電滲固結地基處理關鍵技術及其數值模擬研究錯誤！未定義樣式。PAGE2一、緒論（一）研究背景與意義我國濱海地區,特別是環渤海經濟圈、東南沿海經濟圈,分布著大量高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低抗剪強度的軟弱土。濱海軟土的特性不僅與其物質組成成分、顆粒粒徑、微觀特性等因素相關,也與形成環境如飽和缺氧條件等密切相關。人類居住和生產范圍的不斷擴大需要更多的土地資源,濱海地區軟土處

理的重要性也日益凸顯。對于高含水率軟土地基,需要對其進行排水固結處理以提高抗剪強度,最終達到一定的承載能力供直接應用或后期二次處理。對于固結緩慢的細顆粒軟黏土傳統排水固結方法如堆載預壓和真空預壓的工期較長,研究人員和工程師不斷嘗試新技術的應用和推廣。電滲法具有工期短、設備安裝方便、不易造成地基失穩等優點,為高含水率、低滲透性的細顆粒軟黏土的加固處理提供了一種較好的解決方案,但同時也存在電極腐蝕、能耗較高等問題。（二）軟土電滲加固原理2.1軟土電滲加固原理

電場作用下，帶電粒子有向著相反符號電極運動的趨勢。俄國科學家Reuss

于1807年發現電滲現象:多孔介質會吸附溶液中的正負離子，溶液相對帶電并

朝一定方向運動。20世紀30年代，Casagrande等(1949,1983)將電滲應用于實際加固工程后，電滲法加固軟土的室內試驗、現場試驗和工程實例才得到不斷豐富和發展。電滲法對軟土地基的加固作用主要包括(1)加速土體孔隙水的排出;

(2)陽極附近土顆粒的聚集加密作用;(3)膠體產物對孔隙的填充密實。

電滲排水對土體加固起到大部分作用。直流電場作用下，吸附陽離子的極性水分子形成水流并從陰極排出，完成從陽極到陰極的運動過程。一般在陰極處設置土工布或透水石起到濾土排水作用。Wan等((1976)、申春妮等(2009)認為土體含水率的減少使其抗剪強度和粘聚力提高，這是電滲處理后地基強度提升的主要原因，Micic等(2001),Glendinning等(2005),Fourie等(2007)研究均表明土體的不排水剪切強度與含水率常呈負指數關系。

除電滲引起的水流運動以外，帶負電荷的土顆粒在電泳作用下向陽極方向運動，使陽極附近土體的密實度和強度提高。同時，電滲過程中陽極附近產生一系列化學反應。以鐵電極為例，陽極生成的Fe3+向陰極移動與陰極生成的OH-作用形成Fe(OH)3膠體。劉飛禹等(2014)認為液體中形成的氫氧化鐵水溶膠體積遠超過其干物質形態，對陽極附近的土體孔隙有較好的填充加固作用，同時向陰極方向擴散。此外水的電解、產熱、產氣等因素對軟土的電滲加固效果也有一定影響。因此，電滲是水力滲流、熱力滲流、化學滲流、電力流(包括電流和電滲流)的多場耦合行為。為了定量描述電滲流速，有以下幾種被廣泛接受的基礎理論:（1）Helmholtz-Smoluchowski(H-S)理論

它由Helmholtz(1879)提出，并由Smoluchowski(1914)改進，是最早提出而且當前應用最廣泛的一種。H-S理論最初應用在描述充滿液體的毛細管中，液體受電動力驅動的運動現象，如下圖所示。電滲是在外加電場的作用下，液相流動而固相不動的現象。而流動電位是在外力作用下，液相和固相產生相對位移，由此而產生的電位叫流動電位。毛細管電滲模型機構是由兩個相互平行的玻璃毛細管組成，上面的毛細管中有一氣泡，用來觀察液體的流動。測定的毛細管兩端裝上兩個可逆電極，整個體系是密封的，通電時電極表面不能有氣泡產生。在毛細管兩端加上電場后，電場力與粘滯力達到平衡時，擴散層的離子遷移速率就達到穩定(Mitchell,1993)。毛細管圓柱體的半徑為a，它比尸值大得多，在Ka值大于100時符合H-S模型的要求。

充滿液體的毛細管可簡化為平行板電容器，電荷位于板表面或附近，反向電集中在離板較短距離的液體中，從而通過形成的栓塞流(PlugFlow)拖拽水

分通過毛細管，如下圖所示。H-S模型示意圖基于H-S理論的基本概念可認為電滲透系數、電滲排水速率與土體孔隙大小無關。一般來說，大部分粘土在微結構上是簇結構或團聚體結構，大孔隙比簇內孔隙更多，H-S理論(大孔隙模型)適用于解釋土體的電滲現象，是應用最廣泛的一種理論模型。（2）SpieglerFriction理論

