电渗固结地基处理关键技术及其数值模拟研究

电渗固结地基处理关键技术及其数值模拟研究错误！未定义样式。PAGE2一、绪论（一）研究背景与意义我国滨海地区,特别是环渤海经济圈、东南沿海经济圈,分布着大量高含水率、高孔隙比、高压缩性、低抗剪强度的软弱土。滨海软土的特性不仅与其物质组成成分、颗粒粒径、微观特性等因素相关,也与形成环境如饱和缺氧条件等密切相关。人类居住和生产范围的不断扩大需要更多的土地资源,滨海地区软土处

理的重要性也日益凸显。对于高含水率软土地基,需要对其进行排水固结处理以提高抗剪强度,最终达到一定的承载能力供直接应用或后期二次处理。对于固结缓慢的细颗粒软黏土传统排水固结方法如堆载预压和真空预压的工期较长,研究人员和工程师不断尝试新技术的应用和推广。电渗法具有工期短、设备安装方便、不易造成地基失稳等优点,为高含水率、低渗透性的细颗粒软黏土的加固处理提供了一种较好的解决方案,但同时也存在电极腐蚀、能耗较高等问题。（二）软土电渗加固原理2.1软土电渗加固原理

电场作用下，带电粒子有向着相反符号电极运动的趋势。俄国科学家Reuss

于1807年发现电渗现象:多孔介质会吸附溶液中的正负离子，溶液相对带电并

朝一定方向运动。20世纪30年代，Casagrande等(1949,1983)将电渗应用于实际加固工程后，电渗法加固软土的室内试验、现场试验和工程实例才得到不断丰富和发展。电渗法对软土地基的加固作用主要包括(1)加速土体孔隙水的排出;

(2)阳极附近土颗粒的聚集加密作用;(3)胶体产物对孔隙的填充密实。

电渗排水对土体加固起到大部分作用。直流电场作用下，吸附阳离子的极性水分子形成水流并从阴极排出，完成从阳极到阴极的运动过程。一般在阴极处设置土工布或透水石起到滤土排水作用。Wan等((1976)、申春妮等(2009)认为土体含水率的减少使其抗剪强度和粘聚力提高，这是电渗处理后地基强度提升的主要原因，Micic等(2001),Glendinning等(2005),Fourie等(2007)研究均表明土体的不排水剪切强度与含水率常呈负指数关系。

除电渗引起的水流运动以外，带负电荷的土颗粒在电泳作用下向阳极方向运动，使阳极附近土体的密实度和强度提高。同时，电渗过程中阳极附近产生一系列化学反应。以铁电极为例，阳极生成的Fe3+向阴极移动与阴极生成的OH-作用形成Fe(OH)3胶体。刘飞禹等(2014)认为液体中形成的氢氧化铁水溶胶体积远超过其干物质形态，对阳极附近的土体孔隙有较好的填充加固作用，同时向阴极方向扩散。此外水的电解、产热、产气等因素对软土的电渗加固效果也有一定影响。因此，电渗是水力渗流、热力渗流、化学渗流、电力流(包括电流和电渗流)的多场耦合行为。为了定量描述电渗流速，有以下几种被广泛接受的基础理论:（1）Helmholtz-Smoluchowski(H-S)理论

它由Helmholtz(1879)提出，并由Smoluchowski(1914)改进，是最早提出而且当前应用最广泛的一种。H-S理论最初应用在描述充满液体的毛细管中，液体受电动力驱动的运动现象，如下图所示。电渗是在外加电场的作用下，液相流动而固相不动的现象。而流动电位是在外力作用下，液相和固相产生相对位移，由此而产生的电位叫流动电位。毛细管电渗模型机构是由两个相互平行的玻璃毛细管组成，上面的毛细管中有一气泡，用来观察液体的流动。测定的毛细管两端装上两个可逆电极，整个体系是密封的，通电时电极表面不能有气泡产生。在毛细管两端加上电场后，电场力与粘滞力达到平衡时，扩散层的离子迁移速率就达到稳定(Mitchell,1993)。毛细管圆柱体的半径为a，它比尸值大得多，在Ka值大于100时符合H-S模型的要求。

充满液体的毛细管可简化为平行板电容器，电荷位于板表面或附近，反向电集中在离板较短距离的液体中，从而通过形成的栓塞流(PlugFlow)拖拽水

分通过毛细管，如下图所示。H-S模型示意图基于H-S理论的基本概念可认为电渗透系数、电渗排水速率与土体孔隙大小无关。一般来说，大部分粘土在微结构上是簇结构或团聚体结构，大孔隙比簇内孔隙更多，H-S理论(大孔隙模型)适用于解释土体的电渗现象，是应用最广泛的一种理论模型。（2）SpieglerFriction理论

