近土体分别是强度较低的中间土体的1.8倍、1.7倍和2.2倍，证明了在电渗联合堆载的情况下阴极抽真空的有效性。

2.7 含水量变化分析

在电渗试验结束后，按照图2所示选取距离不同位置、不同深度的9个土样进行含水率试验。3组试验加固后土样含水率变化已绘制在图10中。

3组试验的土样初始含水率均为58%，电渗结束后含水率都有显著的降低。从含水率的曲线图可以看到，试验后各个位置的含水率与加固后土体的不排水抗剪强度基本一一对应，即有含水率越高，抗剪强度越低，含水率越低，抗剪强度越高。试验3中含水率降低幅度最大，降低幅度从31%～45%不等；而其他两组试验最低降低幅度都在19%以下。

2.8 观察到的其他现象

电渗试验结束后，从土体中取出铜丝电极。阳极铜丝腐蚀严重，出现了铜绿，这也会导致电渗过程中电流的减小而降低电渗效率。阴极铜丝虽然没有受到腐蚀，但电极表面覆盖了一层白色的沉淀物，这会增大阴极接触电阻而使电渗效率降低。因此，在实践工程中，要选用既经济又耐腐蚀的材料作为电极，从而达到提高电渗效率的作用。

3 结论

该文利用自制的试验装置，通过改变试验边界条件，进行了3组试验方案不同的二维电渗加固软土室内模型试验，分别对比分析并探讨了试验过程中电流、排水量、能耗、沉降、电势分布及试验后不排水抗剪强度和含水率等参数指标，主要结论如下。

（1）阴极抽真空的电渗联合堆载试验能在更少的时间内排水更多，沉降更大，最终排水量是单纯电渗试验的1.4倍。

（2）阴极抽真空的电渗联合堆载试验结束后土体的不排水抗剪强度更高，含水率更低，不排水抗剪强度约为单纯电渗后土体强度的1.8倍。

（3）阴极抽真空的电渗联合堆载试验结束后，土体水平方向加固效果较前两组试验更加均匀。在同一水平面上，强度较高的阳极附近土体分别是强度较低的中间土体的1.8倍、1.7倍和2.2倍。

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2020-12-04