馮清鵬, 卜凡波，彭 義,彭 劼

(1.河海大學(xué) a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098； 2.中交上航局航道建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200)

電極處加入CaCl2溶液對(duì)高嶺土電滲試驗(yàn)的影響

馮清鵬1a， 1b, 卜凡波2，彭 義1a, 1b,彭 劼1a，1b

(1.河海大學(xué) a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098； 2.中交上航局航道建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200)

為了研究高嶺土電滲過程中在電極處加入CaCl2溶液對(duì)電流、排水量、界面電阻、土體電阻率及最終抗剪強(qiáng)度等的影響，開展了相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)。結(jié)果表明：電極處加入CaCl2溶液后，電流的減小趨勢(shì)得到有效控制，電滲過程中電流大小與加入CaCl2溶液的量有關(guān)，也可能與陽極所加CaCl2溶液所占比例或者與CaCl2溶液加入的時(shí)間有關(guān)；排水量變大，本試驗(yàn)條件下電滲排水量提高了10.9%；電極處加入CaCl2溶液對(duì)陰極處界面電阻的減小很明顯；電極處加入CaCl2溶液后土體總電阻率下降較為明顯，而陰極附近土體電阻率的下降對(duì)土體總電阻率下降起主要貢獻(xiàn)；陽極和中部土體最終抗剪強(qiáng)度提高比較明顯，尤其是陽極土體最終抗剪強(qiáng)度提高了16.4 kPa，但陰極土體抗剪強(qiáng)度無明顯提高，因此可以考慮用反轉(zhuǎn)電極的方法來加固陰極土體。該研究可為高嶺土電滲試驗(yàn)提供新思路。

高嶺土；電滲；電極；CaCl2溶液；土體電阻率；界面電阻；抗剪強(qiáng)度

1 研究背景

電滲法是一種重要的軟土加固方法。在1809年俄國科學(xué)家Reuss發(fā)現(xiàn)電滲現(xiàn)象[1]后， Casagrande[2]率先于20世紀(jì)40年代將電滲地基處理應(yīng)用于軟黏土中。然而在電滲后期土體開裂，電阻增大，土體電流減弱，電滲排水減少，使電滲加固效率降低，工程成本增大。隨著對(duì)這些問題認(rèn)識(shí)以及相關(guān)理論研究的進(jìn)展，有學(xué)者開始考慮在電滲試驗(yàn)過程中向軟土中加入鹽溶液。20世紀(jì)60年代Boiko[3]，Bjerrum等[4]學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)證明了電滲過程中向軟土注入鹽溶液的可行性。隨后，Esrig等[5]利用電化學(xué)加固法將CaCl2溶液加入到伊利石黏土土體中，軟土強(qiáng)度增加了1倍。Gray[6]則嘗試將AlCl3溶液分別加入到伊利石和蒙脫石黏土土體中，發(fā)現(xiàn)伊利石和蒙脫石黏土強(qiáng)度分別增加了4.2倍和2.7倍。Ozkan等[7-8]發(fā)現(xiàn)電滲加固軟土過程中利用磷酸比硫酸銨或者磷酸銨能取得更好的效果,試驗(yàn)后整個(gè)試樣強(qiáng)度從上至下增加2～70 kPa。Alshawabkeh等[9-10]在電滲試驗(yàn)中將磷酸從陰極注入到波士頓藍(lán)黏土中發(fā)現(xiàn)陰極附近軟土強(qiáng)度增加90%～160%，強(qiáng)度增加最小處在中間位置，為10%～20%。