Spiegler(1958)提出的概念与上面两种理论的出发点完全不同，考虑了水分和离子运移相互作用以及孔隙壁的阻滞作用，试图从电渗墓本机理上提升电渗效率。假定包括:(1)介质为理想选择性渗透膜，仅允许单一符号离子存在;<2)孔隙液中的离子完全解离。细颗粒多孔材料包括吸收离子和自由离子的电渗水分运移方程如下（1.1）式中，为真电渗水流(mol/F);W为测量电渗水流(mol/F);H为离子水化引起的水流;C3为材料中自由水的浓度;C1为材料中移动平衡离子的浓度;X34为水和壁面之间的摩阻系数;X13为阳离子和水之问的摩阻系数。Cl和C3的浓度是理论值，由于一些离子的不可移动性通常小于实测值;X13和x34的取值由扩散系数、电导率、迁移数和水分运移决定。因此方程实际上是一个预测性的方程，它的意义在于为复杂过程提供一个相对简化的物理表达。方程还可以写为 （1.2）高含水率和大孔隙情况下，水和壁面之间的摩阻系数X34可忽略，X34/X13→0从而有 (1.3)这一关系表明:高含水率和大孔隙情况下，水离子比越高、电渗流速越高;低含水率和小孔隙情况下，水和壁面之间的摩阻系数X3;不能忽略，因此降低了电渗流速。Cl值越高、每单位离子对应的水分越少，每法拉第电流通量下的流

速越低;X13值越高、离子对水分的拖拽力越强，流速越高。二、电渗试验研究方面（一）软土电渗的研究现状1809年，俄国科学家Reuss水-石英粉混合物的两端施加电压后发现，阴极端的水位出现上升，阳极端的水位出现下降现象。该现象说明水土混合物中的水从阳极相阴极发生了流动，停止施加电压后，水流就停止了，这是土中的电渗现象首次被学者观察到，随后，研究人员对电渗现象做了一系列研究。1939年，Casagrand将电渗法用于德国某铁路挖方边坡工程，这是电渗法在历史上的首次工程运用。在这之后，电渗被越来越多的工程师投入实际的工程。在提高地基承载力[1-2]、提高堤坝稳定性[3-4]、提高桩的承载力[5-6]、电渗法注浆[7]、提高影土在周期荷载作用下的抵抗力[8]、环境土工等方面的工程都可以见到电渗的实际案例，电渗法还被提名为比萨斜塔的一种纠偏方案[9]。国内的学者已经对电渗做了大量的研究。曾国熙和高有潮开[10]展原状砧土的室内试验研究，初步研究完成的报告对处理后土体性质改变、强度的提升、pH值的影响、电势梯度、电极材料的影响等做了详细的记录。改革开放之后，电渗法拓展到多个领域，国内开始将电渗用于基坑的降水[11-12]、矿山充填料脱水[13-14]铁路路基的整治[15-16]、软弱地基的加固[17-18]、碱渣土的排水[19]、公路填料的处理[20-21]等。近年国内对电渗的关注方面有电渗联合其他工法加固，和新型电极材料开发，如电动土工合成材料EKG。本节主要从电渗的试验研究、理论研究以及两个方面介绍电渗法加固软土研究现状。（二）电渗处理与其他方式地基处理进行联合的方法电渗法对地基加固的有效性得到广泛验证，但在实际应用中也存在阳极腐蚀和脱开、界面电阻导致的电压损失、土体收缩和电极因素导致的不均匀变形和开裂等现象。研究者转而通过创新工艺设计和引入新方法，以提高电渗加固软土的效果。考虑电渗法的单独提升空间相对有限，因此常联合其他地基处理方法以提高电渗加固效果、降低综合成本，例如与真空预压、低能量强夯、气压劈裂等工法联合处理软土地基。1.电渗处理与真空预压法地基处理进行联合目前我们针对真空与电渗联合法，海内外研究者展开了一定的分析，对软黏土采取的方法是进行了真空电渗室内实验，一般分析其平面二维模型并推论理论解。真空预压和电渗固结联合进行地基处理时，阴极和阳极成梅花形或正方形布置，阴极作为排水通道，阳极分布于四周，可以精简为轴对称情况展开深入研究工作。 当电渗固结与真空预压联合进行对软弱土地基处理时，需在处理的土体表面铺设一层砂垫层，并与地基中排水井连接起来，砂垫层表面铺设真空密封膜。同时，在模型排水井周围布置阴极，用土工布将电极与土柱隔开，周围布置阳极。在砂垫层中连接真空泵抽真空，同时施加电场进行软基排水固结处理。真空－电渗排水固结问题可以简化为轴对称模型，如图2所示。该模型中，上部和中间排水井为真空边界，周围阳极为不透水边界。图2真空-电渗轴对称图形2.电渗联合化学方法进行地基处理电渗作为一种电化学现象，在联合使用化学方法方面的研究不少。通常可以通过加入各类外加剂来提高地基土体的电渗效果，例如可以通过加入石灰改变土质进行电渗，通过对土体土质的改良作用，使得其最终强度得到一定的提高；还可以采用向土体内中注入多种盐溶液改进土体性质。例如向其中加入磷酸铝溶液，其中含有的铝离子和磷酸根离子改变了孔隙水的特性，在离子交换和沉淀机制上起作用，增加了抗剪强度；还可以在其中加入CaCl2溶液，加入CaCl2溶液后不排水抗剪强度有一定提高，处理时间也缩短，相比未加入情况电渗效果显著提升；进一步研究表明土中加入CaCl2溶液后，电渗透系数会有较大幅度的提高，这是是电渗效果提升的根本原因，并且有研究发现CaCl2溶液的注入导致阴极附近形成黏合区，黏合区成块且强度高于其他区域。注入不同类型的化学溶液对电渗的作用因采用化学溶液种类、浓度以及适用土体不同而不同，因此关于化学外加剂的研究具有相当的针对性。除无机溶液以外，有机添加物在电渗处理软土中的研究也有报道。常见表层活性剂或者各种类型的有机化合物作为添加物，其主要作用机制也根据使用的外加剂不同而各异。目前关于电渗联合化学方法加固地基的研究还大多处于先实验，后分析的阶段，其并为构成一些具有理论指导性的理论体系，对于普适性的工程设计和计算应用需求难以满足，因此目前该方法的运用多为实践指导，还需进一步的研究。（三）本文主要研究内容目前已经有学者做了关于电渗做了一系列试验和理论的研究，主要着重于电极材料，电渗工法等，电渗中关于电场因素的研究还比较少。电场中的因素有很多，常见的有电势，电场强度，电流密度等。电场因素中的电势分布改变会影响电势梯度的大小，而电势梯度的改变会引起排水速率的变化，从而影响排水量;电场强度会影响土体中各点的流速大小，进而引起电渗后土体含水率分布的不均匀。因此本文着重研究电势梯度、电场强度和电极布置对电渗效果的影响。

