通电方式对电渗加固软土影响试验研究
作者:leyu乐鱼体育官网 发布时间:2021-12-11 00:04
本文摘要:摘 要: 接纳微型电渗试验装置,举行连续通电、逐级增加电压、逐级降低电压以及电流衰减增加电 压四组室内模型试验,对比研究通电方式对电渗排水加固效果的影响,探索对电渗加固有利的通电方 式。记载试验历程中排水量、电流、有效电势、排水速率等指标,检测试验竣事后土体抗剪强度、含 水率。试验效果讲明: 电流衰减时增加电压通电方式使电流保持较高水平,能排挤较多的水,所得十 字板抗剪强度最高,处置惩罚效果最好。

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摘 要: 接纳微型电渗试验装置,举行连续通电、逐级增加电压、逐级降低电压以及电流衰减增加电 压四组室内模型试验,对比研究通电方式对电渗排水加固效果的影响,探索对电渗加固有利的通电方 式。记载试验历程中排水量、电流、有效电势、排水速率等指标,检测试验竣事后土体抗剪强度、含 水率。试验效果讲明: 电流衰减时增加电压通电方式使电流保持较高水平,能排挤较多的水,所得十 字板抗剪强度最高,处置惩罚效果最好。其次是连续通电方式、逐级增加电压方式,逐级降低电压通电方 式处置惩罚效果不理想; 电势在阳极处损失较大,逐级增加电压以及电流衰减方式在处置惩罚的后期能保持较 高的有效电势,相比连续通电方式有效电势横跨约 15%。

因此接纳电流衰减时增加电压能发挥较好 的加固效果。关键词:电渗; 电压; 软基处置惩罚; 有效电势; 抗剪强度;作者简介: 杨克军(1977—),男,工程师,学士,主要从事地基处置惩罚方面研究。E-mail:28998272@qq.com; *章迪 —),男,工程师,硕士,主要从事地基处置惩罚方面研究。

E-mail:188112770@qq.com;基金: 浙江省自然科学基金项目(LY17E080010); 温州市科技项目(S20160008,S20170006,S20150030,S2 1,S20170005,S20180002);引用:杨克军,袁国辉,符洪涛,等. 通电方式对电渗加固软土影响试验研究[ J] . 水利水电技术,2020,51( 2) : 170-176. YANG Kejun,YUAN Guohui,FU Hongtao,et al. Experimental study on influence of electrification method on soft soil enhanced by electroosmosis[ J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51( 2) : 170-176.0 引 言在我国沿海沿湖地域广泛漫衍着由吹填淤泥组成的软弱土地基,这些吹填土具有显著的高含水量、低渗透 度低等特性,因软弱不能满足工程建设要求,需要加固处置惩罚。传统的地基处置惩罚方法(如真空预压法),由于吹填土 粒含量,真空预压塑料排水板容易淤堵造成排水不畅以及真空度的通报受损等突出问题,致使真空预压后期效率 效果并不十分理想。电渗现象是诸多动电现象的一种,由俄国学者Reuss在1809年发现,因其对土颗粒的粒径巨细不敏感的特点 含量细颗粒且低渗透性的吹填土具有显着的优势。

然而,电渗处置惩罚法自身由于阳极腐蚀严重 、通电能耗高 与土接触电阻增大、土体泛起裂痕阻断导电等问题,制约了电渗法的广泛使用。针对制约着电渗加固效果因素 宽大学者实验许多方面的研究,以提高电渗处置惩罚效果。LEFEBVRE 和BURONTTE 通过在阳极注入化学浆 善阳极接触,效果讲明界面电势损失减小,土体与电极接触增强,有效提高电渗的加固效果。

对于电渗加固中发生 问题,WANG等 通过在裂痕处灌浆增大电流值提高电渗的处置惩罚效果。陈卓等 等通过对电极反转技术举行研 其能减缓阳极的腐蚀,但平均抗剪强度却较纯电渗试验加固效果差。

