電滲法中排水固結(jié)理論與實踐的若干問題

曹永華，高志義

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222

1 引言

電滲法是一種利用電能對地基進行加固的地基處理方法[1-6]。由于電滲法需要消耗大量的電能，因此，在很長一段時間內(nèi)，對電滲法的研究是以室內(nèi)試驗研究為主，而現(xiàn)場應(yīng)用卻不多見。隨著我國吹填造陸工程規(guī)模的不斷擴大，吹填土料日趨緊張，越來越多的疏浚土料被用來進行造陸工程。疏浚土往往具有細顆粒、高塑性、低滲透等特性，采用常規(guī)排水固結(jié)法加固這種地基時，初期效果比較顯著，但后期加固效果明顯下降，表現(xiàn)為后期沉降緩慢，加固后的強度值較小，加固效果并非十分理想。電滲加固效果對土顆粒大小并不敏感，比較適合對細顆粒土進行加固，因此電滲法很可能成為此類土的一種高效且造價可以承受的地基加固方法。從理論和應(yīng)用上，電滲用于地基加固仍有若干問題需要進行研究與澄清，這是本文討論的目的所在。

2 加固機理

電滲加固機理已經(jīng)基本明朗[7-8]。土是固-液-氣三相分散系。土的固相即土顆粒表面通常帶有負電荷，在外加電場作用下，向電勢高處運動，此現(xiàn)象稱為電泳；土的液相即土中水，它極易和被溶解的物質(zhì)如水中的陽離子結(jié)合成水化陽離子，在外加電場作用下，向電勢低處運動，此現(xiàn)象稱為電滲。如果將匯聚于陰極的水不斷排出，就可以降低地基土的含水率，如果再輔以一定的措施提高土骨架的密度，就能使土體強度不斷提高。

以上是電滲法的排水加固機理，實際上，電滲加固中，在陰陽極會產(chǎn)生電解水作用，從而進一步降低土體含水率。因此，若采用不腐蝕材料（如電動土工合成材料）作為電極[9-10]，電滲可以看成一種排水固結(jié)法。當采用可腐蝕的金屬材料作為電滲電極時，電滲加固機理還包括膨脹加密、電蝕等復(fù)雜的電化學(xué)作用，而電化學(xué)作用的效果還相當顯著[8]。但由于電化學(xué)作用很難從理論上進行定量描述，因此，本文的討論以電滲加固中的排水固結(jié)為主。

3 土性適用性

影響電滲排水固結(jié)的土性指標主要有土體電滲透系數(shù)、電阻率和水力滲透系數(shù)。

電滲透系數(shù)為單位電勢梯度作用下土體中因電滲產(chǎn)生的滲透流速，其作用與常規(guī)排水固結(jié)法中的水力滲透系數(shù)作用相當。電滲透系數(shù)越大，電滲透流速越大，土體排水速度越快，因此強度增長越快。根據(jù)Helmholtz-Smoluchowsk理論，電滲透系數(shù)與孔隙比有關(guān)，與土顆粒的大小無關(guān)，有試驗指出含水率和含鹽量也會影響電滲透系數(shù)[11]。

土體電阻率會影響單位電流密度作用下的電勢分布，如果土體電阻率過小，則在陰陽兩極產(chǎn)生的電勢差會很小，而陰陽兩極的電勢梯度與電滲透流速的大小是成正比的。實際加固工程中，過大的電流會引起諸多不便。一方面，過大的電流會導(dǎo)致陽極腐蝕速度過快，可能會在加固結(jié)束前電極既已腐蝕失效；另一方面，過大的電流會導(dǎo)致電能在導(dǎo)電線路上由于發(fā)熱而產(chǎn)生過多的損耗，降低電能的利用率。有研究指出影響土電阻率的主要因素為：含水率、孔隙水的導(dǎo)電性、飽和度、土的種類[12]。值得注意的是，港口工程中經(jīng)常遇到的土為吹填土，其電阻率通常較小，這會增加電滲加固的難度。

水力滲透系數(shù)也是影響電滲固結(jié)的重要因素。水力滲透系數(shù)影響著土體固結(jié)系數(shù)，從電滲固結(jié)理論來看，在電滲作用下，土體固結(jié)的速度（即固結(jié)度發(fā)展的速度）是被固結(jié)系數(shù)控制的，因此水力滲透系數(shù)越大，意味著土體固結(jié)越快，與電滲透系數(shù)無關(guān)?？梢越茖㈦姖B視為一種附加荷載，在電滲作用下，土體排水速度加快，但從固結(jié)度的大小來看，相同的加固時間與不加電滲的情況是相同的。

