地基处理的电渗法及其进展

传统的电渗法采用金属电极， 其电蚀作用虽 然有利于土体强度的增长， 但存在不好控制加固 周期、电极转换不方便、造价高等缺点。英国研 制出的电动土工合成材料， 申请了相关专利， 它 既可以作为排水通道， 又可以作为不腐蚀电极使 用， 可以使电渗加固易于控制， 能降低工程成本。 虽然其经济有效性还有待于进一步的工程验证， 但的确是电渗电极发展的一种新的思路， 可能会 对电渗技术的推广应用产生积极的影响。国内也 进行了相关的研究工作， 但未见成熟的技术方案， 这是国内学者需要继续研究的。 ３．４ 电渗室内实验装置
２００８ 年 ４ 月 第 ４ 期 总第 ４１４ 期
·地基处理·
水运工程 Ｐｏｒｔ ＆ Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ａｐｒ． ２００８ Ｎｏ． ４ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ． ４１４
地基处理的电渗法及其进展
曹永华， 高志义， 刘爱民
（ 中交天津港湾工程研究院有限公司， 天津 ３００２２２）
摘要： 介绍用于地基处理的电渗法的加固机理， 并对电渗法的发展进行回顾与总结， 指出电渗法应用与研究中存在的
根据电渗固结理论， 电渗透系数决定着电渗 加固效果。研究表明， 土的电渗透系数与诸多因 素相关。土的类别、含水量、含盐量、电阻率等 均对电渗透系数产生着影响， 但这些因素中， 哪 些因素是主要因素， 对电渗透系数的影响幅度有 多大， 土性指标在哪个范围内最适合电渗加固等， 均需要进一步的研究。 ３．３ 电渗电极
土中水分为结合水和自由水。自由水是指在 双电层影响以外的水， 排水固结法排出的的水是 自由水。结合水是受双电层影响， 吸附于土粒表 面的水， 可分为强结合水和弱结合水。强结合水 很难排出， 但其性质已接近固体， 因此不对土体 加固产生影响； 弱结合水因为受土粒静电场的影
收稿日期： ２００７－ １１－ ０８ 作者简介： 曹永华 （ １９７７—） ， 男， 工程师， 从事岩土工程和港口工程的科研与设计。
３） 膨胀加密。
在 阳 极 ， 发 生 氧 化 反 应 ， 生 成 Ｆｅ "ＯＨ #３ 胶
体， 其体积已发生了很大的膨胀， 对土体可以产
生膨胀加密作用。其过程如下：
首先， 发生电解水作用：
Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋Ｈ＋＋ｅ－
（ ３）
部分 Ｏ２ 与 Ｈ２Ｏ 和 Ｆｅ 发生氧化反应：
Ｆｅ＋Ｈ２Ｏ＋Ｏ２→Ｆｅ "ＯＨ $３
可以承受的地基加固方法， 因此， 电渗法再次引 起了学术界和工程界的关注。
１ 电渗法加固机理 电渗加固机理要从土的微观结构说起。土是
固—液—气三相分散系。土的固相即土颗粒， 其 表面通常带有负电荷， 在外加电场作用下， 向电 势高处运动， 此现象称为电泳； 土的液相即土中 水， 它极易和被溶解的物质如水中的阳离子结合 成水化阳离子， 在外加电场作用下， 向电势低处 运动， 此现象称为电渗。
国内汪闻韶最早开始了对电渗加固方法的研 究， 提出了电渗和水力渗透混合流公式， 阐述了 电 渗 加 固 软 土 的 机 理［２２］。 周 顺 华 等 提 出 用 电 渗 法 对 铁路路基进行处理， 并对其经济性进行了讨论［２３］。 邹维列等对电动土工合成材料及其应用进行了介 绍［２４］。胡俞晨等应用电动土工合成材料， 进行了室 内实验研究［２５］。庄艳峰等讨论了界面电阻问题， 给 出了界面电阻的近似计算公式； 提出了电荷累积 理论和能级梯度理论， 用于解释电渗过程中的电 现象［２６－２９］。由于电渗加固法对电能消耗较大， 不少 学者致力于电渗加固法与其他方法的联合应用。 高 志 义 等 提 出 了 真 空 预 压 联 合 电 渗 的 加 固 方 法［３０］， 并进行了室内模型实验研究。与此类似， 房营光 等应用真空预压联合电渗法对碱渣土进行了室内 模型实验研究［３１］， 赵建国等提出了电渗—强夯综合 法用于软弱地基的加固 ［３２］。
若干问题， 并进行相应的讨论。
关键词： 电渗法； 机理； 进展； 地基处理