前期的研究中所用鹽溶液主要為磷酸溶液，之后的研究開始將注入的鹽溶液擴(kuò)展到NaCl，KCl，CaCl2等溶液，并且鹽溶液的注入方式也有所變化。Mohamedelhassan等[11]探討利用電滲方法加固海岸含鈣沉積物，發(fā)現(xiàn)添加15%的CaCl2溶液比添加10%的Al2(SO4)·18H2O溶液，最后的電滲流量和電滲透系數(shù)更高，提高軟土強(qiáng)度的效果更好。Asavadorndeja等[12]設(shè)計(jì)了2個(gè)室內(nèi)電滲試驗(yàn)，第1個(gè)在陽極加入1 mol的CaCl2溶液，第2個(gè)在陽極加入1 mol的CaCl2溶液并同時(shí)加入OH-使陽極電解液pH值保持在10左右，結(jié)果表明強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)由中間向陰極方向很快增加170%～500%，一周后，沒有注入OH-試驗(yàn)軟土強(qiáng)度改變不大，而注入OH-溶液的軟土強(qiáng)度除了陽極附近外均增加500%～600%。OU等[13-14]探討了從陽極注入不同種類(NaCl，KCl，CaCl2)、不同濃度(0.005,0.01,0.05,0.1,0.25,0.5 mol/L)鹽溶液對(duì)軟土固結(jié)的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Ca2+在軟土中的交換能力更強(qiáng)，使黏土顆粒排列更為緊密，Ca2+的加入使試樣的不排水抗剪強(qiáng)度比不注入離子時(shí)強(qiáng)2.4倍。Chang等[15]利用電滲法探討注入不同濃度CaCl2溶液(0.5,1.0,1.5 mol/L)、不同通電時(shí)間(2,4,8,16,24,120 h)對(duì)軟土固結(jié)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明短期內(nèi)軟土強(qiáng)度有輕微提高，而在長期內(nèi)，隨著化學(xué)沉淀的發(fā)生，軟土強(qiáng)度得到顯著提高。這些研究中鹽溶液陽離子主要為Ca2+和Al3+離子，并且大多數(shù)從陽極注入。也有學(xué)者在陽極和陰極同時(shí)加入鹽溶液，Otsuki等[16]在對(duì)高嶺土進(jìn)行電滲試驗(yàn)時(shí)，陽極采用電解液為ZnSO4,AgNO3,Mg(CH3COO)2,Mg(CH3COO)2，對(duì)應(yīng)陰極電解液為Na2CO3,NaOH,NaOH,Na2CO3，結(jié)果表明陽極電解液為Mg(CH3COO)2溶液，且陰極電解液為Na2CO3溶液時(shí)軟土的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度最大。李洪藝等[17](2011)總結(jié)了鹽溶液注入對(duì)電動(dòng)加固軟土影響的研究進(jìn)展，同時(shí)討論了該方法存在缺乏微觀機(jī)理研究、加固效果不均一等問題。韓艦輝等[18](2014)進(jìn)行了海相軟黏土的電滲試驗(yàn)，研究陽極處加入CaCl2溶液的濃度對(duì)于土體效果的影響，發(fā)現(xiàn)用濃度為25%時(shí)土體承載力最高。王寧偉等[19](2016)進(jìn)行了在陽極處加入等量純水和CaCl2溶液的對(duì)比電滲試驗(yàn)，證明了鹽溶液的加入對(duì)于軟土承載力的提高作用。王寧偉等[20](2017)研究了陽極處加入CaCl2溶液的濃度和注入量等因素對(duì)于軟土電滲排水固結(jié)的影響，發(fā)現(xiàn)CaCl2溶液最佳濃度為20%～30%，最佳濃度下的注入量對(duì)土中水的排出量無影響。李文宇等[21](2017)進(jìn)行了陽極處加入羥基鋁溶液對(duì)膨脹土電滲試驗(yàn)的影響研究，研究中采用宏觀和微觀試驗(yàn)分析，研究結(jié)果表明羥基鋁溶液的加入會(huì)改善膨脹土的性質(zhì)，但是陽極區(qū)、陰極區(qū)和中間區(qū)的改善效果具有差異性，且中間區(qū)改善效果最弱。

關(guān)于電滲過程中在陽極和陰極同時(shí)加入CaCl2溶液以及同時(shí)加入CaCl2溶液后電極處界面電阻和分段土體電阻率的研究則較為少見。本文擬在高嶺土電滲試驗(yàn)過程中在電極處加入CaCl2溶液，并與電極處未加入CaCl2溶液的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，從而得出在電滲過程中電極處加入CaCl2溶液后電流、排水量、界面電阻、土體分段電阻率以及土體最終抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃模型槽，槽內(nèi)壁尺寸為240 mm×125 mm×125 mm，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

