電滲固結(jié)法在軟土地基中的應用

黃耀意

（廣東省有色地質(zhì)環(huán)境中心，廣東 廣州 510030）

電滲法是通過直流電在土體兩端形成電場，使土體中的水分子在電場的作用下排出，從而逐漸完成土體固結(jié)排水的一種地基處理方法。

土力學首次將電滲現(xiàn)象的概念引入是在1939年[1]，并首次將電滲技術(shù)成功應用于鐵路挖方工程中。隨著電滲技術(shù)的不斷發(fā)展，其理論公式的不斷完善，電滲法逐漸成為了軟土地基處理中的一種新技術(shù)。

1 電滲法的工程應用

卡薩格蘭德（Casagrande）是第一個將電滲法應用到土木工程中的人，在1939年德國的薩爾茨吉特（Salzgitter）的一段鐵路的地基處理，他發(fā)現(xiàn)電滲法對于致密土體的抗剪強度指標影響較大，從而將電滲技術(shù)成功應用到了該段鐵路的地基加固處理當中[1]。從那一次成功的應用之后，該項技術(shù)逐漸被人們所知悉，廣泛應用到了斜坡、堤岸、水壩的固結(jié)加固當中。后來人們還發(fā)現(xiàn)，電滲法不僅可以用于固結(jié)排水，還可以通過電滲技術(shù)，在電場的作用下，將高價離子，如鋁離子、鐵離子等，引入到土體當中，從而達到加固、強化土體的作用[2]。

電滲法在國內(nèi)的應用也有一定的發(fā)展：例如在圍海圍堰工程中[3]，吹填沙袋是常用的工程手段，其擁有固結(jié)快，抗沖刷能力強等優(yōu)點，在實際生產(chǎn)當中大量應用。但其特殊性在于滲透系數(shù)要求大于或等于10-3cm/s。后來人們發(fā)現(xiàn)，如果將把粗顆粒的土替換為細顆粒的海灣泥，通過將吹填沙袋技術(shù)和電滲技術(shù)結(jié)合起來，先采用電滲法處理，使顆粒的海灣泥在短時間內(nèi)完成固結(jié)，便可以滿足吹填沙袋壩工程要求。大量的工程實踐證明，采用這樣的技術(shù)組合，在各類圍海圍堰工程中，能有效提其抗沖切能力強、安全性。

此外，軟弱地基的處理當中，電滲法也表現(xiàn)不凡。例如在滬杭復線軟基處理當中[4]，采用延長電滲處理的時間，不但降低了能源消耗，而且固結(jié)效果也特別好，達到了經(jīng)濟適用的目的。

2 電滲固結(jié)的機理及其適用范圍

土體的動電現(xiàn)象之一便是電滲。土體兩端通電后，在電場的作用下，土體內(nèi)部的物質(zhì)（土顆粒、水、離子等）想兩端移動的現(xiàn)象，稱之為土體的動電現(xiàn)象。

土體的動電現(xiàn)象包括電滲、電泳、流動電位、遷移電位、沉降電位。通電后的土體是一個土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)，電流和水流與梯度間的耦合作用是引起這四種動電現(xiàn)象的原因。其中，任何一種動電現(xiàn)象都涉及電、帶電的表面和液相的相對運動[5]。

電滲固結(jié)是在土體兩端電極形成電場的作用下，水分子在不斷向陰極匯集和排水，隨著時間的增長，土體中的水分不斷排出導致了土體在自重應力或附加應力作用下產(chǎn)生固結(jié)，土體體積逐漸減小并達到固結(jié)完成。

2.1 電滲固結(jié)的微觀機理

由土體的微觀結(jié)構(gòu)可知：土中水分子是一個極性分子[6]，電滲法在土體兩端形成了單一方向的電池，水分子因此會產(chǎn)生定向排列特征。隨著電場作用時間的增加，土顆粒表面帶負電荷，自由水會迅速排除，而結(jié)合水則緩慢排出。電場的作用下，在土體中會產(chǎn)生一系列的電解反應，在陽極處：

（1）與（2）兩組反應是同時進行的，其中陽極金屬MA在式（1）中發(fā)生金屬溶解，陽極金屬溶解后強度降低。式（2）的反應產(chǎn)生了陽離子H3O+，陽極附近的pH值由于H3O+的產(chǎn)生而降低。酸性離子在陽極析出的同時，陰極產(chǎn)生堿性離子，在陰極處：

其中，MC是陰極處沉積的金屬，式（2）～（4）可知陰陽兩極反應中均有氣體釋放，電極與土體之間的接觸面積由于這些氣體的產(chǎn)生會在一定程度上減少，土體的有效電勢進而降低。式（5）說明陽極電解的金屬離子會在陰極處沉淀，該沉淀不利于過濾系統(tǒng)和排水通道的通暢，電滲的排水效果很大程度上受此影響。

2.2 電滲中的化學現(xiàn)象

電滲固結(jié)中，直流電作用在金屬電極，會引起地基及金屬電極會產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象、膨脹加密、電解耗水等化學現(xiàn)象[7]，下面分別對這幾種現(xiàn)象進行說明：

2.2.1 電蝕現(xiàn)象

兩級在直流電的作用下，陽極處發(fā)生腐蝕，陰極處產(chǎn)生沉淀，化學反應式如下：

其中：M表示陽極金屬，N要是Ca2+、Mg2+等。

2.2.2 膨脹加密

以金屬鋁、鐵為例，、在陽極處電極腐蝕后生成高階金屬離子A13+、Fe3+，這些離子發(fā)生氧化反應，生成Al(OH)3、Fe(0H)等膠體，膠體會使土體體積產(chǎn)生很大的膨脹，對土體產(chǎn)生膨脹加密的作用，具體過程如下：