本文是在庞杰建立数值模型对电渗中土体的电势和电场强度进行的研究，根据分析结果进行了关于电势分布对电渗影响的模型试验，分析电势分布变化对电渗排水的影响;在试验的基础上进一步分析了同性电极间距变化对平均有效电势的影响。分析了主要分以下几个方面:

（1）分析土体中电势，得到电渗处理时电势的分布情况。之后改变电极的面积比，根据不同的电势分布情况设计模型试验，分析电极面积比改变情况下排水总量的差异;提出平均有效电势差的概念，分析平均有效、电势差和电渗排水速率的关系。还分析了阴阳极面积变化时的排水量，能耗系数，电渗运移量，界面电势损失等因素。

（2）分析土体中电场强度分布形式，得到电渗处理时电场强度的分布情况。根据分析结果，设计模型试验，分析电场强度分布不均匀

对电渗后土体最终含水率差异的影响。（3）根据电学中麦克斯韦方程组简化得到高斯定理，推导出土体中的电势分布的拉普拉斯方程。首先分析了管状电极布置形式不同时的电势分布情况。之后改变管状电极的间距，分析了电极间距改变对电势分布的影响，为电极布置提供。三、电势强度对电渗效果的影响电渗法是将插入土体中的电极，通过电极在土体施加电场，土体中的水通过电场的作用会从阳极流向阴极。所以首先是要明白土体中电场的分部状况。本章是通过麦克斯韦方程式，罗列出电渗作用期间电场的分部方程，分析出电压与电极面积比情况下电势的变化情况，在通过试验分析，得出电势变化对电渗排水效果的影响。最终得出最优结论，服务于实际工程。（一）土体电势分析麦克思维方程组微分形式 ×E= （3.1） ×H=J+ （3.2） ×D=𝛒 （3.3） ×B=0 （3.4）分析式中H为磁场强度，B为磁感应强度，E为电场强度，D为电位移通量，J为电流密度，ρ为电荷密度。电磁场中各矢量关系式： （3.5）（3.6）（3.7）分析式中为电介质介电常数，为磁介质磁导率，为电导率。一般在电渗地基处理时采用恒压直流电，土体中的电场按静电场考虑，于是电渗时土体中的电势分布便可由电介质中高斯定理计算得出。高斯定理的微分形式（3.8）分析式中:为电场强度，为介质内自由电荷密度，为介质内体电荷密度，为介质相对介电常数。假定土中没有自由电荷和体电荷，土体呈电中性，==0，电场强度和电势关系如下:（3.9） 结合式（3.9）和式（3.10），导出土体平面的电势分布方程：（3.10）计算电场中电势、电场强度分布时，首先以静电场电位函数为待求场函数构造泛定方程，然后给出具体物理问题的定解条件，即边界条件，带入方程后求解。由于电渗时电极板均匀带电，整块电极板电势相同且深度方向电势不变，因此取平面的电势分布分析。首先分析电极板满堂布置的情况，模型为正方形尺寸为1000mmX1000mm，边界条件为:阳极(=100V，阴=0V，电势梯度为常见的1V/cm。在这种情况下，拉普拉斯方程变为:（3.11）可知方程3.11的解析式为：（3.12）带入边界条件后，变为：（3.13）从拉普拉斯方程解看出电势由阴极向阳极线性升高，comsol模拟的结果的电势分布也是线性升高。图3.1平行板电势分布从本节可以看出目的是了解电极面积比确定时各点电势大小和电势的分布变化情况，因此只取阴阳极面积比取1:1这一种方式分析。模型为正方形尺寸为100cmX100cm，边界条件为:阳极=100V，阴极=0V，电极板位于各边正中，宽度为边长的1/5。在这种情况下宏观电势梯度为常见的1V/cm。施加位置和网格划分情况如下图所示。图3.2电势模型分析（二）最终计算结果由Comsol计算得到土体的电势分布情况如下所示:图3.3电势分布情况从电势分布图中可以看出，阳极附近电势偏高，阴极附近电势偏低，电极板处电势与远离电极板区域的电势有一定的差别。而且除了阴极板电势为0处，其余各点都有电势且都大于零，所以土体中每个点和阴极的连线都有一的电势梯度。