Spiegler(1958)提出的概念與上面兩種理論的出發點完全不同，考慮了水分和離子運移相互作用以及孔隙壁的阻滯作用，試圖從電滲墓本機理上提升電滲效率。假定包括:(1)介質為理想選擇性滲透膜，僅允許單一符號離子存在;<2)孔隙液中的離子完全解離。細顆粒多孔材料包括吸收離子和自由離子的電滲水分運移方程如下（1.1）式中，為真電滲水流(mol/F);W為測量電滲水流(mol/F);H為離子水化引起的水流;C3為材料中自由水的濃度;C1為材料中移動平衡離子的濃度;X34為水和壁面之間的摩阻系數;X13為陽離子和水之問的摩阻系數。Cl和C3的濃度是理論值，由于一些離子的不可移動性通常小于實測值;X13和x34的取值由擴散系數、電導率、遷移數和水分運移決定。因此方程實際上是一個預測性的方程，它的意義在于為復雜過程提供一個相對簡化的物理表達。方程還可以寫為 （1.2）高含水率和大孔隙情況下，水和壁面之間的摩阻系數X34可忽略，X34/X13→0從而有 (1.3)這一關系表明:高含水率和大孔隙情況下，水離子比越高、電滲流速越高;低含水率和小孔隙情況下，水和壁面之間的摩阻系數X3;不能忽略，因此降低了電滲流速。Cl值越高、每單位離子對應的水分越少，每法拉第電流通量下的流

速越低;X13值越高、離子對水分的拖拽力越強，流速越高。二、電滲試驗研究方面（一）軟土電滲的研究現狀1809年，俄國科學家Reuss水-石英粉混合物的兩端施加電壓后發現，陰極端的水位出現上升，陽極端的水位出現下降現象。該現象說明水土混合物中的水從陽極相陰極發生了流動，停止施加電壓后，水流就停止了，這是土中的電滲現象首次被學者觀察到，隨后，研究人員對電滲現象做了一系列研究。1939年，Casagrand將電滲法用于德國某鐵路挖方邊坡工程，這是電滲法在歷史上的首次工程運用。在這之后，電滲被越來越多的工程師投入實際的工程。在提高地基承載力[1-2]、提高堤壩穩定性[3-4]、提高樁的承載力[5-6]、電滲法注漿[7]、提高影土在周期荷載作用下的抵抗力[8]、環境土工等方面的工程都可以見到電滲的實際案例，電滲法還被提名為比薩斜塔的一種糾偏方案[9]。國內的學者已經對電滲做了大量的研究。曾國熙和高有潮開[10]展原狀砧土的室內試驗研究，初步研究完成的報告對處理后土體性質改變、強度的提升、pH值的影響、電勢梯度、電極材料的影響等做了詳細的記錄。改革開放之后，電滲法拓展到多個領域，國內開始將電滲用于基坑的降水[11-12]、礦山充填料脫水[13-14]鐵路路基的整治[15-16]、軟弱地基的加固[17-18]、堿渣土的排水[19]、公路填料的處理[20-21]等。近年國內對電滲的關注方面有電滲聯合其他工法加固，和新型電極材料開發，如電動土工合成材料EKG。本節主要從電滲的試驗研究、理論研究以及兩個方面介紹電滲法加固軟土研究現狀。（二）電滲處理與其他方式地基處理進行聯合的方法電滲法對地基加固的有效性得到廣泛驗證，但在實際應用中也存在陽極腐蝕和脫開、界面電阻導致的電壓損失、土體收縮和電極因素導致的不均勻變形和開裂等現象。研究者轉而通過創新工藝設計和引入新方法，以提高電滲加固軟土的效果。考慮電滲法的單獨提升空間相對有限，因此常聯合其他地基處理方法以提高電滲加固效果、降低綜合成本，例如與真空預壓、低能量強夯、氣壓劈裂等工法聯合處理軟土地基。1.電滲處理與真空預壓法地基處理進行聯合目前我們針對真空與電滲聯合法，海內外研究者展開了一定的分析，對軟黏土采取的方法是進行了真空電滲室內實驗，一般分析其平面二維模型并推論理論解。真空預壓和電滲固結聯合進行地基處理時，陰極和陽極成梅花形或正方形布置，陰極作為排水通道，陽極分布于四周，可以精簡為軸對稱情況展開深入研究工作。 當電滲固結與真空預壓聯合進行對軟弱土地基處理時，需在處理的土體表面鋪設一層砂墊層，并與地基中排水井連接起來，砂墊層表面鋪設真空密封膜。同時，在模型排水井周圍布置陰極，用土工布將電極與土柱隔開，周圍布置陽極。在砂墊層中連接真空泵抽真空，同時施加電場進行軟基排水固結處理。真空－電滲排水固結問題可以簡化為軸對稱模型，如圖2所示。該模型中，上部和中間排水井為真空邊界，周圍陽極為不透水邊界。圖2真空-電滲軸對稱圖形2.電滲聯合化學方法進行地基處理電滲作為一種電化學現象，在聯合使用化學方法方面的研究不少。通常可以通過加入各類外加劑來提高地基土體的電滲效果，例如可以通過加入石灰改變土質進行電滲，通過對土體土質的改良作用，使得其最終強度得到一定的提高；還可以采用向土體內中注入多種鹽溶液改進土體性質。例如向其中加入磷酸鋁溶液，其中含有的鋁離子和磷酸根離子改變了孔隙水的特性，在離子交換和沉淀機制上起作用，增加了抗剪強度；還可以在其中加入CaCl2溶液，加入CaCl2溶液后不排水抗剪強度有一定提高，處理時間也縮短，相比未加入情況電滲效果顯著提升；進一步研究表明土中加入CaCl2溶液后，電滲透系數會有較大幅度的提高，這是是電滲效果提升的根本原因，并且有研究發現CaCl2溶液的注入導致陰極附近形成黏合區，黏合區成塊且強度高于其他區域。注入不同類型的化學溶液對電滲的作用因采用化學溶液種類、濃度以及適用土體不同而不同，因此關于化學外加劑的研究具有相當的針對性。除無機溶液以外，有機添加物在電滲處理軟土中的研究也有報道。常見表層活性劑或者各種類型的有機化合物作為添加物，其主要作用機制也根據使用的外加劑不同而各異。目前關于電滲聯合化學方法加固地基的研究還大多處于先實驗，后分析的階段，其并為構成一些具有理論指導性的理論體系，對于普適性的工程設計和計算應用需求難以滿足，因此目前該方法的運用多為實踐指導，還需進一步的研究。（三）本文主要研究內容目前已經有學者做了關于電滲做了一系列試驗和理論的研究，主要著重于電極材料，電滲工法等，電滲中關于電場因素的研究還比較少。電場中的因素有很多，常見的有電勢，電場強度，電流密度等。電場因素中的電勢分布改變會影響電勢梯度的大小，而電勢梯度的改變會引起排水速率的變化，從而影響排水量;電場強度會影響土體中各點的流速大小，進而引起電滲后土體含水率分布的不均勻。因此本文著重研究電勢梯度、電場強度和電極布置對電滲效果的影響。

