電滲和振動對細尾礦砂靜載固結排水的促進作用

林雪松, 王 東, 陳殿強, 王來貴

(1. 遼寧工程技術大學 理學院， 遼寧 阜新 123000； 2.阜新高等專科學校 工程系， 遼寧 阜新 123000；3.遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽 110013； 4.遼寧工程技術大學 力學與工程學院， 遼寧 阜新 123000)

1 研究背景

隨著礦物采選技術水平的不斷提高，排入尾礦庫的尾礦顆粒日益細化[1]，固結越來越困難，若繼續沿襲舊方法，僅依靠自重作用下的靜載固結，將會造成尾礦砂固結程度極差，更容易發生潰決、污染地下水等不良后果[2]。如何加速固結排水是提升細尾礦砂筑壩安全性的一個重要問題。電滲和振動是目前能夠促進細粒介質固結排水的主要方法，前人已對這2種方法分別進行了研究。電滲方面，1949年Casagrand[3]首次將電滲排水法成功運用于鐵路挖方工程，人們第一次認識到電滲法的實際作用，也開始了電滲法的理論與實踐研究。Esrig[4]和Lewis等[5]分別提出了一、二維電滲固結理論和控制方程，作為經典電滲固結理論被廣泛接受；Guo等[6]對高水量且主要成分為伊利石、高嶺石和石英的尾礦砂進行了電滲處理；Wu等[7-8]針對電極附近介質的微觀結構變化以及該變化與電極種類的關系進行了研究；陶燕麗等[9]通過試驗研究了電極不同材質、布置方式對電滲過程與結果的影響； Wang等[10]對真空預壓與電滲法聯合使用的效果進行了研究；張恒等[11]采用自制電滲試驗裝置，針對武漢市淤泥質黏土進行電滲試驗，探討了陽極處加入不同濃度氯化鈣溶液后，電滲試驗的結果會出現何種差別；羅戰友等[12]采用改進的Miller Soil Box試驗裝置，基于杭州淤泥質土，在3種不同含水量和含鹽量下開展電滲試驗，從總電導率和區域電導率2個方面分析了土體電導率變化規律和分布特征；王炳文等[13]采用自制的電滲脫水試驗和自然脫水試驗裝置，進行了全尾砂膠結充填料漿和非膠結充填料漿的脫水試驗，并對試驗結果進行了總結；張雷等[14]采用遼寧沿海地區淤泥質軟土，對鐵、銅、鋁和新型復合電極等不同電極材料進行室內電滲排水固結試驗，從有效電勢、電流、排水量與排水速率、能耗、電滲后土體含水量和承載力等對電滲效果進行了分析。在振動排水方面，房營光等[15]根據不同排水固結試驗的比較，分析了振動排水固結特性及振動排水效應，總結出振動排水的作用機制；丁智等[16]通過室內動三軸試驗系統測試研究了排水條件、固結度、振動次數對軟黏土動孔壓和應變的影響；苗永紅等[17]利用自主設計的動態固結滲透儀研究了飽和軟土在振動荷載作用下的響應；沈林等[18]利用飽和粉細砂在持續振動荷載作用下容易液化的特點，進行了振動促進飽和粉細砂快速排水的研究；徐華榮等[19]基于振動排水固結試驗，對鎮江地區河漫灘沉積相軟土的動力特性進行了研究，并對該地區軟土在動力荷載作用下的排水固結機理進行了解釋。

縱觀以往的研究，前人在電滲與振動方法促進固結的作用機理、理論模型、與其他方法的結合和工程應用方面進行了大量的研究與探索，成果頗豐，但前人研究中未見到針對同一試驗對象，分別進行靜載聯合電滲和靜載聯合振動的對比研究。理論上講，電滲和振動均可促進細尾礦砂的固結排水，但2種方法各自的優缺點如何？分別適用于何種工況？若能事先搞清楚以上問題或引申出的類似問題，則可使各種方法的實際應用效率實現較大提升。

本文在前人研究的基礎上擬利用簡單改裝的空心圓柱扭剪儀(Hollow Cylinder Apparatus，HCA)研究單獨靜載、靜載聯合電滲和靜載聯合振動作用下細尾礦砂的排水固結效果，并對結果進行比較分析，研究結果能夠為多孔介質滲流和新時代下尾礦工程提供參考。

2 試驗對象與設備

2.1 試驗對象

試驗對象為取自阜新市同乃尾礦庫的鐵尾礦砂，由于主要研究細尾礦砂特性，因此試驗對象均取自尾礦庫干灘最末端粒徑最小顆粒集中區域。對象顆粒組成如表1所示，從表1中0.019、0.074和0.037 mm粒徑含量可知，試驗對象為細尾礦砂[20-21]。試驗中將尾礦砂制成空心圓柱體試件，外半徑為50 mm，內半徑為30 mm，高為200 mm。試驗中試件整體和內部任意單元的受力分別如圖1所示。

