摘要：采用典型的软土，在1.5V∕cm的电势梯度下，对绝缘电极板和普通电极板在电渗排水过程中的表现进行了室内试验研究，从排水量、电流变化、能量消耗、数值模拟等几方面对电渗排水的效果进行分析。结果表明：对电极板进行绝缘处理改变了土体中的电势分布，从而使排水量增大、电流变小、能耗减少。
关键词：土体电势；电渗排水；绝缘电极板；能耗；
1引言
室内模型试验是认识物理现象和解决实际问题的重要手段，针对软土中电渗现象开展了竖向一维电渗室内模型试验[1]。主要形式是阳极板置于土层底部，阴极板置于土层上部。通电后土样中形成自下而上的电渗流，电渗排出的水从顶部用排水管排出。改变土体中电势分布主要是利用绝缘材料绝缘电极板。为了研究土体中电势改变引起的电渗排水效果，设计了T1、T2两组对比实验，其中T1组试验在阳极上表面、阴极下表面进行绝缘处理如图1所示。
图1 T2（左）、T1（右）组试验排水装置示意图
2 实验装置与步骤
本实验有两套实验装置，T2组试验装置同T1组中除了电极板未绝缘，其他部分均相同。T1组试验的主体装置由直流电源、塑料桶、电极板、绝缘材料、支撑棒和导线等构成（如图1所示）。土样来自沈阳建筑大学某工程地下10米软土。试验步骤：（1）将原状土磨碎，用水浸泡一段时间后将其充分搅拌均匀，装入试验桶中静置12小时后取土样测量含水率；（2）将试验装置按图1连接完毕后放入试验箱中；（3）将搅拌均匀的土样分层装入桶中；（4）连接电源，调节电源输出电压为30V，接通电路；（5）每隔一个小时依次读取多功能表中的读数，并记录由阴极排出水的体积；（6）等到试验土样不排水时，停止试验，断开电源；（7）静置48小时候测量排水后土体含水量并记录；
3 实验结果分析
3.1 排水量
电渗排水量Q指的是土体中的水（尤其是阳极区域的水分）在电渗作用下聚集到阴极区域，最终由阴极区域排出的水分[2]。本次试验主要进行了绝缘电极板和普通电极板在同等条件下的电渗排水试验。T1和T2两组试验排水量随时间变化图如图2所示，T1组最终排水量556mL，T2组最终排水量499mL，T1组排水量Q1大于T2组排水量Q2。
3.2 电流变化
从电流变化曲线可知，两组试验初始电流不相同，出现这种情况是因为T2组试验绝缘了电极板。从电流变化曲线可得到，两组试验电流变化都可分为三个阶段，第一阶段电流上升阶段，此阶段持续5小时左右，每小时排水量持续增加。第二阶段电流稳定阶段，持续时长约15个小时，此阶段为最佳排水时期。第三阶段电流下降阶段，持续时间5小时左右，此阶段每小时排水量大量减少。
图2 排水量随时间变化 图3 电流变化随时间变化
3.3 能量消耗
利用总能耗和单位排水量能耗来反应两组实验的能量消耗情况。本文汇总了两组试验的能耗利用情况，其中T1组总能耗为237w•h，T2组总能耗为355w•h。T1组总能耗小于T2组总能耗。
单位排水量能耗可通过总能耗除以总排水量得到[3]。可知两组试验单位排水量能耗关系为T2组（0.71w•h/mL）大于T1组（0.43w•h/mL）。说明T1组试验能耗利用情况好。
3.4数值模拟
图4 T1组电势图 图3 T2组电势图
利用COMSOL软件得到了绝缘电极板和普通电极板两种情况下土体中的电势分布图，从图可知高电势主集中于普通电极板周围。高电势过于集中会导致电渗排水只能排出电势较高的区域，低电势区域的水较少排出或无法排出。绝缘电极板方式可以降低电极板周边的高电势值，使电极板周边的水不被快速排出，使电渗排水过程持续进行。
4.结论
对绝缘电极板和普通电极板电渗排水效果进行了室内模型实验研究，从排水量、能量消耗等几方面进行了分析，得出以下结论：对电极板进行绝缘处理改变了土体中的电势分布，从而使排水量增大、电流变小、能耗减少。
参考文献：
[1] 吴辉.软土地基电渗加固方法研究[博士学位论文].北京：清华大学.
[2] 刘铁.多电极电渗及电化学加固软黏土的试验研究.[硕士学位论文].沈阳.沈阳建筑大学.
[3] 陶燕丽、周 建、龚晓南.铁、石墨、铜和铝电极的电渗对比试验研究.岩石力学与工程学报，2013（32）：3355-3362.
论文作者:高井超,王宁伟,李泽民,颜克顺
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/8/13
标签：排水量论文; 电极论文; 电势论文; 电流论文; 两组论文; 阴极论文; 装置论文; 《基层建设》2018年第19期论文;