本文是在龐杰建立數值模型對電滲中土體的電勢和電場強度進行的研究，根據分析結果進行了關于電勢分布對電滲影響的模型試驗，分析電勢分布變化對電滲排水的影響;在試驗的基礎上進一步分析了同性電極間距變化對平均有效電勢的影響。分析了主要分以下幾個方面:

（1）分析土體中電勢，得到電滲處理時電勢的分布情況。之后改變電極的面積比，根據不同的電勢分布情況設計模型試驗，分析電極面積比改變情況下排水總量的差異;提出平均有效電勢差的概念，分析平均有效、電勢差和電滲排水速率的關系。還分析了陰陽極面積變化時的排水量，能耗系數，電滲運移量，界面電勢損失等因素。

（2）分析土體中電場強度分布形式，得到電滲處理時電場強度的分布情況。根據分析結果，設計模型試驗，分析電場強度分布不均勻

對電滲后土體最終含水率差異的影響。（3）根據電學中麥克斯韋方程組簡化得到高斯定理，推導出土體中的電勢分布的拉普拉斯方程。首先分析了管狀電極布置形式不同時的電勢分布情況。之后改變管狀電極的間距，分析了電極間距改變對電勢分布的影響，為電極布置提供。三、電勢強度對電滲效果的影響電滲法是將插入土體中的電極，通過電極在土體施加電場，土體中的水通過電場的作用會從陽極流向陰極。所以首先是要明白土體中電場的分部狀況。本章是通過麥克斯韋方程式，羅列出電滲作用期間電場的分部方程，分析出電壓與電極面積比情況下電勢的變化情況，在通過試驗分析，得出電勢變化對電滲排水效果的影響。最終得出最優結論，服務于實際工程。（一）土體電勢分析麥克思維方程組微分形式 ×E= （3.1） ×H=J+ （3.2） ×D=?? （3.3） ×B=0 （3.4）分析式中H為磁場強度，B為磁感應強度，E為電場強度，D為電位移通量，J為電流密度，ρ為電荷密度。電磁場中各矢量關系式： （3.5）（3.6）（3.7）分析式中為電介質介電常數，為磁介質磁導率，為電導率。一般在電滲地基處理時采用恒壓直流電，土體中的電場按靜電場考慮，于是電滲時土體中的電勢分布便可由電介質中高斯定理計算得出。高斯定理的微分形式（3.8）分析式中:為電場強度，為介質內自由電荷密度，為介質內體電荷密度，為介質相對介電常數。假定土中沒有自由電荷和體電荷，土體呈電中性，==0，電場強度和電勢關系如下:（3.9） 結合式（3.9）和式（3.10），導出土體平面的電勢分布方程：（3.10）計算電場中電勢、電場強度分布時，首先以靜電場電位函數為待求場函數構造泛定方程，然后給出具體物理問題的定解條件，即邊界條件，帶入方程后求解。由于電滲時電極板均勻帶電，整塊電極板電勢相同且深度方向電勢不變，因此取平面的電勢分布分析。首先分析電極板滿堂布置的情況，模型為正方形尺寸為1000mmX1000mm，邊界條件為:陽極(=100V，陰=0V，電勢梯度為常見的1V/cm。在這種情況下，拉普拉斯方程變為:（3.11）可知方程3.11的解析式為：（3.12）帶入邊界條件后，變為：（3.13）從拉普拉斯方程解看出電勢由陰極向陽極線性升高，comsol模擬的結果的電勢分布也是線性升高。圖3.1平行板電勢分布從本節可以看出目的是了解電極面積比確定時各點電勢大小和電勢的分布變化情況，因此只取陰陽極面積比取1:1這一種方式分析。模型為正方形尺寸為100cmX100cm，邊界條件為:陽極=100V，陰極=0V，電極板位于各邊正中，寬度為邊長的1/5。在這種情況下宏觀電勢梯度為常見的1V/cm。施加位置和網格劃分情況如下圖所示。圖3.2電勢模型分析（二）最終計算結果由Comsol計算得到土體的電勢分布情況如下所示:圖3.3電勢分布情況從電勢分布圖中可以看出，陽極附近電勢偏高，陰極附近電勢偏低，電極板處電勢與遠離電極板區域的電勢有一定的差別。而且除了陰極板電勢為0處，其余各點都有電勢且都大于零，所以土體中每個點和陰極的連線都有一的電勢梯度。