由于界面电阻的存在实际施加在土体上的电势会略小于外加电压，同时，随着电渗排水的进行，界面电阻会逐渐变大，作用在土体上的有效电势也会逐渐变化这种情况相当于阳极边界处的有效电势衰减。由于模型计算时阳极输入的电势即为有效电势，通过阳极处有效电势不断变小的形式来体现界面电阻的变化情况。假设阴极处保持接地，电势为0不变，阳极处电势分别取100V,75V,SOV,25V,模型大小和单元划分方式不变。可由软件计算得到电势变化时土体的电势分布情况。图3.3为有效电势不同电势分布云图(图中单位为V):（a）=100V （b）=75V（c）=50V （d）=25V图3.4考虑界面电阻后的电势云图从图3.4中可以看出当阳极处有效电势发生变化时，不同位置(阴极接地处除外)在不同时刻电势的数值大小不同。虽然不同时刻各点电势数值大小发生变化，但具体电势分布情况不变，每个时刻的电势大小相当于初始时刻的电势乘以一定的比例系数。因此，在电渗过程中，一旦电极面积比确定，土体中的电势分布情况也可以得到确定。

图3.5为电极面积比改变时电势的分布情况，从图中可以看出，不同面积比情况下电势的分布不同，电极面积比改变会来改变电渗过程中电势的分布情况。

（a）SA:SC=1 （b）SA:SC=3（c）SA:SC=5 （d）SA:SC=1/3（f）SA:SC=1/5图3.5试验工况下电势分布形式基于上述的分析结果,便可以试验分析电势分布对电渗效果的影响。电势的分布情况在电渗中起重要作用,不同的电极面积比会改变土体中电势分布（）进而影响电势梯度，从而对电渗排水量及处理后的土体强度产生影响。电渗时土体中电势和电场强度的分部可由搞死定理计算得出。Casagrande根据Helmholtz-Smoluchowski模型导出电渗排水速率与电势梯度关系： （3.14）公式中：为电渗系数，为土体截面积，/为电势梯度。Helmholtz-Smoluchowski模型表明电极间距不变的情况下电势差(DU)和排水速率(q)存在线性关系，可以通过电势差的变化来分析排水量的变化。本章根据高斯定理和Helmholtz-Smoluchowski模型设计了相应的电渗试验，改变阴阳极面积比以分析在电渗过程中电势变化对电渗结果的影响，为提高电渗效率提供参考。（三）庞杰的试验装置与方案1.试验装置试验槽分为土样室和排水室两部分。土样和电极位于土样室，试验过程中土样室排出的水分透过阴极板进入排水室下方集水槽。土样室长，宽，高分别为200mm,200mm,150mm。电势测针长150mm，直径为lmm。试验槽下方的集水槽内部长，宽，高分别为170mm,40mm,5Omm，板厚5mm。（a）装置俯视图 （b）装置侧视图根据电势分布的计算结果,电势的分布仅和电极板的位置有关,电极材料仅通过界靣电阻影响有效电势大小,不影响电势分布情况,因此电极材料取导电性较好的304不锈钢钢板。试验的阳极板高度均为170mm,宽度分为三种,分别为40mm、120mm、200mm,厚度均为5mm。（a）阳极板简图阴极板高度也均为170mm，宽度同样分为三种，分别为40mm,120mm,200mm,厚度均为5mm，材料为304不锈钢板。阴极板上均匀布置直径为5mm的圆孔，使阴极的水分顺利排出。当阴极板宽度不足200mm时，不足空间用相同厚度的亚克力板填充。（a）阴极板简图阴极与土样接触面包裹120目纱布，起滤土排水作用，并在试验前用水润湿，减少初始阶段误差。试验电源为HSPY60-02直流电源，可提供最高60V输出电压和2A的输出电流，电势差使用VictorVC890D型万用表测试。2、试验土样试验选用的土样从浙江宁波某基坑挖取,土样各种物理指标见表3.1。由于在正式试验前预实验表明试验合适的含水率为73%左右,原装土烘干后配置为目标含水率左右的重塑土以供实验。表3.1原状土的物理性质重度（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、电势变化试验方案电极面积比的变化会影响土体电势的变化情况,试验时通过改变阳/阴极面积比(SA:SC)的数值,来改变电势的分布,以研究不同的电势分布改变对排水速率、排水量等因素的影响。