对于通电方式方面:MICIC等 举行了 电和间歇通电条件下的对比试验,效果讲明间歇通电下电极间土体强度变化匀称,电能使用率提高,电极的腐蚀 对经济合理。李瑛 举行了差别电压下的一维电渗排水试验,较大的电压会导致排挤单元体积水所需的能量消 阳极接触电阻随电渗时间的增长速率加速。

刘飞禹 举行了逐级加载电压下的一维电渗试验,效果发现合理的 载电压方案能降低电能消耗,提高电渗排水量以及后期电渗效率。曾芳金 研究了差别增压方式对电渗加固滩 的影响,相对于稳压输入,逐级增压可以减缓电流的衰减,可有效提高土体抗剪强度和降低含水率,还能降低能耗 后期排水速率。

王军等 研究了电渗与真空预压团结的处置惩罚方式,获得团结方法加固软黏土地基效果要 真空预压好,显示出较好的契合度。以上文献对增加电压已有研究,但均是以牢固的时间距离为下一级电压施加点,且未实验逐级降低电压通电 为此,本文增加以电流为参照进一步对通电方式举行研究,设计连续通电、逐级增加电压、逐级降低电压以及待 减时增加电压四种方式,开展相关试验,通过对比分析差别通电方式下的最终处置惩罚效果和能耗变化获得较为经济 通电方式,试验效果可为工程实践中淘汰电渗能耗、增强加固效果提供参考。1 试验先容1.1 试验用土 试验土样取自温州瓯飞工程垦区软基处置惩罚工程现场,相关参数如表1所列。

由于原状土样含水率较大,本试验 塑土。表1 软黏土基本物理参数 1.2 试验方案 为了研究电渗历程中直流电压的通电方式对处置惩罚效果的影响,探索在总电压相同时连续通电、逐级增加电 级降低电压以及待电流衰减时增加电压四种方式的异同,划分命名为试验T1、T2、T3、T4。为了保证四组试 电时间一致,设定通电总时间均为24 h,其中试验T1将20 V的恒定电压施加到电渗阴阳电极上,通电连续时间为 接纳连续10 V电压通电8 h,增加电压至15 V连续通电8 h,然后增加电压至20 V连续8 h的逐级增加电压方式;T 压从20 V连续通电8 h降低至15 V连续通电8 h,然后再降低至10 V连续通电8 h逐级降低电压的通电方式;T4则 理初期施加10 V电压,待电流值到达峰值开始泛起衰减时将电压调整为15 V,继续视察电流的变化当电流泛起衰次将电压调整为20 V。

四组试验的最高电压值均为20 V,对比分析上述四组试验的处置惩罚效果和能耗上的变化。加固历程中,每1 h记载直流电源中电流的值,记载量筒内排水;同时用万用电表测出阴极和阳极处测针点的电势 竣事后,检测处置惩罚土体抗剪强度、含水量,并盘算能耗系数对比四组的差异。

1.3 试验装置 实验装置接纳革新的Miller soil box的电渗微型盒,实验模型盒由5 mm厚的有机玻璃板制成。该模型盒由 和两个集水室组成。其中用于安放试样的土样室内部长度为200 mm,高度为100 mm,宽度为100 mm,在土样室 设有长宽高尺寸约莫为100 mm×40 mm×100 mm的集水室用于收集从阴极排挤的水。

每个集水室底部有一个 由阴极排挤汇聚在集水室的水通过排水孔流到量筒。土样室和两头的集水室通过有机玻璃板支解,隔板底端距 盒的底板高度为20 mm,目的是为了土样室阴极处的水能够在集水室收集;同时,模型盒的土样室与集水室的高 m,即土样室垫高一块有机玻璃板,目的同样也是为了能够收集电渗排挤水,模型盒平面如图1所示。