由于界面電阻的存在實際施加在土體上的電勢會略小于外加電壓，同時，隨著電滲排水的進行，界面電阻會逐漸變大，作用在土體上的有效電勢也會逐漸變化這種情況相當于陽極邊界處的有效電勢衰減。由于模型計算時陽極輸入的電勢即為有效電勢，通過陽極處有效電勢不斷變小的形式來體現界面電阻的變化情況。假設陰極處保持接地，電勢為0不變，陽極處電勢分別取100V,75V,SOV,25V,模型大小和單元劃分方式不變。可由軟件計算得到電勢變化時土體的電勢分布情況。圖3.3為有效電勢不同電勢分布云圖(圖中單位為V):（a）=100V （b）=75V（c）=50V （d）=25V圖3.4考慮界面電阻后的電勢云圖從圖3.4中可以看出當陽極處有效電勢發生變化時，不同位置(陰極接地處除外)在不同時刻電勢的數值大小不同。雖然不同時刻各點電勢數值大小發生變化，但具體電勢分布情況不變，每個時刻的電勢大小相當于初始時刻的電勢乘以一定的比例系數。因此，在電滲過程中，一旦電極面積比確定，土體中的電勢分布情況也可以得到確定。

圖3.5為電極面積比改變時電勢的分布情況，從圖中可以看出，不同面積比情況下電勢的分布不同，電極面積比改變會來改變電滲過程中電勢的分布情況。

（a）SA:SC=1 （b）SA:SC=3（c）SA:SC=5 （d）SA:SC=1/3（f）SA:SC=1/5圖3.5試驗工況下電勢分布形式基于上述的分析結果,便可以試驗分析電勢分布對電滲效果的影響。電勢的分布情況在電滲中起重要作用,不同的電極面積比會改變土體中電勢分布（）進而影響電勢梯度，從而對電滲排水量及處理后的土體強度產生影響。電滲時土體中電勢和電場強度的分部可由搞死定理計算得出。Casagrande根據Helmholtz-Smoluchowski模型導出電滲排水速率與電勢梯度關系： （3.14）公式中：為電滲系數，為土體截面積，/為電勢梯度。Helmholtz-Smoluchowski模型表明電極間距不變的情況下電勢差(DU)和排水速率(q)存在線性關系，可以通過電勢差的變化來分析排水量的變化。本章根據高斯定理和Helmholtz-Smoluchowski模型設計了相應的電滲試驗，改變陰陽極面積比以分析在電滲過程中電勢變化對電滲結果的影響，為提高電滲效率提供參考。（三）龐杰的試驗裝置與方案1.試驗裝置試驗槽分為土樣室和排水室兩部分。土樣和電極位于土樣室，試驗過程中土樣室排出的水分透過陰極板進入排水室下方集水槽。土樣室長，寬，高分別為200mm,200mm,150mm。電勢測針長150mm，直徑為lmm。試驗槽下方的集水槽內部長，寬，高分別為170mm,40mm,5Omm，板厚5mm。（a）裝置俯視圖 （b）裝置側視圖根據電勢分布的計算結果,電勢的分布僅和電極板的位置有關,電極材料僅通過界靣電阻影響有效電勢大小,不影響電勢分布情況,因此電極材料取導電性較好的304不銹鋼鋼板。試驗的陽極板高度均為170mm,寬度分為三種,分別為40mm、120mm、200mm,厚度均為5mm。（a）陽極板簡圖陰極板高度也均為170mm，寬度同樣分為三種，分別為40mm,120mm,200mm,厚度均為5mm，材料為304不銹鋼板。陰極板上均勻布置直徑為5mm的圓孔，使陰極的水分順利排出。當陰極板寬度不足200mm時，不足空間用相同厚度的亞克力板填充。（a）陰極板簡圖陰極與土樣接觸面包裹120目紗布，起濾土排水作用，并在試驗前用水潤濕，減少初始階段誤差。試驗電源為HSPY60-02直流電源，可提供最高60V輸出電壓和2A的輸出電流，電勢差使用VictorVC890D型萬用表測試。2、試驗土樣試驗選用的土樣從浙江寧波某基坑挖取,土樣各種物理指標見表3.1。由于在正式試驗前預實驗表明試驗合適的含水率為73%左右,原裝土烘干后配置為目標含水率左右的重塑土以供實驗。表3.1原狀土的物理性質重度（KN/m3）比重ds孔隙比e含水率w/%干密度ρd（g/cm3）液限wL%塑限wp%17.12.631.3947.061.1045.1931.033、電勢變化試驗方案電極面積比的變化會影響土體電勢的變化情況,試驗時通過改變陽/陰極面積比(SA:SC)的數值,來改變電勢的分布,以研究不同的電勢分布改變對排水速率、排水量等因素的影響。