采用恒定电压20V,在保持阴极面积不变(极板宽度40mm)的情况下,扩大阳极面积,研究阳/阴面积比(SA:SC)分别为1,3,5的情况下排水速率、排水量与有效电势的变化情况,按面积比分别记为Al,A3,A5;由于试验时阳极板土体会因排水会发生开裂,为减小裂缝影响,获得更好的试验效果,C组试验电压取15V。在保持阳极面积不变(极板宽度40mm)的情况下,扩大阴极面积,研究阳/阴面积比(SA:SC)分别为1,1/3,1/5的情况下排水速率、排水量与有效电势的变化情况,按面积比分别记为Cl,C3,C5。排水速率的测试通过每个时间测试点集水槽的质量差来获得。试验条件汇总于表3.2。表3.2试验条件汇总试验编号试验时间/h阳/阴面积比（SA:SC）电源电压U/N初始含水率w/%AA13012072.9A33032073.1A53052073.4CC13011572.9C2301/31573.1C5301/51573.4试验箱中填土体积为200mmX200mmX70mm。在试验槽内壁使用刷子涂抹凡士林,减小试验过程中内壁对土体的摩阻力,之后填装土样;试验槽中布设按照试验要求加工的阳极板和阴极板;将土样搅拌均匀后,在试验槽中分层密实填入土样,使土样与电极接触紧密;试验槽中取土样测量土样含水率后,在试验槽上方盖一块亚克力盖板,减少土与外部流通空气的接触,以减小试验过程中土样水分蒸发损失;在安放好电势测针、连通电源导线、各种设备准备好后土样静置20h,再通电进行电渗试验。六组试验时间均为30h,在进行的过程中前16h分别间隔lh记录一次数据,后14h间隔2h记录一次数据,记录的量分别为电流、排水速率、30测点间电势差和测点与电极间的界面电势差。试验系统如下图布置:由于电极面积比变化会引起电势分布形式发生改变,根据电势的分析结果,同时考虑试验时土体和电极板的尺寸,按图3.6设置10个电势测量点,取A-a,B-b,C-c,D-d,E-e间电势差的平均值,记为平均有效电势差(),分析其与排水量、排水速率的关系。图3.6电势测点分布（单位：mm）（四）试验结果分析1、根据庞杰的试验对排水量分析A、C组试验的排水量曲线如下图所示。图3.7A组试验累计排水量曲线从图3.7中可以看出A组试验结束时的排水总量:A1为405.2g,A3为503.9g,A5为582.5g,A1<A3<A5。三者排水总量随阳极面积增大而增大。A5,A3相对于A1排水量分别提高了43.75%,24.35%。以上结果表明,在阴极排水通道不变的情况下,扩大阳极的面积对排水量提高比较明显。 图3.8C组试验累计排水量曲线从图3.8中看出,C组试验排水总量:Cl为347.2g,C3为340.9g,C5为339.8g,三组试验的排水量差距不大。试验结束时的排水总量C5,C3相对Cl减小2%。以上结果表明,在阳极面积不变的情况下,扩大阴极面积对排水量的提高作用不大。 2、根据庞杰的试验对排水速率分析A、C组试验的排水速率曲线如下图所示。图3.9A组试验排水速率曲线A组试验曲线见图3.9,A1、A3、A5的电渗排水速率差别明显,前期电滲排水速率A5>A3>A1,但随着时间的推移,三者电渗排水速率趋同。前期(0-9h)排水速率总体呈大幅快速下降趋势;中期(9-15h)排水速率下降趋缓;后期(15-30h)排水速率曲线出现交叉,三者排水速率逐渐接近。以上结果表明,在阴极面积不变的情况下,阳极面积越大,排水速率也较大。浙江大学远程教育学院本科毕业论文(设计) PAGE32PAGE6图3.10C组试验排水速率曲线C组试验曲线见图3.16,试验过程中排水速率Cl、C3、C5差别也不明显,并呈一致的变化规律。前期(0-4h)电渗排水速率快速下降;中期(4-15h)排水速率下降趋缓,后期(15-30h)排水速率出现交叉。以上结果表明,在阳极面积不变的情况下,扩大阴极面积对排水速率的影响也不大。3、根据庞杰的试验对排水量对平均有效电势差分析A、C组试验的平均有效电势差曲线如下图所示。图3.11A组试验平均有效电势差曲线A组试验曲线见图3.11,前期(0-9h)变化幅度大,总体呈下降趋势在这一段