图1 电渗模型盒(单元:mm) 电渗阳极电极均接纳厚度为5 mm,为防止导线夹与土体接触而直接对土体通电,电极板横跨模型盒20 mm 寸为100 mm×120 mm的金属铁块;阴极为了满足排水的需要,接纳300目的钢丝网。电源接纳型号为SPD-360 流电源。1.4 试验步骤 为保证4组试验的土样含水量匀称性,土样接纳重塑土。

将土样烘干并磨成粉末,按目的含水率取土样粉末和 量,获得目的含水率的重塑土样品。将该重塑样品静置24 h以获得匀称的含水量,在试验前再次取土样测得含水 66%。

将凡士林涂抹在试验模型盒的四周以减小模型盒与土样的摩擦,也为了利便在试验竣事后将土样整体取出 度检测而只管不扰动土样。以每层约莫20 mm厚度分层装样直至装满100 mm。用小锤轻轻敲击模型盒侧壁将 孔隙填密实。

在土样外貌插入2根电势测针用以监测电渗期间电势的漫衍,测针接纳直径1 mm的铁丝制成,插入 度为50 mm,测针的位置按图2所示部署。图2 模型部署(单元:mm) 待土样安装完,量筒放置阴极处,导线夹联通电源和电极之后,电源开启,按试验方案设定的通电方式划分 1、T2、T3、T4逐步施加直流电压。24 h后试验停止,立刻检测抗剪强度和含水率。

2 试验效果分析2.1 电 流 四组试验的土体电流值随时间的变化关系如图3所示,由图可看出在处置惩罚前期试验电流变化趋势大致相同,均 试验开始一段时间后短暂上升到达一个峰值,尔后在峰值处开始递减的变化历程。在通电的瞬间,土体的导电通 完全形成,施加10 V和20 V电压的初始电流划分为1.46 A和0.7 A左右,连续通电1~2 h后,土中电流流通路径完 到达最佳状态电流也到达峰值,试验T1-T4的电流峰值划分为1.82 A、 0.77 A、1.88 A、 0.72 A。

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另外,加载 0 V电压到达峰值的时间也差别,电压值小的到达峰值比电压值大的所需时间长,划分在2 h和1h 处取得最大值 连续加载20 V的试验T1迅速衰减直到竣事时衰减为0.1 A;可以看到试验T2和T3在8 h和16 h处有显着的突变和 2由于逐级加载电压至15 V、20 V电流值在此处突然上升,尔后又总体出现衰减趋势;T3由于是逐渐降压的通电 两处位置电流值突然下降。T4则是在通以10 V电压,当电流泛起衰减时增加电压至15 V,电流值蓦地上升1.15 通电约50 min后电流开始衰减时进一步增加电压至20 V,此时电流值泛起较快降低。原因是随着电渗的连续进 不停由阳极流向阴极,含水率泛起一定的下降导致电流降低;此外电解水发生的气体在阴阳极处冒出氢气和氧气 极与土体接触变弱,界面电阻逐渐增大也导致了电流的下降。

还可以看出试验T2在16 h处和T4在6 h处电流又 暂的回升,可能是因为在高一级的电压下驱动水分流动,局部买通了土颗粒-水界面的电流流通路径。图3 电流变化曲线 2.2 有效电势 以往的研究中对电势说明较少,对有效电势也鲜有提及,为了探究施加电压和实际作用在土体的有效电势关 离阴极和阳极电极板5 mm处安置两根电势测针,将此两处测针的电势看做是在电极处因界面电阻和接触电阻损 势,两测针的电势差值即为有效电势,有效电势随时间关系曲线如图4所示。通电初始时试验T1、T3有效电势分 47 V、15.09 V,占电源电压的77.35%、75.45%,T2、T4有效电势划分是7.25 V、6.47 V,占电源电压的72.5% %。可以看出在初始状态,最高有35.3%的电源电压损失在阴阳极位置处,主要是由于电压由电极传向土体导电 异存在界面电阻。