采用恒定電壓20V,在保持陰極面積不變(極板寬度40mm)的情況下,擴大陽極面積,研究陽/陰面積比(SA:SC)分別為1,3,5的情況下排水速率、排水量與有效電勢的變化情況,按面積比分別記為Al,A3,A5;由于試驗時陽極板土體會因排水會發生開裂,為減小裂縫影響,獲得更好的試驗效果,C組試驗電壓取15V。在保持陽極面積不變(極板寬度40mm)的情況下,擴大陰極面積,研究陽/陰面積比(SA:SC)分別為1,1/3,1/5的情況下排水速率、排水量與有效電勢的變化情況,按面積比分別記為Cl,C3,C5。排水速率的測試通過每個時間測試點集水槽的質量差來獲得。試驗條件匯總于表3.2。表3.2試驗條件匯總試驗編號試驗時間/h陽/陰面積比（SA:SC）電源電壓U/N初始含水率w/%AA13012072.9A33032073.1A53052073.4CC13011572.9C2301/31573.1C5301/51573.4試驗箱中填土體積為200mmX200mmX70mm。在試驗槽內壁使用刷子涂抹凡士林,減小試驗過程中內壁對土體的摩阻力,之后填裝土樣;試驗槽中布設按照試驗要求加工的陽極板和陰極板;將土樣攪拌均勻后,在試驗槽中分層密實填入土樣,使土樣與電極接觸緊密;試驗槽中取土樣測量土樣含水率后,在試驗槽上方蓋一塊亞克力蓋板,減少土與外部流通空氣的接觸,以減小試驗過程中土樣水分蒸發損失;在安放好電勢測針、連通電源導線、各種設備準備好后土樣靜置20h,再通電進行電滲試驗。六組試驗時間均為30h,在進行的過程中前16h分別間隔lh記錄一次數據,后14h間隔2h記錄一次數據,記錄的量分別為電流、排水速率、30測點間電勢差和測點與電極間的界面電勢差。試驗系統如下圖布置:由于電極面積比變化會引起電勢分布形式發生改變,根據電勢的分析結果,同時考慮試驗時土體和電極板的尺寸,按圖3.6設置10個電勢測量點,取A-a,B-b,C-c,D-d,E-e間電勢差的平均值,記為平均有效電勢差(),分析其與排水量、排水速率的關系。圖3.6電勢測點分布（單位：mm）（四）試驗結果分析1、根據龐杰的試驗對排水量分析A、C組試驗的排水量曲線如下圖所示。圖3.7A組試驗累計排水量曲線從圖3.7中可以看出A組試驗結束時的排水總量:A1為405.2g,A3為503.9g,A5為582.5g,A1<A3<A5。三者排水總量隨陽極面積增大而增大。A5,A3相對于A1排水量分別提高了43.75%,24.35%。以上結果表明,在陰極排水通道不變的情況下,擴大陽極的面積對排水量提高比較明顯。 圖3.8C組試驗累計排水量曲線從圖3.8中看出,C組試驗排水總量:Cl為347.2g,C3為340.9g,C5為339.8g,三組試驗的排水量差距不大。試驗結束時的排水總量C5,C3相對Cl減小2%。以上結果表明,在陽極面積不變的情況下,擴大陰極面積對排水量的提高作用不大。 2、根據龐杰的試驗對排水速率分析A、C組試驗的排水速率曲線如下圖所示。圖3.9A組試驗排水速率曲線A組試驗曲線見圖3.9,A1、A3、A5的電滲排水速率差別明顯,前期電滲排水速率A5>A3>A1,但隨著時間的推移,三者電滲排水速率趨同。前期(0-9h)排水速率總體呈大幅快速下降趨勢;中期(9-15h)排水速率下降趨緩;后期(15-30h)排水速率曲線出現交叉,三者排水速率逐漸接近。以上結果表明,在陰極面積不變的情況下,陽極面積越大,排水速率也較大。浙江大學遠程教育學院本科畢業論文(設計) PAGE32PAGE6圖3.10C組試驗排水速率曲線C組試驗曲線見圖3.16,試驗過程中排水速率Cl、C3、C5差別也不明顯,并呈一致的變化規律。前期(0-4h)電滲排水速率快速下降;中期(4-15h)排水速率下降趨緩,后期(15-30h)排水速率出現交叉。以上結果表明,在陽極面積不變的情況下,擴大陰極面積對排水速率的影響也不大。3、根據龐杰的試驗對排水量對平均有效電勢差分析A、C組試驗的平均有效電勢差曲線如下圖所示。圖3.11A組試驗平均有效電勢差曲線A組試驗曲線見圖3.11,前期(0-9h)變化幅度大,總體呈下降趨勢在這一段