里总的变化趋势与排水速率的变化趋势一致,大小关系也一致。由于前期排水导致土体电阻增加,中期(9h-15h)阳极附近土体开始产生一些裂缝,平均有效电势差发生波动,排水速率及平均电势二者变化幅度的联系已经不大,但排水速率的大小依旧与平均有效电势差的大小关系保持一致。电渗处理至后期(15h-30h)阶段,土体出现了变形开裂、电阻增加,平均有效电势差波动、有上升现象,在排水的图上排水速率三者也开始出现交叉的现象,试验最后阶段,三者大小也得接近,在一个区间内波动。此时平均电势已经无法估计流速的大小。总体而言在阴极面积不变的情况下,阳极面积越大,平均有效电势差越大。图3.12C组试验平均有效电势差曲线C组试验曲线见图3.12,前期(0-4h)快速下降;中期(4-15h)小幅度变化,并进入近似平台区;后期(15-30h)土体出现变形开裂、电阻增加,平均有效电势差有少许波动。以上结果表明,在阳极面积不变的情况下,扩大阴极面积对平均有效电势差的影响不大。在整个电渗过程中,平均电势与流速的变化规律比较一致。平均电势开始(0-4h)变化幅度大,稳定后(4h-15h)变化幅度小,15h后由于土体排水电阻上升,土体变形开裂,平均电势有一些波动,这与排水速率的变化趋势也相同。由于土-电极板界面处存在界面电势差,有效电势会小于外加电势,而且极板处有效电势会随着试验的进行下降,试验过程中整块土体电势会随时间变化。分析电势变化时,我们假定电极与土接触的位置在试验过程中不发生改变,试验过程中实际施加在阳极板上的有效电势-时间变化按照龚明星试验所得规律:（3.15）式中：为初始时刻阳极处的有效电势，m为电势衰减系数，为稳定后的电势，为电势停止衰减的时刻。根据实测值可拟合得到对应公式(3.12)的4个参数,拟合参数见下表3.3,拟合曲线建图3.13（a），（b）（a）A组试验（b）C组试验图3.13实验值-模拟值拟合随着电渗的进行,电极板-土接触面处的自由水和弱结合水被大量排出,相应的土与电极的接触面积与接触情况隨着电渗进行逐渐稳定,界面电阻也逐渐稳定,直至不再变化,最终有效电势最终也趋于稳定值。试验中后期A组试验平均有效电势差差别明显,而C组试验差别不大。取该阶段分析,表3.4是试验后期水平段界面电阻对平均有效电势的影响,从表上看,扩大阳极面积能够显著减少阳极-土界面电阻占比,土体平均有效电势差增加;扩大阴极面积轻微减少了阴极-土界面电阻占比,阳极-土界面电阻占比反而相对升高。阴阳极截面电阻占比及团体平均有效电势差试验编号阳极截面电阻占比%阴极截面电阻占比%平均有效电势差A14964.63A33667.21A52758.94C13983.99C35073.89C55753.814、电渗运移量分析电滲运移量的定义为单位电荷移动时传递的水的体积,计算方法为水速率除以电流,这个指标也可以反映电荷的迁移能力。其计算公式为: 公式中,W为电渗运移量（kg/（h·A））,qe为排水速率，I为电流。A组试验、C组试验不同时刻的电渗运移量如下图3.20所示： （b）C组试验图3.14A、C组试验电渗运移量图3.14分别给出了A组试验和C组试验排水速率与电流的散点图,其中各点纵横坐标的比值即为电渗运移量,图中也给出了拟合直线,试验A的拟合关系为分q=106.14I(R2=0.95),试验C的拟合关系为q=106.48I(R2=0.90)。两组试验的电渗运移量在试验前期中期的差别也不是很大。本试验中,不同试验组的电渗运移量的分析结果均表明,在电渗过程中,改变电极面积比和外加电压对电荷水分的迁移能力变化不大,具体表现为电渗运移量十分接近。在试验前期和中期电渗运移量变化不大,土体电阻也增加的不多,将式(3.16)变化到式(3.17),可知同一种土体上有效电势差越大,排水效果越好,若带入平均有效电势差分析,也可以得到相同的结论。A、C组试验中排水速率的排序也和平均有效电势差的排序相同。（3.17）（5）电渗排水速率与平均有效电势差的关系A组试验和C组试验的结果表明电渗排水速率与平均有效电势差变化趋势基本相同,试验前期阶段电渗排水速率和平均有效电势差都大幅下降;中期阶段平均有效电势差下降变缓,同时电渗排水速率下降亦变缓;后期平均有效电势差波动,电渗排水速率曲线出现轻微交叉。Helmholtz-Smoluchowski模型表明,在土体特性和模型尺寸不变的情况下,电渗排水速率和外加有效电势差At/为线性关系。对于实际工况,则需考虑平均有效电势差At/A进行分析。取A1、A3、A5、C排水通道(阴极)面积相同的四组试验数据进行分析。因为试验后期排水速率出现交叉,参考价值不大,取试验前半阶段进行统计。通过5处测针记录试验电势,获得各组试验的平均有效电势差随时间变化数据,结合电渗排水速率数据,可得到电渗排水速率和平均有效电势差的关系,如图3.15所示。