試驗(yàn)電源采用兆信PS305-D直流穩(wěn)壓電源，可提供最大30 V的輸出電壓或最大5 A的輸出電流，能夠持續(xù)工作較長時(shí)間，并且具有過壓保護(hù)功能。試驗(yàn)所用串聯(lián)電流表測(cè)量范圍為0～3 A，最小分辨率為0.1 mA。在槽側(cè)面的中間部位水平插入5根測(cè)針，從陽極到陰極編號(hào)依次為D1，D2，D3，D4，D5，將土體分為4段。試驗(yàn)1陽極用鈦絲網(wǎng)制成，尺寸為100 mm×100 mm，陰極在此電極的基礎(chǔ)上加上塑料排水板并用濾布包起來，尺寸為130 mm×125 mm×5 mm。由于陽極是密封在土中的，直接加入鹽溶液不容易到達(dá)電極，因此試驗(yàn)2陽極在試驗(yàn)1陽極的基礎(chǔ)上用鈦絲栓接上帶有小孔的PVC導(dǎo)液管，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)2陽極

2.2 試驗(yàn)方法

將土樣、電極板裝入模型槽中，靜置穩(wěn)定。連接好電源、電極，并將測(cè)試儀器安放好，如圖3所示。通恒定直流電，電壓保持為10 V，電滲時(shí)間為108 h。當(dāng)試驗(yàn)過程中陽極出現(xiàn)較大裂縫時(shí)，隨即用試驗(yàn)初始狀態(tài)的土將其填充。試驗(yàn)所用CaCl2鹽溶液濃度為0.5 mol/L。試驗(yàn)分2組，試驗(yàn)1電極處不加CaCl2溶液，試驗(yàn)2電極處加CaCl2溶液，具體添加量如表1所示。

圖3 裝置實(shí)物圖Fig.3 Photo of the test device

試驗(yàn)中土樣的物理力學(xué)測(cè)量內(nèi)容包括電流值、排水量、電極界面電阻、土體分段電阻率以及各段土體的最終含水率、最終抗剪強(qiáng)度等，本試驗(yàn)中的最終含水率、最終抗剪強(qiáng)度為距陽極相同距離處上部、中部和底部土體最終含水率、最終抗剪強(qiáng)度的平均值。測(cè)量儀器包括電流表、萬用表、量筒、微型十字剪切板等，土體含水率等數(shù)據(jù)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)中的方法確定。

表1 試驗(yàn)2所加CaCl2鹽溶液體積

2.3 土樣特性

試驗(yàn)用土采用的是南京江寧方山的高嶺土，原狀土是已經(jīng)磨碎制好的極細(xì)粉末，黏粒含量為65%，可以直接按照一定的含水率配置成飽和土樣。土的基本物理性質(zhì)如表2所示。

表2 土的基本物理性質(zhì)

圖4 顆粒分析Fig.4 Grain sizedistribution

采用BT-9300H型激光粒度分析儀進(jìn)行顆粒分析，顆粒分析曲線見圖4。從圖4中可以看出，高嶺土的所有粒組都是細(xì)粒組，且黏粒含量約為65%。顆粒分析結(jié)果表明，該土的不均勻系數(shù)為3.3，曲率系數(shù)為1.1，級(jí)配不好。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 電流變化分析

土體電流是影響電滲的重要因素。圖5為土體電流隨時(shí)間變化的情況。

圖5 土體電流曲線Fig.5 Curves of current in soil

前56 h試驗(yàn)2的電流要比試驗(yàn)1大，這是因?yàn)樵囼?yàn)2陽極栓接PVC導(dǎo)液管所用的鈦絲增大了陽極與土體的接觸面積，從而降低了陽極的界面電阻，因而試驗(yàn)2電流要大一些，這也是后面排水、界面電阻等試驗(yàn)在前56 h試驗(yàn)1和試驗(yàn)2結(jié)果有一定差異的主要原因。試驗(yàn)2在第56 h和72 h時(shí)加入CaCl2溶液的量，陽極分別為7，5 mL，陰極均為3 mL，電流相比試驗(yàn)1分別增大了8.8%，6.8%，而在78，84 h時(shí)加入CaCl2溶液的量在陽極分別為4，6 mL，在陰極均為2 mL，電流分別增大了4.2%,13.9%，可知電流增加百分比與陽極加入CaCl2溶液的量大體成正比關(guān)系；而試驗(yàn)2在72，84 h時(shí)加入CaCl2溶液的量在陽極分別為5，6 mL，在陰極分別為3，2 mL，電流增大了6.8%,13.9%。可以看出，在不同時(shí)間加入總量相等的CaCl2溶液，出現(xiàn)電流提升效果不同的現(xiàn)象，說明電流提升的效果也可能與陽極加入CaCl2溶液所占比例或者與CaCl2溶液加入時(shí)間有關(guān)，這有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。從整個(gè)曲線來看，試驗(yàn)1電流下降的趨勢(shì)明顯要比試驗(yàn)2下降的快，可見，在電極處加入CaCl2溶液可以有效減緩電滲過程中電流的減小。