表1 細粒尾礦砂粒徑組成

注：圖中Pi和Po分別為作用于試件內、外側面上的內、外圍壓，單位kPa； W為軸向荷載，單位kN；MT為扭矩，單位N·m；σz、σr、σθ和τθz分別為軸向應力、徑向應力、轉角向應力和示剪應力，單位均為kPa。

圖1試件與單元的受力

2.2 試驗設備

使用英國GDS公司生產的HCA進行試驗。但試驗之前需對設備進行簡單改裝。改裝的主要內容為：在試件上、下底座分別裝上電極，并將與電極連接的導線引到壓力室外部。裝入壓力室的試件和導線如圖2所示。

3 試驗目的與內容

3.1 單獨靜載試驗

試驗目的在于研究恒定靜載下細尾礦砂固結特性，研究結果的主要作用是用來與后續試驗進行比較。為考查試驗過程的可重復性，每種壓力下分別進行2次固結試驗，在接下來的敘述中，分別標記為靜載1和靜載2。靜載壓力分別設置為50、100、200和400 kPa。

3.2 兩因素聯合作用試驗

試驗目的：研究單獨靜載基礎上，增加電滲和振動中的一種因素后，排水總量的變化情況。同時，比較電滲和振動兩種因素對靜載排水的促進作用隨靜載壓力的變化是否會表現出各自的特點。具體的試驗內容如下：

(1)靜載與電滲聯合作用試驗。 在每種靜載設置下，靜載與電滲荷載同時施加使試件達到固結穩定。靜載壓力取值同上。電滲電壓分別取為10、20和30 V，以此來研究電滲荷載數值變化對固結排水效果的影響。在接下來的敘述中，靜載與電滲電壓10、20和30 V聯合作用分別標記為靜載+10V、靜載+20 V和靜載+30 V。

(2)靜載與振動聯合作用試驗。 在某一靜載設置下，同時施加靜載與振動荷載使試件達到固結穩定。靜載壓力取值同上。振動荷載的幅值保持100 N不變，頻率分別取1、6和12 Hz，以此研究頻率對聯合作用下固結排水效果的影響。在接下來的敘述中，頻率為1、6和12 Hz分別標記為靜載+1Hz、靜載+6 Hz和靜載+12 Hz。

圖2 試驗裝置及試件

4 試驗結果與分析

4.1 單獨靜載結果

試驗結果如圖3所示。由圖3可知，各種靜載設置下2次單獨靜載試驗曲線基本重合，試驗總體重復性較好。對比各曲線還會發現，隨著靜載壓力的增加，最終排水量在增加，排水總時間在減小。

圖3 單獨靜載試驗結果

4.2 兩因素聯合作用結果

兩因素聯合試驗結果如圖4～7所示。分析各圖可知，靜載較小的50與100 kPa作用下，靜載+電滲的試驗曲線初始階段與單獨靜載基本一致，但隨著時間的推移，經歷了一個斜率先增大再減小最后趨于0的過程。在靜載較大的200與400 kPa試驗中，此種變化過程并未明顯存在。接下來從穩定時間和最終排水量兩方面分析試驗結果。

首先從穩定時間方面來看，相同靜載條件下，聯合作用均小于單獨靜載，靜載+振動小于靜載+電滲。靜載+振動和靜載+電滲在穩定時間方面的差別可從各曲線的變化趨勢上看出，從各圖中看出，靜載+振動的曲線短時間內便逐漸趨于穩定，而靜載+電滲卻需在相對較長的時間之后才開始趨于穩定，此現象也可理解為振動可在試驗開始后立刻起作用，而電滲則需在固結進行一段時間之后再起作用。聯合作用各試驗穩定時間隨靜載壓力的增加而減小。在靜載+振動和靜載+電滲內部，穩定時間隨各自的頻率和電壓變化不明顯。

從最終排水量方面來看，對于靜載+電滲，最終排水量隨電壓的增加單調遞增，即電壓值越大排水效果越好。但靜載+振動排水量隨頻率變化并不是單調遞增，而是先增加再減小，即頻率值并不是越大越好，而是存在一個最佳振動排水頻率，頻率值大于或小于最佳頻率的排水效果均不好。在各種靜載壓力下，靜載+振動的最大排水量均出現在靜載+6 Hz，靜載+電滲的最大排水量均出現在靜載+30 V，兩因素聯合作用下最大排水量的出現狀態不隨靜載壓力的變化而變化。通過對比2種荷載組合的最大排水量會發現，總體來看靜載+振動的最大排水量大于靜載+電滲，但隨著靜載壓力的增加，二者的差距在縮小，當靜載壓力為400 kPa時，靜載+30 V的最終排水量已經趕上了靜載+6 Hz。通過與圖3對比可發現：在各靜載壓力下，聯合作用均相比于單獨靜載在最終排水量方面有所增加，為準確說明排水量增加水平，將聯合作用與單獨靜載作用下的最終排水量差值列于表2。