（a）前15小时图3.15平均有效电势差-排水速率关系前9小时可拟合为q=3.06(R2=0.944),前15小时可拟合为q=2.86(R2=0.842),前9小时的数据相关性优于前15小时的相关性。但总的来说电渗排水速率和平均有效电势差基本呈线性关系。（6）电渗能耗分析能耗系数的公式为:(3.18)式中：U为外加电压，I为电流，Q为一个时间段的排水量，V为填土体积。由于试验时的填土体积保持不变，工时制的填土体积V保持很定，公式可简化为：（3.19）图3.16A组试验能耗系数曲线A组试验的能耗曲线如图3.16所示。从图上看,能耗系数的变化可以分为两个阶段,前15个小时为第一阶段,后15小时曲线变化大,为第二阶段。在第一阶段里,A5,A3,A1能耗系数差别小,但A5,A3相对于A1较大;后15小时A3、A5的能耗系数明显有上升趋势,A1略微上升,三者差别变大。总的来说前期三者能耗系数差别不大,主要落在0.15-0.21的区间。扩大阳极面积,对前期能耗系数的影响比较小,后期时能耗系数随阳极面积扩大而增大。图3.17C组试验能耗系数曲线C组试验的能耗曲线如图3.17所示。从图上看,三组试验能耗系数的变化趋势相同,数值大小也在一个范围内波动。该系列试验中,三组的能耗系数在开始阶段有下降的趋势,随着试验进行,后期的能耗系数会有增大,整个电渗过程中能耗系数大多落在0.12-0.165的区间内。同样的,能耗系数的变化也可以以15小时为界分为高个阶段,前期能耗曲线波动也在一个范围内,主要落在0.12-0.155的区间,对比能耗曲线,可以发现扩大阴极面积,对能耗系数的影响比较小。

（五）本章小结根据庞杰的试验及分析数据，意在研究不同电势分布情况下，排水总量，排水速率，平均有效电势差，电渗运移量之间的关系，结论如下：(1)电渗时土体电势分布不均匀,直接将通电的电势梯度当做土体上实际的电势梯度并不合适。(2)电滲时土体电势分布情况影响土体平均有效电势差,进而影响电渗排水效果。试验结果表明:扩大阳极面积能够显著提高平均有效电势差,从而提高电渗排水速率和排水量;扩大阴极面积对平均有效电势差提高不明显,电渗排水速率和排水量变化不大。(3)电渗运移量的分析结果均表明,在电渗过程中,改变阴阳极面积比和外加电压对电渗运移量影响不大,增大实际作用在土上的平均有效电势可以提高排水速率。(4)A组试验、C组试验的电渗排水速率和平均有效电势差变化趋势基本相同,电渗前期阶段二者基本线性相关,平均有效电势差可以用来估计电滲排水速率的大小。(5)扩大阳极面积能够显著减少阳极-土界面电阻占比,土体平均有效电势差增加;扩大阴极面积能够轻微减少阴极-土界面电阻占比,但阳极-土界面电阻占比反而升高,土体平均有效电势差变化不大。这一点,在试验中后期比较明显。四、电势梯度与电极间距变化的试验与分析电渗的室内试验到现场应用，所采用的电势梯度范围在0.11.0V/cm不等，

电渗处理能耗系数甚至能达到1-2个数量级的差别(Malekzadeh等，2016)，电渗能耗受到广泛关注。近年来，国内外研究者从电渗处理的实际需要出发，不断进行改善电渗效果的尝试，主要从通电形式方面如问歇通电(龚晓南&焦丹，2011),电极反转(陈卓等，2013)，电极布置形式方面(Alshawabkeh等，1999;Ta。等，2016)进行。

不同的通电形式和电极布置形式往往包含了电势梯度、电极问距、土体横截面、电场分布等多个变量，不同形式的处理结果自然存在差别但难以从机理上进行定性定量描述。对于工程应用，经常存在不同的电极间距设置，难以采用固定的电压作为控制标准，电势梯度和电极间距是电渗处理中的2种常见控制因素。

为了研究电势梯度和电极间距对滨海软土电渗效率的影响，本章节进行了等电势梯度变电极间距两类工况下的电渗模型试验。试验获取电渗过程中的排水量、通电电流和能耗系数等试验结果，进一步研究能耗系数与电势梯度、电极间距的关系，希望能够为电渗能耗控制以及电极布置形式优化设计提供参考依据。（一）试验方案通过郑凌逶试验可知，试验采用改进的MillerSoilBox作为模型试验箱进行电渗试验，模型试验箱的截面尺寸均为130mmX120mm，设计了7组等电势梯度变电极间距试验(编号B1-B7)以及1组重力排水试验(编号0)，具体参数见表4.1.1。模型试验工况具体参数试验编号电压E(V)电极间距L(cm)电势梯度i（V/cm）B13.6120.3B24.2140.3B34.8160.3B45.4180.3B56200.3B66.6220.3B77.2240.3试验电源采用HSPY60-02直流电源，最高提供60V输出电压和2A输出电