由以上分析知，電滲過程中電流大小與電極處加入CaCl2溶液的量有關(guān)，也可能與陽極CaCl2溶液所占比例或者與CaCl2溶液加入的時(shí)間有關(guān)；總體而言，在電極處加入CaCl2溶液可以有效減緩電滲過程中電流的減小。

3.2 電滲排水變化

圖6為電滲過程中排水曲線，最終試驗(yàn)2的排水量為519 mL，減去加入CaCl2溶液總體積39 mL之后，為480 mL。而試驗(yàn)1的排水量433 mL，在電極處加入CaCl2溶液后排水量最終增大了10.9%。

圖6 電滲過程中排水曲線Fig.6 Curves of drainage during electro-osmosis

由以上分析知，本試驗(yàn)條件下，在電極處加入CaCl2溶液可以起到提高排水量的效果。

3.3 界面電阻變化

圖7為界面電阻曲線，試驗(yàn)1在電極處未加入CaCl2溶液的情況下，電極處的界面電阻都是逐漸增大的，其中陽極界面電阻的增長尤為明顯，而陰極界面電阻的增長相對(duì)于陽極來說較為緩慢。試驗(yàn)2在電極處加入CaCl2溶液后，電極處界面電阻的增長相比加入之前有一定的減緩。

圖7 界面電阻曲線Fig.7 Curves of interfacial resistance

圖8為陰極界面電阻減小值變化曲線，相對(duì)差為總值差減去加鹽溶液之前瞬間試驗(yàn)2與試驗(yàn)1陰極界面電阻差。由圖8可以看出，電極處加入CaCl2溶液后試驗(yàn)2與試驗(yàn)1土體陰極界面電阻相對(duì)差的增大還是很明顯的，說明電極處加入CaCl2溶液對(duì)陰極處界面電阻的減小是很明顯的。

3.4 土體分段電阻率變化

土體的電阻和電阻率的計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

式中：R為電阻(Ω)；ρ為電阻率(Ω·cm)；U為各段土體的電勢(shì)差(V)；I為電流(A)；F為各段土體的中部橫截面面積(cm2)；l為各段土體的長度(cm)。

假設(shè)土體發(fā)生沉降后，陰極和陽極土體高度基本能維持原狀，土體的沉降基本是沿著兩極向中部呈線性降低的，因此將土體沉降加以簡(jiǎn)化，如圖9所示。又知道土體的寬度和高度分別為12.5，10cm，因此容易得到土體橫截面面積公式為

(3)

式中：F為橫截面面積；K為沉降變化系數(shù)，對(duì)第1段、第4段土體為0.25，第2段、第3段土體為0.75；S為沉降值(cm)。

圖9 土體橫截面計(jì)算示意圖Fig.9 Schematic diagram of calculation forcross section of the soil

圖10為土體總電阻率變化曲線，試驗(yàn)2電極處加入CaCl2鹽溶液后土體總電阻率下降較為明顯，而土體總電阻率的下降將導(dǎo)致電流的增大，這與電流大小的變化趨勢(shì)相符合，但是在電勢(shì)梯度不變的情況下也勢(shì)必會(huì)引起能量消耗的增加。

圖10 土體總電阻率變化曲線Fig.10 Curves of total resistivity of the soil

圖11 各段土體電阻率變化曲線Fig.11 Curves of resistivity of each part of the soil

圖11為各段土體電阻率變化曲線，第1段、第2段和第3段土體在電極處加入CaCl2鹽溶液后總體趨勢(shì)與未加時(shí)相比，土體電阻率無明顯改善作用，但是加入CaCl2鹽溶液的瞬時(shí)，電阻率減小還是很明顯，而陰極附近的第4段土體在電極處加入CaCl2鹽溶液后土體電阻率下降很明顯，可見，陰極所在位置的土體電阻率的下降對(duì)土體總電阻率下降起主要貢獻(xiàn)作用。

