電滲技術在改良土壤方面的應用研究

　引言

　　電泳是指在電場作用下，溶膠粒子在分散介質(zhì)中的定向移動現(xiàn)象。電泳和電滲屬于膠體的電動現(xiàn)象。電動現(xiàn)象是指溶膠粒子的運動與電性能之間的關系。一般包括電泳、電滲、流動電位與沉降電位。電動現(xiàn)象的實質(zhì)是由于雙電層結構的存在，其緊密層和擴散層中各具有相反的剩余電荷，在外電場或外加壓力下，它們發(fā)生相對運動。電滲加固法因其具有擾動小，噪音低，固結速度快等優(yōu)點而擁有著很大的發(fā)展?jié)摿?，但是它在工程實踐中的應用卻一直不能得到推廣。

　　本文在室內(nèi)實驗的基礎上，從傳統(tǒng)電滲試驗入手，結合現(xiàn)場試驗方案，對電滲加固法進行系統(tǒng)的研究和分析。試驗結果顯示，傳統(tǒng)電滲加固法能夠?qū)ν馏w的加固產(chǎn)生一定的作用，使土體的含水率降低，不排水抗剪強度提高，但也存在很多問題如電能利用率低，土體固結效果很不均勻，易達到電滲平衡點，土體裂隙發(fā)展迅速等。綜合分析得出制約電滲效率的三個主要因素，即負孔隙水壓力的發(fā)展、土體的電阻率不斷增大和界面電阻的存在。

　　所用直流電源設計

　　電源框圖見圖1,三相交流電源輸入經(jīng)輸入三相變壓器隔離、相序檢測、整流、濾波變換成直流電壓,再經(jīng)低壓變壓器隔離、極性變換控制、輸出100 V/200A的直流輸出。

　　電源主要參數(shù)包括：輸入交流電壓：三相380VAC(-20%～+15%)，50Hz(±10%);額定輸出電流：0～300A;輸出電壓：0～100V;整機效率：η≥90%。

　　在上述輸出的電流范圍內(nèi)，電流跟據(jù)負載變化，并有“過壓”、“過流”保護。電源能定時自動倒向(即正、負極切換)，其時間可設定，范圍設為0～15分鐘可調(diào)。

　　實驗步驟

　　連續(xù)通電3天，此時土體已經(jīng)產(chǎn)生較寬裂縫[1]，交換電極正負極，希望提高土體固結均勻度[2];連續(xù)通電0.5天，排水量幾乎為零時，再次交換電極極性;分別以通電3小時，停2小時和通電2小時停2小時的方式，各持續(xù)一天，如此間歇仍然能達到此前連續(xù)通電一天的效率，但提高不大;將一根新銅棒作為新陽極插在原陽極附近，通電6天;將原來電蝕的陽極銅管拔出(不包括土工布)，放置在新位置，再連續(xù)通電4天后斷電。

　　電流及電能損耗分析

　　電流隨著時間的變化逐漸減小[3]。具體而言，選用裹上土工布的銅管作為陽極和直接選用紫銅作陽極兩個階段的情況相比較，不難看出，電流下降速度較緩，也就是說有效排水的時間較長。

　　交換電極極性后，在幾分鐘之內(nèi)降為零，排水效率也幾乎為零，分析認為，陽極端土體排水固結速度較快，顯現(xiàn)干硬狀態(tài)，而導電性銳減[4]，導致陽極與土體接觸的界面電阻突然變大，結果極大地降低了電滲的效率。

　　在間歇通電時間階段，分別采取了通三小時停兩小時，通兩小時停兩小時的通電方案，同樣，通電初電流能恢復較大值，如200A 左右，半小時后就降為5A，電流一旦小下來，電滲的效率也就微乎其微了，排水量勉強可以和間歇通電前一天的排水量相等。擬通過一定間隔的時間讓土體的含水率分布有一個自然調(diào)整的過程，從而在下次通電過程中更有效地利用電能。

現(xiàn)場土體有效電勢觀測

　　電滲后土體的固結很不均勻，總的來說符合陽極處沉降較大陰極處較小的特點，靠近陽極比靠近陰極有效電勢要大，接近陰極，沉降量最大。裂縫處，由于裂縫且含水率較高的原因塌陷較大，但它們隨著陽極的變干而隆起，沉降量反而顯得小[5]。針對這種情況，試驗過程中考慮過采用交換電極的陰陽極的方式來改善，受傳統(tǒng)電極固有缺陷的影響[6]，效果并不理想。

　　分析與思考

　　本實驗嘗試多種手段，如交換電極，間歇通電等進行了一組典型的傳統(tǒng)單一電滲試驗，從試驗結果來看，電滲降水后土體的平均含水率相對于初始含水率減少了30%，最低處相對電滲前減少的比例達到60%。加固取得一定效果;但是并不理想，采用的多種手段更是進一步暴露了傳統(tǒng)單一電滲過程中存在的各個問題，具體歸納如下。

　　(1)陽極表面電蝕嚴重，很多學者認為電極的嚴重電蝕在很大程度上影響陽極的導電性，但是從本實驗過程可以看出，已產(chǎn)生電蝕的電極在土體中新的位置上仍能發(fā)揮較大的作用，延續(xù)電滲的排水效率，同時與土體接觸的界面電阻也未見較大幅度的增大，可見電極的電蝕會在一定程度上影響電滲效率，但不是主要因素。

　　(2)電極與土體接觸面電勢損失較大，界面電阻的存在影響較大。

　　(3)陽極周圍排水固結速度較快，土體迅速干硬，試驗后陽極周圍土體，呈現(xiàn)較好的結構性，隨著電滲過程的進行，土體產(chǎn)生負孔隙水壓力，越接近陽極處，該負孔隙水壓力越大，土體已從飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài)，由此導致較高的不排水抗剪強度。

　　(4)土體產(chǎn)生許多縱向裂縫，因為土體上部沒有任何荷載，一方面土體中水分排出，另一方面電泳過程伴隨電滲發(fā)生，少量土顆粒向陽極端運移，造成土體陽極處和陰極處都產(chǎn)生較大和較深的縱向裂縫。裂縫的存在加大了土體的電阻率，同時阻礙了電流的有效傳遞。

　　制約電滲效率進一步進行的主要因素有三個方面。

　　● 陽極附近的負孔壓也就是吸力逐漸增大，并與陰極端產(chǎn)生的較小的負孔壓形成壓力梯度[7]，使水趨向于由陰極向陽極移動，這與原來的電滲流方向相反，當二者產(chǎn)生的水力坡降相等時，電滲就達到平衡，效率也就趨于零。

　　● 隨著土體中裂隙的發(fā)生，和土體本身含水率的降低，土體本身的電阻率越來越大，從而進一步影響土體中電滲的主要驅(qū)動力——電流的減小，使得電滲效率變低。

　　● 電極與土體接觸端較大的界面電阻的存在，使得實際傳到土體中的有效電勢大大減小，一定程度上降低了電滲效率，電能利用率降低。

　結語

　　本文通過從排水量、電流、有效電勢、沉降、土體各項性質(zhì)指標、及試驗后土體和電極情況等多個方面，考察了傳統(tǒng)單一電滲實驗的效果，認為傳統(tǒng)單一電滲法能夠?qū)ν馏w的加固產(chǎn)生一定的作用，但是其效果總是受著某些因素的制約。通過對試驗中各個現(xiàn)象的系統(tǒng)分析，提煉出制約電滲效率的三個主要因素，即負孔隙水壓力的發(fā)展、土體電阻率的不斷增大和界面電阻的存在。