不同電極電滲過程比較及基于電導(dǎo)率電滲排水量計算方法.pdf

1、我國廣泛分布有天然軟土地基，近年來蓬勃發(fā)展的疏浚工程和吹填工程產(chǎn)生了大量疏浚土和吹填土，這些軟土往往含水量高、壓縮性大、滲透性低，對其合理加固處理是相應(yīng)工程成功的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的基于重力式固結(jié)的地基處理方法往往難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。電滲法因其排水速率與土顆粒大小無關(guān)，被認(rèn)為是處理高含水量、低滲透性軟土地基很有發(fā)展前途的方法，受到廣泛關(guān)注和研究，但能耗較大、合理設(shè)計計算方法的欠缺一直制約著電滲法的推廣應(yīng)用。本文從改善電滲效果、提高電滲效率出發(fā)，基

2、于已有文獻(xiàn)對于常見電極材料（鐵、銅、石墨和鋁）電滲效果報道的分歧，從電滲效果和離子遷移兩個方面系統(tǒng)地對比了四種電極材料的電滲過程，揭示了電極材料影響電滲過程的本質(zhì)以及電滲中離子的運(yùn)移規(guī)律;基于已有研究在電滲設(shè)計計算方面的欠缺，首次系統(tǒng)地研究了電滲排水速率與電流以及土壤電導(dǎo)率與含水量的關(guān)系，提出了基于電導(dǎo)率的電滲排水量計算方法。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴分別采用鐵和銅電極開展室內(nèi)試驗，比較了陽極和陰極材料影響電滲效果的程度，發(fā)現(xiàn)對

3、電滲效果起主導(dǎo)作用的是陽極材料，陰極材料對電滲效果影響不大。
　?、圃谌N不同的電勢梯度下分別采用鐵、銅、石墨和鋁電極開展電滲試驗，分析了常規(guī)電極材料的電滲表現(xiàn)和電極材料的作用機(jī)制，得到:較高電勢梯度下石墨電極表現(xiàn)較好，而較低電勢梯度下石墨電極表現(xiàn)不如鐵或銅電極，銅電極存在陽極鈍化現(xiàn)象，而石墨電極易于分解;Fe2+/Fe3+和Cu2+遷移能力較差，陽極反應(yīng)生成的Fe2+/Fe3+和Cu2+大多數(shù)聚集在陽極附近，少部分遷移到陰極的離

4、子在堿性環(huán)境下生成沉淀;Al3+遷移能力較強(qiáng)，陽極反應(yīng)生成的Al3+在電場作用下大多運(yùn)移到陰極隨水排出，少量Al3+因陰極堿性環(huán)境產(chǎn)生沉淀滯留在陰極附近;電極材料對電滲過程的主要作用在于通過電極腐蝕、陽極鈍化、分解以及電極與土體部分脫離引起電勢損失，其通過電極反應(yīng)生成離子進(jìn)入土壤隨電場遷移對電滲的促進(jìn)甚小。
　　⑶采用鐵、銅、石墨和鋁電極開展電滲試驗，監(jiān)測了電滲排水和重力排水中多種元素含量（Na、K、Mg、 Ca、Fe、Cu和Al

5、）變化和土壤經(jīng)電滲加固前后的元素含量變化，得出電滲過程中水分的轉(zhuǎn)移主要依賴Na+、K+、Mg2+、Ca2+和Al3+等遷移能力較強(qiáng)的離子，低階、小原子量離子受約束力較小、遷移能力較強(qiáng)，其帶動水分子的遷移是決定電滲法效果的關(guān)鍵?；谠囼灲Y(jié)果分析了電滲運(yùn)移量隨時間以及電導(dǎo)率隨含水量的變化情況，發(fā)現(xiàn)電滲運(yùn)移量在主要電滲排水階段基本保持恒定，而電導(dǎo)率與含水量也存在近似線性關(guān)系。
　?、雀鶕?jù)已有文獻(xiàn)資料中的大量試驗數(shù)據(jù)，首次系統(tǒng)揭示了土壤類

6、型、含水量、電勢梯度和電極布置形式對電滲運(yùn)移量的影響，發(fā)現(xiàn)不同土壤類型的排水速率與電流均呈現(xiàn)出較好的近似線性比例關(guān)系，但不同土壤類型的電滲運(yùn)移量相差較大，對于同一種土壤類型，電滲運(yùn)移量主要、含水量、含鹽量等內(nèi)因影響，電極布置形式、電勢梯度等外因?qū)﹄姖B運(yùn)移量直接影響較小。
　?、上到y(tǒng)總結(jié)了已有研究中電導(dǎo)率與含水量的理論模型和經(jīng)驗公式，提出了三種經(jīng)驗關(guān)系，即線性關(guān)系、指數(shù)關(guān)系和二次函數(shù)關(guān)系。依據(jù)電滲排水速率與電流的發(fā)展規(guī)律以及電導(dǎo)率與

7、含水量的經(jīng)驗關(guān)系、考慮了電滲過程中土體性質(zhì)的變化，提出了基于電導(dǎo)率的一維電滲排水量計算方法。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果將該方法與傳統(tǒng)的基于Esrig的方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明該方法對電滲排水量的預(yù)測準(zhǔn)確性遠(yuǎn)高于已有的基于Esrig理論的方法。
　?、恃芯苛硕演d對電滲運(yùn)移量和電導(dǎo)率的影響，得到堆載作用下電滲排水速率隨電流的發(fā)展規(guī)律以及電導(dǎo)率與含水量的經(jīng)驗關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)堆載作用下基于電導(dǎo)率的一維電滲排水量計算方法;推導(dǎo)電極軸對稱布置時土壤的電導(dǎo)率

8、公式，進(jìn)而對軸對稱電滲排水量計算公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)和試驗驗證;將基于電導(dǎo)率的電滲排水量計算方法推廣到二維情況，得到堆載作用下基于電導(dǎo)率的二維電滲排水量計算公式。
　?、藢陔妼?dǎo)率的電滲排水量計算方法的工程應(yīng)用進(jìn)行了研究。探討了電滲排水量與土體收縮量的關(guān)系，指出單獨(dú)采用電滲法加固軟土?xí)r，電滲排水量數(shù)值上比土體收縮量大，二者的差值可以通過施加外荷載予以減小，強(qiáng)調(diào)了電滲排水量數(shù)值預(yù)測土體收縮量的安全性。給出了計算中涉及到參數(shù)的合理設(shè)計