中图分类号： ＴＶ ４７２．１
文献标志码： Ａ
文章编号： １００２－ ４９７２（ ２００８） ０４－ ００９２－ ０４
Ｃｈａｒ ａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒ ｏ－ ｏｓｍｏｔｉｃ Ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｇｒ ｏｕｎｄ Ｉｍｐｒ ｏｖｅｍｅｎｔ
移向阳极， 这样对阳极土体具有加密作用。电渗
可以用式 （ １） 进行描述：
ｖｅ＝ｋｅ
!ｖ !ｘ
（ １）
式中： ｖｅ 为电渗透流速； ｋｅ 为电渗
２） 电蚀现象
含碳的钢筋阳极在电场作用下发生如下反应：
Ｆｅ＋Ｃ→Ｆｅ３Ｃ
（ ２）
Ｆｅ３Ｃ 在阳极附近剥落沉积， 可以加密土体。
（ ４）
因此， 阳极会释放氧气， 并有大量 Ｈ＋存在阳
极附近， 结果使阳极处 ｐＨ 值降低， 呈现酸性。
４） 电解耗水。
实际上电解耗水在阴阳两极均有发生， 阳极
的电解反应前已述及， 阴极发生如下反应：
Ｈ２Ｏ＋ｅ－ →ＯＨ－ ＋Ｈ２
（ ５）
因此， 从电渗过程中的各种物理化学反应来 看， 传统的电渗法是一种综合加固方法， 它不仅 仅是单纯的排水固结， 还包括了膨胀加密、电蚀 等复杂的电化学作用。
对电渗加固机理予以说明。
在钢筋电极产生的直流电场的作用下， 地基
及电极发生了以下效应：
１） 电动效应。
电动效应主要包括电渗和电泳。电渗是指吸
附着极性水分子的正离子， 在电场作用下移向阴
极汇集， 而阳极则逐渐被疏干。如果及时将汇集
于阴极的水排出， 则可以使土体排水， 其力学性
能得到改善。带有负电荷的土粒， 在电场作用下
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水运工程
２００８ 年
了“间歇通电”技术在电渗中的应用效果， 指出 间歇通电技术可以减少电渗过程中的阳极腐蚀和 电 力 消 耗［１６］。Ｓｕ 等 给 出 了 不 同 边 界 条 件 下 的 二 维 电 渗 固 结 的 理 论 解 答［１７］。 因 电 渗 加 固 中 电 能 往 往 大 量消耗在电极与土间的界面电阻上， Ｂｕｒｎｏｔｔｅ 等对 电极进行了特殊的化学处理， 减小了界面电阻， 提 高 了 电 能 利 用 率［１８－ １９］。 因 传 统 金 属 电 极 在 电 渗 中 产生电化学腐蚀， 存在造价高、不易控制等缺点， 近年来产生了一种被称为电动土工合成材料的新 型合成材料， 可作电渗电极使用［２０－２１］。
ＣＡＯ Ｙｏｎｇ－ ｈｕａ， ＧＡＯ Ｚｈｉ－ ｙｉ， ＬＩＵ Ａｉ－ ｍｉｎ
（ ＣＣＣＣ－ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｏｒｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２２， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏ－ ｏｓｍｏｓｉｓ ｆｏｒ ｇｒｏｕｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ
第４期
曹永华， 等： 地基处理的电渗法及其进展
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响， 一般的排水固结法很难将其排出， 但在外加
直流电场的作用下， 部分弱结合水可以摆脱静电
场的束缚被排出， 这是电渗法的优势所在， 即电
渗不仅可以排出自由水， 还可以排出弱结合水。
根据电极材料的不同， 电渗加固中发生的物
理化学作用会略有区别， 本文以钢筋电极为例，
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｅｌｅｃｔｒｏ－ ｏｓｍｏｓｉｓ； ｍｅｃｈａｎｉｓｍ； ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ； ｇｒｏｕｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ
电渗法是一种利用电能对地基进行加固的地 基处理方法， 电渗法的历史可以追溯至 １８０９ 俄国 学 者 Ｒｅｕｓｓ 的 研 究 工 作 ， 后 来 各 国 学 者 在 其 加 固 机理与应用方 面 开 展 了 大 量 的 研 究 工 作［１－６］。 电 渗 法具有加固速度快， 对细颗粒、低渗透性土有良 好的加固效果等优点。由于电渗法需要消耗大量 的电能， 因此， 在很长一段时间内， 对电渗法的 研究是以室内实验研究为主， 而现场应用却不多 见。随着我国港口建设的飞速发展， 利用港池和 航道疏浚土吹填造陆工程如雨后春笋般地不断涌 现。疏浚土往往具有细颗粒、高塑性、低渗透等 特性， 采用常规排水固结法加固这种地基时， 初 期效果比较显著， 但后期加固效果明显下降， 表 现为后期沉降缓慢， 加固后的强度值较小， 加固 效果并非十分理想。电渗加固效果对土颗粒大小 并不敏感， 而且随着经济的发展和技术水平的提 高， 电渗法很可能成为此类土的一种高效且造价
３ 电渗法的若干问题 ３．１ 电渗加固机理
目前电渗法的加固机理已基本明朗， 即电渗
综合了电化学和排水固结等综合作用， 但由于电 渗过程中的电化学作用很难定量描述， 因此多数 研究仍将电渗法视为一种排水固结法来进行研究。 在电动土工合成材料出现后， 由于其作为电极在 电渗中并不被腐蚀， 因此不会发生电蚀等复杂的 电化学作用， 如果再将电解耗水看成一种特殊形 式的排水， 则此时电渗法可以视为排水固结法。 ３．２ 电渗加固效果影响因素
２ 电渗法的发展历程 继 Ｒｅｕｓｓ 发 现 电 渗 现 象 后 ， Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ 首 先 从
双电层的概念出发， 用数学方法来表示电渗现象， 后经后人的修正和发展， 形成了 Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ 电渗公 式。Ｃａｓａｇｒａｎｄｅ 于 １９３９ 年第一次将电渗技术应用 于岩土工程中［１］。Ｅｓｒｉｇ 提出了一维电渗固结理论， 用 于 解 释 电 渗 中 孔 隙 水 压 力 的 增 长 与 消 散 现 象［７］。 Ｌｅｗｉｓ 等给出了二维电渗固结理论的控制方程， 并 进行了电渗的数值分析［８］。Ｗａｎ 等对电渗和荷载作 用下土的固结特性进行了研究， 并提出了电渗加 固中的“电极转换”技术［９］。Ｂａｎｅｒｊｅｅ 结合电 渗 仪 实验， 提出了比一维电渗固结理论更为精确的理 论解， 用于解释三轴电渗仪内超孔隙水压力的增 长 过 程［１０］。Ｌｏ 等 对 灵 敏 性 黏 土 的 电 渗 加 固 法 进 行 了室内实验的研究［１１］， 使用设备为自行研制的小型 电渗仪， 并对加固过程中的孔隙水压力、电势、 土体变形等进行了监测， 比较了加固前后土体强 度的变化， 结果表明电渗对此类土是有效的。 Ｓｈａｎｇ 等提出了高压条件下的“土－ 水－ 电解质”理 论， 对 高 压 （ １０￣３０ ｋＶ） 直 流 和 交 流 电 作 用 下 软 黏土的加固效果进行了研究［１２］， 结果表明直流高压 电场可以在土体中产生更高的负孔隙水压力， 加 固效果更佳。同时， 在达到某一临界电压前， 加 固效果随着电压的升高而加强。Ｌａｕｒｓｅｎ 进行了斑 脱 土 和 天 然 黏 土 的 电 渗 室 内 实 验 研 究［１３］， 结 果 表 明， 钠基斑脱土和钙基斑脱土的电渗透系数随含 水量的增大而增大， 且与含盐量无关； 丹麦黏土 的电渗透系数随含水量的增大而增大， 但与含盐 量有关。Ｓｈａｎｇ 提出了电渗联合堆载预压加固法的 理论 模 型［１４］。Ｃｈｅｎ 等 进 行 了 电 渗 的 现 场 试 验 ， 对 电渗过程中土体电导率和 ｐＨ 值的变化进行了研究 ［１５］。电极水平布置， 阳极采用金属网， 位于地表， 上面覆细砂和回填土， 阴极采用石墨， 位于 ２．２ ｍ 深 处 。 土 体 约 ２０ ｍ３， 电 势 梯 度 ２０￣３１ Ｖ／ｍ， 电 流 ４２￣５７ Ａ， 共 消 耗 电 能 ５ ５００ ｋＷ·ｈ。Ｍｉｃｉｃ 等 研 究