分析表2可看出，靜載+振動照比單獨靜載的提升數值總體上明顯大于靜載+電滲，但從數據變化趨勢來看，振動的促進作用隨靜載的增加大致呈減小的趨勢，而電滲的促進作用隨靜載的增大表現出大致增加的趨勢。若僅比較相鄰數據，增加或減小的趨勢并不明顯，且具有波動與反復。若直接對比50和400 kPa的數值，則增加或減小的趨勢明顯。靜載+1Hz、靜載+6 Hz和靜載+12 Hz分別減小了16.60%、19.95%和14.30%。靜載+10 V、靜載+20 V和靜載+30 V分別增加了5.07%、9.42%和19.09%。400 kPa時靜載+30 V的排水增加量已經非常接近靜載+6 Hz，且此時排水量的增量出現了一個突變性的增加。試驗結果說明：靜載+振動雖然對排水促進作用很強，但隨著靜載壓力的提升，其排水優勢逐漸減弱，即使在最佳頻率值狀態也是同樣的結果。靜載+電滲雖然在較小靜載壓力下促進作用較小，但隨著靜載壓力的提升卻未減小，反而在電壓較大時會出現較大幅度的增加，可預見若提升電壓值則排水量還會繼續增加。

圖450kPa試驗結果 圖5100kPa試驗結果

圖6200kPa試驗結果 圖7400kPa試驗結果

表2 相對于單獨靜載的排水增量

5 利用電滲、振動排水機理對試驗結果的解釋

5.1 電滲、振動的排水機理

(1)電滲排水機理。 電滲對排水的促進作用主要可從兩方面考慮：①從雙電層理論來考慮，依靠自由層內的正離子拖拽水分子由正極到負極運動，促進排水。②通過電流熱效應促進介質溫度的升高，從而降低黏滯系數，提升滲透系數。通過以上兩點可判斷，若想提升電滲排水作用，應該做到兩點，即增加可移動導電離子的濃度和增加有效電勢梯度。

(2)振動排水機理。 振動排水的機理可從機械波在介質中傳播所產生的作用談起，振動在介質中傳播，主要會產生線性交變振動作用、激波作用、定向作用和空化作用。理論上講4種作用對排水的促進主要表現在3個方面：①利用振動步調不同步實現固體和液體的分離，從而減小固體介質對液體滲流的阻礙作用進而提升滲透系數。②促進孔隙水壓力的提升，形成較大的壓力梯度和直流定向力，從而促進固結排水。③通過高溫高壓效應提升介質溫度，減小黏滯系數。振動過程若想實現上述3種作用，一個主要前提是介質內部的質點必須能夠振動起來，振動的幅度越大振動作用的排水效果會越明顯，若某種原因抑制了介質內質點的振動，也就抑制了振動的排水作用。振動和電滲均具有熱效應，但通過試驗發現，振動作用的熱效應并不明顯，電滲的熱效應明顯一些。

5.2 對相關試驗現象的解釋

在聯合作用試驗中，靜載較小時出現了斜率的變化，由振動和電滲的排水機理可解釋為：靜載壓力較小的狀態，電滲的排水作用與靜載相比很小，基本可以忽略，因此曲線與單獨靜載排水基本相同，隨著試驗的進行，試件體積變小，內部導電離子濃度升高，試件與電極接觸緊密，試件導電性增強，電滲排水能力得到提升，彌補了靜載排水量的減小，因此曲線斜率出現增加的趨勢。但靜載較大的狀態，試驗開始后較短時間內即出現了試件體積的迅速減小和電極與試件的緊密接觸，因此沒有出現斜率的變化過程。

縱觀所有聯合作用試驗結果，可概括出一個基本趨勢為：靜載壓力越大，振動排水的作用便會減弱，電滲排水的優勢便會凸顯出來。比如前述振動與電滲的最大排水量差值隨靜載壓力的增加而減小。該趨勢出現的原因可從振動和電滲的排水機理方面來進行解釋。原因為：隨著靜載的增加和固結的進行，試件密度越來越大，顆粒之間的作用越來越強，內部質元振動起來越來越困難，則固體和液體分離也越來越困難，因此振動荷載對排水的促進作用會越來越弱。但隨著靜載的增加和固結的進行，試件體積變小，導電離子的濃度變高，電極與試件的結合變得緊密，整個回路的導電能力得到了加強，因此電滲的作用開始變得明顯。

6 結 論

(1)聯合作用中，在靜載的基礎上增加排水因素進行組合排水時，若增加振動和電滲中的一種總排水量一定有所增加，同時固結穩定的時間也會減少，在靜載較小狀態，振動對靜載排水的促進作用優于電滲，但隨著靜載的增加，電滲對靜載排水的促進作用會趕上甚至超過振動。

(2) 頻率是振動排水的主要影響因素，頻率值越接近最佳頻率排水量越大。電滲排水的影響因素為電勢梯度，作用于試件內部的有效電勢梯度越大排水量越大。在靜載壓力較小或是固結的初始階段，振動排水效果比較明顯，但靜水壓力較大或是固結后期，介質密度變大，內部質點振動困難，此時電滲排水效果較好。