3.5 土體最終含水率和最終抗剪強(qiáng)度

圖12為土體最終含水率和最終抗剪強(qiáng)度的變化曲線，可以看出:土體最終抗剪強(qiáng)度與最終含水率呈負(fù)相關(guān);試驗(yàn)2陽極土體最終抗剪強(qiáng)度為39.2 kPa，相比于試驗(yàn)1的22.8 kPa，提高了16.4 kPa;而試驗(yàn)2中部土體最終抗剪強(qiáng)度提高了10.5 kPa;但是陰極土體最終抗剪強(qiáng)度無明顯提高。

圖12 土體最終含水率和抗剪強(qiáng)度曲線Fig.12 Curves of final moisture content andshear strength

由以上分析可知，電極處加入CaCl2溶液后，陽極和中部土體最終抗剪強(qiáng)度提高比較明顯，尤其是陽極土體最終抗剪強(qiáng)度提高了16.4 kPa，但陰極土體強(qiáng)度無明顯提高，因而可以考慮通過反轉(zhuǎn)電極的方法來加固陰極土體，從而提高土體整體的抗剪強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)飽和高嶺土的室內(nèi)電滲試驗(yàn)，研究了電滲過程中在電極處加入CaCl2溶液后電流、排水量、分段電阻率及界面電阻、土體電阻率和土體最終含水率與強(qiáng)度等的變化規(guī)律，結(jié)論如下：

(1) 電極加入CaCl2溶液后電流的減小趨勢(shì)得到有效控制，電滲過程中電流大小與加入CaCl2溶液的量有關(guān)，也可能與陽極所加CaCl2溶液所占比例或者與CaCl2溶液加入的時(shí)間有關(guān)；排水量變大，本試驗(yàn)條件下電滲排水量提高了10.9%；電極處加入CaCl2溶液對(duì)陰極處界面電阻的減小作用很明顯。

(2) 電極處加入CaCl2溶液后土體總電阻率下降較為明顯，而陰極附近土體電阻率的下降對(duì)土體總電阻率下降起主要貢獻(xiàn)作用。

(3) 電極處加入CaCl2溶液后，陽極和中部土體最終抗剪強(qiáng)度提高比較明顯，尤其是陽極土體最終抗剪強(qiáng)度提高了16.4 kPa，但陰極最終土體抗剪強(qiáng)度無明顯提高，因此可以考慮在此方法的基礎(chǔ)上用反轉(zhuǎn)電極的方法來加固陰極土體，從而提高土體整體的抗剪強(qiáng)度。這項(xiàng)研究可為高嶺土電滲試驗(yàn)提供新思路。

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(編輯：王 慰)

Influences of CaCl2Solution Added to Electrodes onthe Electro-osmotic Test of Kaolin Clay

FENG Qing-peng1,2, BU Fan-bo3, PENG Yi1,2, PENG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering under Ministry of Education,Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. SDC Waterway Construction Co., Ltd., Ningbo 315200, China)

The changes of electricity current, water discharge, interfacial resistance and final shear strength after CaCl2solution was added to electrodes during the electro-osmosis of kaolin clay were studied through laboratory test. Results show that adding CaCl2solution to the electrodes could effectively control the decrease of current in soil, and the current strength is not only related to the amount of added CaCl2solution, but probably also to the proportion of CaCl2solution added to the anode, or the time when the CaCl2solution is added. Displacement becomes larger, improving by 10.9% under the condition of the present experiment. The decrease of interfacial resistance of anode is obvious. The total resistivity of the kaolin soil declines obviously with the resistivity decline of the soil near cathode making the main contribution. Moreover, the average shear strength near anode and in the middle of the soil increases obviously, especially the average shear strength near anode of the soil increases by 16.4 kPa; whereas the average shear strength of the soil near the cathode does not increase. Therefore, reversing the electrodes could be an approach of electro-osmosis test on kaolin soil near the cathode.

kaolin clay; electro-osmosis; electrodes; CaCl2solution; resistivity of soil; interfacial resistance; shear strength

2016-05-16;

2016-06-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578214)

馮清鵬(1991-)，男，河北滄州人，碩士研究生，主要從事軟土地基處理方面的研究，(電話)13236558608(電子信箱)785975792@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160469

2017,34(8):90-95

TU411

A

1001-5485(2017)08-0090-06