电渗加固技术

发布于：2022-10-25 15:04:25 来自：建筑结构/结构资料库 [复制转发]

1 引言

电渗法是通过在插入土体中的电极上施加直流电使得土体加速排水、固结从而提高强度的一种地基处理方法，因电渗渗透系数受土颗粒大小影响较小，电渗法被认为是处理高含水量、低渗透性软粘土地基很有发展前途的方法。电渗法历史可以追溯至1809俄国学者Reuss在试验室内的首次发现，后来各国学者在其加固机理、固结理论以及应用方面开展了大量的研究工作；1939年Cassagrande 首次将电渗法成功用于德国某铁路挖方边坡工程中，Bjerrum (1967)也报道了电渗法用于挪威超灵敏粘土地基加固的实践，随后，电渗法一直被尝试用于各种领域，如地基、边坡和堤坝的加固，提高桩的承载力，电动注浆，减小灵敏粘土灵敏度，以及环境岩土工程等。

电渗现象自发现伊始得到了较多的关注和研究，尤其是近年来随着沿海吹填造陆工程的蓬勃发展，电渗法得到愈来愈多的关注并成为研究热点之一。本文主要从加固机理和适用特点两方面对电渗加固技术作科普性介绍，以期提高该技术在行业中的认知度。

2 加固机理

1809年，Reuss将一电位差施加在有孔介质中，观察到孔隙水经毛细管移向阴极，且孔隙水的流动随着电流的中断而停止，这是电渗现象的首次观测，也从原理上定义了电渗的典型特征，即电场作用下多孔介质中水分子的流动。实际上，电渗现象仅是电动现象的一种，土体通电过程中，除了发生电渗现象外，还有电泳、流动电势、沉降电势等，图1给出了粘土中的四种电动现象。外电场作用下，电渗是多孔介质中水分子的流动，电泳是带电颗粒的定向移动，流动电势为液体流动在多孔介质两端引起的电势差，沉降电势为带电颗粒移动引起的电势差。流动电势和沉降电势可分别视为电势和电泳的逆过程。对于土壤加固，电渗现象在四种电动现象中起主导作用，也是各国学者所关注的重点。

图1 电动现象

水分子的极性使其易和水中溶解的阳离子结合形成水化阳离子，在外界电场作用下产生定向排列，同时粘土颗粒表面带一定的负电荷，在表面电荷电场的作用下，靠近土颗粒表面的极性水分子和水化阳离子因受到较强的电场引力作用而被土颗粒牢牢吸附，形成固定层，即强结合水层，强结合水因受较强的吸附作用不易排出；在紧贴固定层外面，极性水分子和水化阳离子受到的静电引力较小，分子间的扩散运动相对明显，形成扩散层，也叫弱结合水层，这层中水分子及水化阳离子仍受到静电引力的影响，因此普通的堆载预压和真空预压法不易将其排出，电渗法因其在土体中施加电压而将原有的静电平衡打破，可以达到排出弱结合水的效果。具体来说，离子在电场作用下发生迁移运动，并且拖拽周围的极性水分子一起移动，粘土颗粒的负电性使得离子较多地聚集在双电层中，且阳离子浓度要高于阴离子浓度，这使得阳离子转移的水量高于阴离子的转移量，于是在阳离子迁移方向产生净渗流，即电渗。也就是说，电渗的本质是电场作用下离子拖拽水分子的迁移动（图2）。

图2 电渗原理图

3 适用范围和特点

3.1 适用范围

各国学者基于室内试验、现场试验、工程应用以及计算理论等方面对电渗法展开了诸多研究，报道了其在各种土壤类型中的应用，包括有机质土、泥炭土、含油淤泥、工业尾矿、疏浚淤泥、吹填淤泥、废弃泥浆、海洋底泥、污染土、城市污泥等。可以看到，这些土壤均可归类为高含水量、低渗透性，也即一般认为电渗法适用于高含水量、低渗透性土体的加固，砂土采用传统地基处理方法即能达到较好处理效果，而盐渍土的高含盐量不利于电渗效果的发挥，因而一般认为电渗法不适于砂土或盐渍土的处理。

根据已有文献报道，笔者总结了电渗工程实例和试验中的数据，得到表1所示适宜电渗法的土体各参数大致范围。对于某特定场地地基，可以参考表1初步判定场地土壤是否适用于电渗法加固，再通过室内土工试验确定相关参数，如含水量、水力渗透系数、压缩系数以及含盐量、电导率等，并与表1中比较，然后确定是否适用。需要说明的是，表1中的数据仅为已有文献报道中各参数的范围，只能作为初步定性判断的参考，适用性的进一步判断和设计参数的确定还有赖室内模型试验。

表1 电渗法适用土壤各参数范围

主要参数	适宜范围
初始含水量w₀（%）	(0.6-1) w_L
塑性指数PI	5-30
水力渗透系数k_h（m/s）	10^-10~10^-8
体积压缩系数m_v（MPa^-1）	0.3-1.5
孔隙水含盐量（g NaCl/L）	<2
电导率σ（S/m）	0.005-0.5
粘粒含量<2μ（%）	>30

3.2 特点

用电渗法处理软土地基拥有很多有别于其他工法的特点，具体表现为。

（1）固结速度快。用传统的地基处理方法处理水力渗透系数很小的细颗粒土，如堆载预压或真空预压法，土体中的水不易排出从而用时过长，但电渗法的排水效果很好，这主要因为粘性土的电渗透系数k_e比水力渗透系数k_h大1~2个数量级。研究发现，k_h=1×10^-10m/s，k_e=5×10^-9m²/sV时，若要产生与单位电势梯度（V/m）相同的排水速率，水力坡度需为i_h=i_e·k_e/k_h=50。同时，比较电渗固结及常规的重力固结还发现若土体达到相同的含水量，电渗固结比常规的重力固结省时得多，假设k_h=1×10^-10m/s，k_e=5×10^-9m²/sV，电势梯度i_e=50V/m，水力坡度i_h=10，同时假设电渗固结达到某一固结度所用时间为t_e，则重力固结达到相同固结度所用时间为：t_h=（k_e×i_e）×t_e /（k_h×i_h）=250t_e。

（2）电渗法不会引起因软土承载力不足而发生的失稳现象。传统的堆载预压法由于载荷的单向性对于堆填方的加固可能会引起失稳现象，电渗固结虽然最终与堆载法所达到的使土固结的结果相似，但电渗排水时产生的是三维的孔隙水压力，不会引起土体的失稳。

（3）安全性高。电渗法所需要的电压不高，一般为30~160V之间，施工时可以划出安全隔离带，容易进行安全控制。

（4）金属材料作电极时，会腐蚀生成氧化物或是氢氧化物的胶体，形成电化学加固，使土体逐渐变得密实，电极周围，尤其是阳极周围土体提高的更明显，使土体的强度在一定程度上有所提高。另外，土体通电时存在发热现象，会蒸发其中的水分，使得土体含水量进一步降低。

4 总结

在我国，蓬勃发展的吹填造陆和疏浚工程为电渗加固技术的研究和应用提供了得天独厚的条件，也预示着电渗加固技术不可估量的工程应用前景。因此，进一步开展电渗加固技术相关研究和工程实践，降低能耗，改善效果，完善施工工艺，促进其大范围的实际工程应用，不仅对发展、完善该项技术有着至关重要的意义，也有着重大的实际工程意义，将会带来巨大的经济效益。

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