里總的變化趨勢與排水速率的變化趨勢一致,大小關系也一致。由于前期排水導致土體電阻增加,中期(9h-15h)陽極附近土體開始產生一些裂縫,平均有效電勢差發生波動,排水速率及平均電勢二者變化幅度的聯系已經不大,但排水速率的大小依舊與平均有效電勢差的大小關系保持一致。電滲處理至后期(15h-30h)階段,土體出現了變形開裂、電阻增加,平均有效電勢差波動、有上升現象,在排水的圖上排水速率三者也開始出現交叉的現象,試驗最后階段,三者大小也得接近,在一個區間內波動。此時平均電勢已經無法估計流速的大小。總體而言在陰極面積不變的情況下,陽極面積越大,平均有效電勢差越大。圖3.12C組試驗平均有效電勢差曲線C組試驗曲線見圖3.12,前期(0-4h)快速下降;中期(4-15h)小幅度變化,并進入近似平臺區;后期(15-30h)土體出現變形開裂、電阻增加,平均有效電勢差有少許波動。以上結果表明,在陽極面積不變的情況下,擴大陰極面積對平均有效電勢差的影響不大。在整個電滲過程中,平均電勢與流速的變化規律比較一致。平均電勢開始(0-4h)變化幅度大,穩定后(4h-15h)變化幅度小,15h后由于土體排水電阻上升,土體變形開裂,平均電勢有一些波動,這與排水速率的變化趨勢也相同。由于土-電極板界面處存在界面電勢差,有效電勢會小于外加電勢,而且極板處有效電勢會隨著試驗的進行下降,試驗過程中整塊土體電勢會隨時間變化。分析電勢變化時,我們假定電極與土接觸的位置在試驗過程中不發生改變,試驗過程中實際施加在陽極板上的有效電勢-時間變化按照龔明星試驗所得規律:（3.15）式中：為初始時刻陽極處的有效電勢，m為電勢衰減系數，為穩定后的電勢，為電勢停止衰減的時刻。根據實測值可擬合得到對應公式(3.12)的4個參數,擬合參數見下表3.3,擬合曲線建圖3.13（a），（b）（a）A組試驗（b）C組試驗圖3.13實驗值-模擬值擬合隨著電滲的進行,電極板-土接觸面處的自由水和弱結合水被大量排出,相應的土與電極的接觸面積與接觸情況隨著電滲進行逐漸穩定,界面電阻也逐漸穩定,直至不再變化,最終有效電勢最終也趨于穩定值。試驗中后期A組試驗平均有效電勢差差別明顯,而C組試驗差別不大。取該階段分析,表3.4是試驗后期水平段界面電阻對平均有效電勢的影響,從表上看,擴大陽極面積能夠顯著減少陽極-土界面電阻占比,土體平均有效電勢差增加;擴大陰極面積輕微減少了陰極-土界面電阻占比,陽極-土界面電阻占比反而相對升高。陰陽極截面電阻占比及團體平均有效電勢差試驗編號陽極截面電阻占比%陰極截面電阻占比%平均有效電勢差A14964.63A33667.21A52758.94C13983.99C35073.89C55753.814、電滲運移量分析電滲運移量的定義為單位電荷移動時傳遞的水的體積,計算方法為水速率除以電流,這個指標也可以反映電荷的遷移能力。其計算公式為: 公式中,W為電滲運移量（kg/（h·A））,qe為排水速率，I為電流。A組試驗、C組試驗不同時刻的電滲運移量如下圖3.20所示： （b）C組試驗圖3.14A、C組試驗電滲運移量圖3.14分別給出了A組試驗和C組試驗排水速率與電流的散點圖,其中各點縱橫坐標的比值即為電滲運移量,圖中也給出了擬合直線,試驗A的擬合關系為分q=106.14I(R2=0.95),試驗C的擬合關系為q=106.48I(R2=0.90)。兩組試驗的電滲運移量在試驗前期中期的差別也不是很大。本試驗中,不同試驗組的電滲運移量的分析結果均表明,在電滲過程中,改變電極面積比和外加電壓對電荷水分的遷移能力變化不大,具體表現為電滲運移量十分接近。在試驗前期和中期電滲運移量變化不大,土體電阻也增加的不多,將式(3.16)變化到式(3.17),可知同一種土體上有效電勢差越大,排水效果越好,若帶入平均有效電勢差分析,也可以得到相同的結論。A、C組試驗中排水速率的排序也和平均有效電勢差的排序相同。（3.17）（5）電滲排水速率與平均有效電勢差的關系A組試驗和C組試驗的結果表明電滲排水速率與平均有效電勢差變化趨勢基本相同,試驗前期階段電滲排水速率和平均有效電勢差都大幅下降;中期階段平均有效電勢差下降變緩,同時電滲排水速率下降亦變緩;后期平均有效電勢差波動,電滲排水速率曲線出現輕微交叉。Helmholtz-Smoluchowski模型表明,在土體特性和模型尺寸不變的情況下,電滲排水速率和外加有效電勢差At/為線性關系。對于實際工況,則需考慮平均有效電勢差At/A進行分析。取A1、A3、A5、C排水通道(陰極)面積相同的四組試驗數據進行分析。因為試驗后期排水速率出現交叉,參考價值不大,取試驗前半階段進行統計。通過5處測針記錄試驗電勢,獲得各組試驗的平均有效電勢差隨時間變化數據,結合電滲排水速率數據,可得到電滲排水速率和平均有效電勢差的關系,如圖3.15所示。