水解作用：

部分：與O2和H2O，A13+、Fe3+離子發(fā)生氧化還原反應：

電滲過程中的，陽極附近有氧氣生成，并有大量的H+聚集在陽極附近，致使陽極附近pH值較低，呈現(xiàn)酸性。

2.2.3 電解耗水

電解耗水在陰陽兩極均有發(fā)生，具體化學式如下：

綜上可知：從電滲過程是土體中固相、液相的各種物理化學反應的綜合，傳統(tǒng)的電滲法是一個比較復雜的加固方法，而不僅僅是單純的排水固結(jié)，電滲過程中還包括了電極腐蝕、膨脹加密、電解耗水等復雜的電化學現(xiàn)象。更為深入的機理研究還有待進一步進行。

2.3 電滲法的適用范圍

電滲法適用于淤泥、黏性土等滲透性較小、荷載固結(jié)緩慢的土體有較好的加固排水效果，特別是塑性狀態(tài)較差或者含水量極高的特殊土體，其固結(jié)排水效果更為明顯。電滲透和水力滲透是土體電滲法排水中兩個重要的部分，電滲透系數(shù)Ke和土體的水力傳導系數(shù)Kh很大程度決定了滲透效果的好壞。

電滲透系數(shù)Ke主要由ζ電位的大小所決定，與土顆粒大小無關(guān)，變化范圍在1×10-9～1×10-8m2/sV之間；而土體顆粒的大小則決定了土體的水力滲透系數(shù)Kh，變化范圍較大，從砂土的1×10-3m/s變化到粘土的1×10-11m/s，因此當土體的水力滲透系數(shù)小于或等于1×10-8m/s時，可以使用電滲法進行處理。

3 電滲的優(yōu)缺點

任何一種工程處理辦法存在其優(yōu)缺點，結(jié)合工程的特點來選擇從而達到高效、經(jīng)濟、合理可行是關(guān)鍵。軟基處理的方法有很多，電滲法作為一種新興技術(shù)，存在很多優(yōu)于其他方法的特點，但同時也有一些不足，分述如下：

3.1 優(yōu)點

①固結(jié)速度快。常規(guī)方法對于滲透系數(shù)很小的黏性土土體，難以排除土中的水，達到固結(jié)的效果。但由于電滲系數(shù)Ke比水力傳導系數(shù)Kh大1個～2個數(shù)量級，電滲法對于該類土體的排水固結(jié)效果較好。②常用的堆載固結(jié)對于土體承載力有一定要求，但類似淤泥等軟土，其承載力較低，堆載固結(jié)容易引起土體失穩(wěn)。電滲固結(jié)不需要重力堆載，但其最終固結(jié)效果與堆載固結(jié)相同，其原理是電滲產(chǎn)生的是一個負的孔隙水壓，相當于施加了一個超載，進而使土體固結(jié)。③安全性高。一般電滲法所需要的電壓在30V～160V之間，施工時可以劃出安全隔離帶，容易進行安全控制，當電壓較低時，也不會出現(xiàn)安全事故。④在電滲固結(jié)的過程中，電極材料會腐蝕生成氧化物或是氫氧化物的膠體，膠體的產(chǎn)生有助于土體密實。在電極周圍，特別是陽極周圍土體提高的更明顯，使土體的強度在一定程度上有所提高。

3.2 缺點

①通常電滲法采用鋁或鐵作為電極，但是金屬在電滲過程中產(chǎn)生電化學反應生產(chǎn)氧化物或氫氧化物膠體加固土體的同時，電極本身也在不斷的腐蝕，腐蝕所形成的氧化物會附著在電極周圍，從而形成電阻層，將低了整個電滲系統(tǒng)的導電性，對電滲的正向進行不利，加大電能的浪費和消耗。另外，陰極中陽離子的不斷析出，也不利于陰極處土體的排水。②電滲過程中，陽極附近有氧氣生成，陰極附近有氫氣生成，兩極氣體的排出會使土體和電極的接觸收到影響，進而影響電滲效率。③由于土體中的水是從從陽極向陰極移動，而陽極周圍的土體，由于化學反應，其強度得到了提升。同時，由于電滲的進行，陽極土體含水率低于陰極土體，形成兩極土體強度差異較大的情況，在荷載作用下，容易造成不均勻沉降。但電極轉(zhuǎn)換技術(shù)可以在一定程度上得到減弱這種差異。④電滲法的費用相對較高，但是在電滲時間和效果上獲得一定程度上的補償。由于電滲需要采用直流電，現(xiàn)場通常需要對交流電進行轉(zhuǎn)換，另外，陰極處還需要加設(shè)排排水體，用于排走土體中的水分。

因而，需要從土體的處理效果、處理時間、經(jīng)濟費用等方面，綜合考慮電滲處理技術(shù)是否合理經(jīng)濟可行。

4 總結(jié)

（1）電滲法作為一種新型地基處理技術(shù)，其高效、無二次污染等優(yōu)點使其注定在倡導環(huán)保的今天有著極大的發(fā)展空間；

（2）對于淤泥、黏性土等滲透性較小、荷載固結(jié)緩慢的土體有較好的加固排水效果，特別是塑性狀態(tài)較差或者含水量極高的特殊土體，其固結(jié)排水效果更為明顯；

（3）在今后的發(fā)展當中，需要研究者們不斷努力，積極探索電滲固結(jié)的理論機理，將其和現(xiàn)今的地基處理技術(shù)有機結(jié)合，不斷優(yōu)化電滲固結(jié)的施工工藝，達到更好的效果。