随着通电的举行,阳极区域因为水分的流失土体泛起收缩,导致土体逐渐与电极板脱离,电极与 触逐渐变弱,进一步降低了实际作用在电渗排水上的电势。土中突变位置是因为电源电压的变化,引起了有效电 和下降。T3因为是逐渐降低电压的通电方式,外加界面电阻和接触电阻的影响,在处置惩罚的后期有效电势很是的低 T4逐级加载方式在处置惩罚的后期能保持较高的有效电势,相比连续通电方式,有效电势横跨约15%。

说明逐级增加 电方式较连续通电和逐级降低电压要好。其中T4通电方式一直处在较高的有效电势段位,电流曲线也说明晰 势。主要是连续高压通电的试验T1水分在处置惩罚的早期快速排挤,界面电阻和接触电阻较快上升,影响了有效电 用。

图4 有效电势变化曲线 2.3 排水量 在阴极处收集排挤的水,获得累计排水量随时间变化如图5所示。为了更好地说明排水量随时间的变化,图 出排水速率随时间的变化关系,两者联合相互印证排水关系。

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图5排水量曲线可获得T1、T3、T4在电渗通电的 出了较多的水,随着时间的推移逐步减小,最终趋向于平稳。讲明了这三组试验早期的排水效率高,大部门的水 后期排水效率较低,图6的排水速率曲线也说明晰这一点,在前10 h的排水速率较大,尔后泛起较快速率的下降。验T3在14 h险些不排水,后期加固效果弱化。

T2和T4在增大电压位置处排水速率也有一个上升式的突变。图5 排水量随时间变化 图6 排水速率随时间变化 试验T2因为是在较低电源电压下缓慢逐级增加电压的方式,可以看到排水量逐渐小幅上升,排水速率也保持 mL/h。T1—T4四组试验在竣事时的总排水量划分是169.18 mL、147.01 mL、 124.73 mL、 183.46 mL,从 方面来看电流衰减时增加电压的通电方式试验T4排挤最多的水,其次是连续20 V通电方式。

说明在电流泛起衰 加电压的通电方式对排水有利,能取得较好的处置惩罚效果。因为此种通电方式能够制止电流值和高电源电压迅速 保持在一个较高的水平,图3和图4的高电流和高有效电势很好地佐证了这一点。同时,T2和T3虽然施加的电源通电时间总体保持相同,可是排水量效果说明逐级降低电压的通电方式不行取,图4的有效电势曲线正好说明这 为初始电源电压较高,阳极区的水分较快排向阴极,由于电极-土体接触变弱导致一定会降低有效电势,此时再降 电压有效电势反而更小倒霉于排水。

2.4 抗剪强度和含水率 T1—T4四组试验均在通电24 h后竣事试验,并凭据如下图7所示的取样测试位置图,将土体沿深度偏向分2层 (b)从土样外貌取为起始层0 cm,距离起始层5 cm为另外一层取样点,即5 cm处。在同一层平面上,从阴极处起算 极2 cm、9.5 cm、17 cm取三个点测试十字板剪切强度,测试完毕后在相同位置取样测试含水率。差别位置处 强度和含水率变化关系如图8和图9所示。

图7 取样测试位置(单元:mm) 图8 十字板抗剪强度 由图8的表层和二层抗剪强度变化曲线首先可以看出大致相同纪律,抗剪强度均是从阴极向阳极偏向逐渐增 极区强度最高,这与电渗的排水偏向有关,电源启动后在直流电场的作用下,阳离子拖拽水分一起由阳极向阴极 极区的水分逐渐向阴极区搜集,从而导致十字板强度沿着阴极向阳极偏向逐渐增高。同时也与含水率有密切的 9(a)和图9(b)表层和二层含水率在阳极最低,阴极最高,中间位置其次,这与抗剪强度关系图体现出了很好的一致 阳极区强度最高还与电渗历程中电极发生电化学反映有关,在阳极区发生氢氧化铁胶体使土体变得越发致密,进 强土体强度。