（a）前15小時圖3.15平均有效電勢差-排水速率關系前9小時可擬合為q=3.06(R2=0.944),前15小時可擬合為q=2.86(R2=0.842),前9小時的數據相關性優于前15小時的相關性。但總的來說電滲排水速率和平均有效電勢差基本呈線性關系。（6）電滲能耗分析能耗系數的公式為:(3.18)式中：U為外加電壓，I為電流，Q為一個時間段的排水量，V為填土體積。由于試驗時的填土體積保持不變，工時制的填土體積V保持很定，公式可簡化為：（3.19）圖3.16A組試驗能耗系數曲線A組試驗的能耗曲線如圖3.16所示。從圖上看,能耗系數的變化可以分為兩個階段,前15個小時為第一階段,后15小時曲線變化大,為第二階段。在第一階段里,A5,A3,A1能耗系數差別小,但A5,A3相對于A1較大;后15小時A3、A5的能耗系數明顯有上升趨勢,A1略微上升,三者差別變大。總的來說前期三者能耗系數差別不大,主要落在0.15-0.21的區間。擴大陽極面積,對前期能耗系數的影響比較小,后期時能耗系數隨陽極面積擴大而增大。圖3.17C組試驗能耗系數曲線C組試驗的能耗曲線如圖3.17所示。從圖上看,三組試驗能耗系數的變化趨勢相同,數值大小也在一個范圍內波動。該系列試驗中,三組的能耗系數在開始階段有下降的趨勢,隨著試驗進行,后期的能耗系數會有增大,整個電滲過程中能耗系數大多落在0.12-0.165的區間內。同樣的,能耗系數的變化也可以以15小時為界分為高個階段,前期能耗曲線波動也在一個范圍內,主要落在0.12-0.155的區間,對比能耗曲線,可以發現擴大陰極面積,對能耗系數的影響比較小。

（五）本章小結根據龐杰的試驗及分析數據，意在研究不同電勢分布情況下，排水總量，排水速率，平均有效電勢差，電滲運移量之間的關系，結論如下：(1)電滲時土體電勢分布不均勻,直接將通電的電勢梯度當做土體上實際的電勢梯度并不合適。(2)電滲時土體電勢分布情況影響土體平均有效電勢差,進而影響電滲排水效果。試驗結果表明:擴大陽極面積能夠顯著提高平均有效電勢差,從而提高電滲排水速率和排水量;擴大陰極面積對平均有效電勢差提高不明顯,電滲排水速率和排水量變化不大。(3)電滲運移量的分析結果均表明,在電滲過程中,改變陰陽極面積比和外加電壓對電滲運移量影響不大,增大實際作用在土上的平均有效電勢可以提高排水速率。(4)A組試驗、C組試驗的電滲排水速率和平均有效電勢差變化趨勢基本相同,電滲前期階段二者基本線性相關,平均有效電勢差可以用來估計電滲排水速率的大小。(5)擴大陽極面積能夠顯著減少陽極-土界面電阻占比,土體平均有效電勢差增加;擴大陰極面積能夠輕微減少陰極-土界面電阻占比,但陽極-土界面電阻占比反而升高,土體平均有效電勢差變化不大。這一點,在試驗中后期比較明顯。四、電勢梯度與電極間距變化的試驗與分析電滲的室內試驗到現場應用，所采用的電勢梯度范圍在0.11.0V/cm不等，

電滲處理能耗系數甚至能達到1-2個數量級的差別(Malekzadeh等，2016)，電滲能耗受到廣泛關注。近年來，國內外研究者從電滲處理的實際需要出發，不斷進行改善電滲效果的嘗試，主要從通電形式方面如問歇通電(龔曉南&焦丹，2011),電極反轉(陳卓等，2013)，電極布置形式方面(Alshawabkeh等，1999;Ta。等，2016)進行。

不同的通電形式和電極布置形式往往包含了電勢梯度、電極問距、土體橫截面、電場分布等多個變量，不同形式的處理結果自然存在差別但難以從機理上進行定性定量描述。對于工程應用，經常存在不同的電極間距設置，難以采用固定的電壓作為控制標準，電勢梯度和電極間距是電滲處理中的2種常見控制因素。

為了研究電勢梯度和電極間距對濱海軟土電滲效率的影響，本章節進行了等電勢梯度變電極間距兩類工況下的電滲模型試驗。試驗獲取電滲過程中的排水量、通電電流和能耗系數等試驗結果，進一步研究能耗系數與電勢梯度、電極間距的關系，希望能夠為電滲能耗控制以及電極布置形式優化設計提供參考依據。（一）試驗方案通過鄭凌逶試驗可知，試驗采用改進的MillerSoilBox作為模型試驗箱進行電滲試驗，模型試驗箱的截面尺寸均為130mmX120mm，設計了7組等電勢梯度變電極間距試驗(編號B1-B7)以及1組重力排水試驗(編號0)，具體參數見表4.1.1。模型試驗工況具體參數試驗編號電壓E(V)電極間距L(cm)電勢梯度i（V/cm）B13.6120.3B24.2140.3B34.8160.3B45.4180.3B56200.3B66.6220.3B77.2240.3試驗電源采用HSPY60-02直流電源，最高提供60V輸出電壓和2A輸出電