流。阴阳电极为不锈钢板，尺寸为130mmX120mmX4mm。阴极板开孔并附以润湿的尼龙纱网起滤土排水作用，试验箱下方设置烧杯测量排水量。模型试验箱设计见下图。试验前将原状土烘干、粉碎并加水搅拌调制成初始含水率为80.4%的重塑土，将重塑土分层填入模型试验箱，高度120MM.填装完毕后用保鲜膜封闭以减少水分蒸发，通电前试验土样保持静置1211，使其在重力作用下密实并与电极板接触良好。之后接通电源并记录排水量、电流等数据，结束通电后分别在试验箱阳极区域(A处)、中部区域((B处)和阴极区域(C处)取样测试最终含水率。模型试验箱设计（二）试验结果水量是软土电渗效果的直观体现，也是电渗能耗计算的关键部分。将试验

电势梯度变电极间距(工况B)，绘出排水量随时间变化曲线，如下图所示。可以看到等电势梯度变电极间距工况下，各组试验土体最终含水率在阴极区域和阳极区域的差别不明显。同时，长时间电渗处理后，阴极区域平均含水率高于阳极区域将近30%，仍然处于较高水平。（三）本章结论根据郑凌逶通过过对滨海软土进行电势梯度与电极问距变化工况下的电渗排水模型试验，并考虑起始电势梯度进行能耗分析，我们可以得出以下结论:

(1)等电势梯度变电极间距工况下，能耗系数随电极间距的扩大而增大，两者基本上呈线性关系。

(2)在电极设置方向为垂直、水流方向为水平的实际工程中，土体过水断面

面积不影响电渗能耗系数;界面电阻不影响电渗能耗系数，等电势梯度变电极间距工况下，起始电势梯度不影响能耗系数的线性变化规律。建议在电渗处理工程中优先采用电渗能耗系数最低的经济电势梯度，同时尽可能缩短电极间距以降低能耗，推荐选用价廉的新型电动土工合成材料降低材料成本。 五、结论与展望 本文在前人研究的基础上,对软土电渗处理中电场因素的不同开展分析讨论。通过有限元软件Comsol得到了电场强度的差异分布,通过试验研究电场强度分布差异对电渗后含水率分布不均的影响;本章对全文得到的主要结论进行了总结,并对今后可能开展的相关研究进行了展望。

（一）本文主要结论(1)使用有限元软件Comsol分析了电渗时土体中的电势与电场强度的分布情况,电极板附近电场强度、电势数值较大,远离极板处较小。当电极布置形式一定时,电场的分布形式也可以确定,且在整个电渗过程中电势、电场强度分布形式不变,仅大小随电渗发展改变。

(2)根据庞杰对不同的电极面积比得到的电势分布情况,提出平均有效电势差的概念的结果，结果表明:扩大阳极面积能够显著提高平均有效电势差,从而提高电渗排水速率和排水量;扩大阴极面积对平均有效电势差提高不明显,电渗排水速率和排水量变化不大。(3)电渗排水速率和平均有效电势差变化趋势基本相同,电渗前期阶段二者基本线性相关。增大实际作用在土上的平均有效电势差可以提高电渗的排水效果。(4)电渗时电场强度分布的差异影响电渗后土体处理的效果,土体含水率下幅度与电场强度强弱分布接近。阳极区附近最终含水率分布不均匀现象明显,电极板附近电场强度大的区域含水率下降的多,而两侧低场强区域含水率下降较少。实际工程中可调整电极布置形式使处理后的土体强度更均匀。（二）进一步研究的建议(1)本文针对电势和电场强度的研究主要是关于现象的研究,试验中模型尺寸较小,试验时裂缝发展较大会影响受处理土体的整体性,使得排水速率和平均有效电势差出现上下的波动。实际工程中电渗处理的面积较大,建议通过现场大面积试验,或者采取一定的措施(如堆载等)减少尺寸效应的影响、使用大型试验箱,获得更好的变化规律,更贴近实际工程。(2)通过试验总结归纳新关系加入理论解析与数值计算,如考虑起始电势梯度、界面电阻等影响因素的电渗排水固结,以更为准确地计算电渗排水量、能耗以至强度发展规律。(4)由于试验成本和实现难度等原因,已有的试验研究成果大多数基于室内模型试验,除了尺寸效应带来的影响,仍然有很多影响因素如边界条件、直流电源设备等实际问题可能使室内模型试验与现场试验产生巨大差别,包括很多室内试验的研究成果都需要在现场试验得到验证。

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