其次,抗剪强度总体体现T4>T1>T2>T3,在阳极区的最大抗剪强度划分是78 kPa、74 kPa、69 2 kPa。再一次说明当电流衰减时逐级增加电压的通电方式加固效果最好,从图3的电流曲线和图5排水量变化 可以得出此结论,因为在此种通电方式下电流值一直处在一个较高的水平,排挤的水也是较T2和T1多,因此能获 的加固效果。

T3由于逐渐降低电压,且在后期险些不排水,所以抗剪强度也是最低的,而且在中间位置处只有24 其他试验组相差甚远,分析其原因可能是处置惩罚的前期电源电压20 V较快把阳极区水分排向阴极,当降为10 V时汇 间的水分停留在此处,从而含水率在此处较高,抗剪强度较其他组低的多。由图8(b)的强度漫衍显示T1—T4均是沿深度偏向逐渐减小,表层强度优于底层强度,这与电渗加固历程中电 度发生电势降有关,同时随着加固时间推移,电极与土体的接触面逐渐脱离,电极与土的界面电阻增大。从图9所 含水率情况来看,与图6中抗剪强度反映的处置惩罚情况基本一致;试验T4的土体含水率均小于试验T1、T2、T3的土 率,说明晰电流衰减时逐级增加电压优于其他试验组作用下的处置惩罚效果。虽然T2也是逐级增加电压的通电方式 续通电了8 h,电流已经下降了较多,而T4已经增加到了20 V,而且电流一直高于T2,排水量也高于T2,因此T2的加 要低于T4。

在含水率曲线中,试验T1—T4中,沿着电渗阴极到电渗阳极偏向,土体含水率逐渐降低,抗剪强度值逐 土体处置惩罚效果逐渐变好,与抗剪强度的关系图较吻合。图9 含水量在电极之间漫衍 2.5 电渗能耗分析 由于电渗加固法需要施加直流电压的缘故,加固历程中的能耗是评价此法的重要指标,在提高电渗加固效果 降低能耗也是研究的重要偏向。为了更好的分析四种差别通电方式试验T1、T2、T3和T4的电渗能耗,引入平 系数参数C,代表排挤单元体积水所需要消耗的电能,接纳盘算式为式中,U和I划分为t 至t 时间段内施加的直流电压以及土体中的电流;V 和V 为某一时刻电渗排挤水的体 段内的平均能耗如图10所示。

在通电的初期,施加20 V的试验T1、T3能耗系数要高于施加10 V的试验T2、T4 电时间的推进,由于有效电势的损失、电流的下降以及排水速率逐渐减小,能耗系数总体呈递增的趋势,可以显着 T1、T2、T4在20 h以后迅速上升,最终的能耗系数12.2 W·h/ml、 9.7 W·h/ml、 7.95 W·h/ml,然而试验T3因 h之后不排水,通电对排水不起作用。与其他参量同样在相应的时间点会有突变,能耗系数突然增大,T4在增加电 一小段时间内电流和有效电势的降低,排水量与前一时间段相差不大,则陪同着能耗系数的降低,如在4 h位置处 情况。电流衰减时增加电压的试验T4的能耗系数相比连续通电的试验T1稍有降低,且比逐级增加电压的T2虽然 稍高,但最终能耗系数比之略低,且排水量和强度高于T2,因此认为此种通电方式是可取的。

图10 平均能耗系数变化 3 结 语通过本试验研究以及上述分析,可得出主要结论如下:(1)四组通电方式试验效果讲明电流衰减增加电压方式获得抗剪强度高于其他三组,含水量下降的更多,取得 加固效果。(2)作用在土体两头的有效电势远低于施加电压,损失在阴阳极部门高达35%,接纳初始较低电压尔后逐级增 当电流衰减时增加电压方式能在处置惩罚后期保持较高的有效电势水平。

(3)接纳电流衰减时增加电压通电方式能排挤较多的水,而且试验历程中电流处在较高值,最终平均能耗系数 通电方式略低,因此认为此种通电方式是可行的。水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊),为全国中文焦点期刊,面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护,以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主,同时也报道外洋的先进技术。

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