流。陰陽電極為不銹鋼板，尺寸為130mmX120mmX4mm。陰極板開孔并附以潤濕的尼龍紗網起濾土排水作用，試驗箱下方設置燒杯測量排水量。模型試驗箱設計見下圖。試驗前將原狀土烘干、粉碎并加水攪拌調制成初始含水率為80.4%的重塑土，將重塑土分層填入模型試驗箱，高度120MM.填裝完畢后用保鮮膜封閉以減少水分蒸發，通電前試驗土樣保持靜置1211，使其在重力作用下密實并與電極板接觸良好。之后接通電源并記錄排水量、電流等數據，結束通電后分別在試驗箱陽極區域(A處)、中部區域((B處)和陰極區域(C處)取樣測試最終含水率。模型試驗箱設計（二）試驗結果水量是軟土電滲效果的直觀體現，也是電滲能耗計算的關鍵部分。將試驗

電勢梯度變電極間距(工況B)，繪出排水量隨時間變化曲線，如下圖所示。可以看到等電勢梯度變電極間距工況下，各組試驗土體最終含水率在陰極區域和陽極區域的差別不明顯。同時，長時間電滲處理后，陰極區域平均含水率高于陽極區域將近30%，仍然處于較高水平。（三）本章結論根據鄭凌逶通過過對濱海軟土進行電勢梯度與電極問距變化工況下的電滲排水模型試驗，并考慮起始電勢梯度進行能耗分析，我們可以得出以下結論:

(1)等電勢梯度變電極間距工況下，能耗系數隨電極間距的擴大而增大，兩者基本上呈線性關系。

(2)在電極設置方向為垂直、水流方向為水平的實際工程中，土體過水斷面

面積不影響電滲能耗系數;界面電阻不影響電滲能耗系數，等電勢梯度變電極間距工況下，起始電勢梯度不影響能耗系數的線性變化規律。建議在電滲處理工程中優先采用電滲能耗系數最低的經濟電勢梯度，同時盡可能縮短電極間距以降低能耗，推薦選用價廉的新型電動土工合成材料降低材料成本。 五、結論與展望 本文在前人研究的基礎上,對軟土電滲處理中電場因素的不同開展分析討論。通過有限元軟件Comsol得到了電場強度的差異分布,通過試驗研究電場強度分布差異對電滲后含水率分布不均的影響;本章對全文得到的主要結論進行了總結,并對今后可能開展的相關研究進行了展望。

（一）本文主要結論(1)使用有限元軟件Comsol分析了電滲時土體中的電勢與電場強度的分布情況,電極板附近電場強度、電勢數值較大,遠離極板處較小。當電極布置形式一定時,電場的分布形式也可以確定,且在整個電滲過程中電勢、電場強度分布形式不變,僅大小隨電滲發展改變。

(2)根據龐杰對不同的電極面積比得到的電勢分布情況,提出平均有效電勢差的概念的結果，結果表明:擴大陽極面積能夠顯著提高平均有效電勢差,從而提高電滲排水速率和排水量;擴大陰極面積對平均有效電勢差提高不明顯,電滲排水速率和排水量變化不大。(3)電滲排水速率和平均有效電勢差變化趨勢基本相同,電滲前期階段二者基本線性相關。增大實際作用在土上的平均有效電勢差可以提高電滲的排水效果。(4)電滲時電場強度分布的差異影響電滲后土體處理的效果,土體含水率下幅度與電場強度強弱分布接近。陽極區附近最終含水率分布不均勻現象明顯,電極板附近電場強度大的區域含水率下降的多,而兩側低場強區域含水率下降較少。實際工程中可調整電極布置形式使處理后的土體強度更均勻。（二）進一步研究的建議(1)本文針對電勢和電場強度的研究主要是關于現象的研究,試驗中模型尺寸較小,試驗時裂縫發展較大會影響受處理土體的整體性,使得排水速率和平均有效電勢差出現上下的波動。實際工程中電滲處理的面積較大,建議通過現場大面積試驗,或者采取一定的措施(如堆載等)減少尺寸效應的影響、使用大型試驗箱,獲得更好的變化規律,更貼近實際工程。(2)通過試驗總結歸納新關系加入理論解析與數值計算,如考慮起始電勢梯度、界面電阻等影響因素的電滲排水固結,以更為準確地計算電滲排水量、能耗以至強度發展規律。(4)由于試驗成本和實現難度等原因,已有的試驗研究成果大多數基于室內模型試驗,除了尺寸效應帶來的影響,仍然有很多影響因素如邊界條件、直流電源設備等實際問題可能使室內模型試驗與現場試驗產生巨大差別,包括很多室內試驗的研究成果都需要在現場試驗得到驗證。

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