通過上面的討論，似乎能得到一個結(jié)論：水力滲透系數(shù)大的土比較適合電滲加固，其實不盡然。首先，水力滲透系數(shù)大（常常表現(xiàn)為塑性指數(shù)?。┑耐?，用常規(guī)的排水固結(jié)法（堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓等）往往就能達到很好的加固效果，且較為經(jīng)濟；其次，對水力滲透系數(shù)大的土體進行電滲加固，若不能有效隔離周圍水源，則電滲排水水體很容易就被水力滲透進來的水體所補充，達不到降低含水率的目的；最后，常規(guī)排水固結(jié)法只對土體中的游離水有效，電滲則可以排出部分弱結(jié)合水。水力滲透系數(shù)大的土常常顆粒較大，因此結(jié)合水占比重較小，而水力滲透系數(shù)小的土常常顆粒較小，結(jié)合水比重大。因此，對于細顆粒土，特別是到了加固后期，結(jié)合水的含量將很高，用常規(guī)排水固結(jié)法來加固效果較差，但用電滲來進行加固是比較理想的。當然，當水力滲透系數(shù)太小時，土中水體的排出會相當困難，如果僅考慮電滲的排水作用，加固周期太長。

因此，單從排水固結(jié)考慮，電滲法適合加固的是土體電滲透系數(shù)和電阻率較大、水力滲透系數(shù)適中的土體。

以上是從排水固結(jié)的方面分析的，必須指出，當采用可腐蝕的鋼筋電極時，電化學(xué)作用的加固效果往往相當顯著。對于高塑性的軟土而言，其水力滲透系數(shù)常常很小，但用電滲可以收到很好的加固效果[8]，這是單考慮電滲的排水固結(jié)所不能解釋的，必須考慮電化學(xué)作用。

4 等效加固荷載

如果不考慮電化學(xué)作用，可以將電滲視為排水固結(jié)法。作為一種排水固結(jié)法，工程技術(shù)人員常常把電滲與真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓等常規(guī)排水固結(jié)法進行比較，并試圖得到電滲的等效加固荷載。

根據(jù)電滲固結(jié)理論，對于理想的邊界條件下，經(jīng)過足夠長的時間后，在土體中可以產(chǎn)生正或負的超靜孔隙水壓力，孔壓的分布與電極布置形式和邊界的透水性相關(guān)。對一維情況，當陰極排水、陽極不排水時，土體中孔壓為負值，其分布為：

式中：u（x）為孔隙水壓力；kh為水力滲透系數(shù)；γw為水的重度；V（x）為任意點的電勢，假設(shè)陰極電勢為零。

此超孔壓為三角形分布（見圖1），由于此超孔壓為負壓，因此必然引起土體有效應(yīng)力的增長，導(dǎo)致土骨架變得密實，從而提高土體強度，此超孔壓可以看成一種形式的加固荷載。從式（1）還可以看出，對于水力滲透系數(shù)較小的土體，其等效加固荷載反而更大。

一般來講，要達到式（1）的超孔壓是很困難的，一是邊界條件不會非常理想，其次要達到此孔壓分布，需要的時間很長。另外，電滲加固中土體的電阻率等參數(shù)發(fā)生了變化，幾乎不可能出現(xiàn)式（1）的三角形分布。

因此基于排水固結(jié)理論的電滲設(shè)計一般只考慮電滲的排水作用，即只考慮電滲滲流部分。我們知道，排水固結(jié)法中土體強度的增長來自土體的固結(jié)，而固結(jié)包括滲流和土骨架的變形兩部分。如果只有滲流而沒有土骨架的變形，土體強度是很難增長的。因此，對于電滲加固，更為理想的加固方式是與其它方法的聯(lián)合，以電滲或與其它方法的聯(lián)合排出水分，以其它外力使土體骨架變密實。這也是電滲常常需要與真空預(yù)壓或者強夯聯(lián)合的原因[7-8，13]。

圖1 一維電滲固結(jié)中超靜孔隙水壓力分布

5 電極材料

單從排水固結(jié)考慮，理想的電滲電極應(yīng)該具備良好的導(dǎo)電性能，同時不發(fā)生電化學(xué)腐蝕。貴重金屬如鉑是非常理想的電極材料，但其價格昂貴，幾乎不可能應(yīng)用于地基處理。能導(dǎo)電的炭黑也似乎是較好的電極材料，但炭黑有強度和韌性較差，對發(fā)熱敏感等缺點，因此適用性也受到了限制。

實際工程中更多采用的是鋼筋或鋼管電極，其電蝕作用雖然有利于土體強度的增長，但存在不好控制加固周期、造價高等缺點。雖然法拉第電解定律可以得出電極腐蝕量和電流與加固時間的關(guān)系，但實際操作上，仍然很難預(yù)留合適的電極腐蝕量，因為加固周期很難確定。其原因在于土體電阻率和電滲透系數(shù)在加固中不為常數(shù)，很難通過理論公式計算出加固周期，因此就很難預(yù)留陽極的腐蝕量。預(yù)留少則導(dǎo)致電滲未加固完畢電極已經(jīng)腐蝕失效，預(yù)留過多則產(chǎn)生浪費。

電動土工合成材料是近幾年國際上出現(xiàn)的一種新型材料，可以作為電滲電極使用。它既可以作為排水通道，又可以作為不腐蝕電極使用，可以使電滲加固易于控制，是電滲電極發(fā)展的一種新的思路，可能會對電滲技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生積極的影響。國內(nèi)也進行了相關(guān)的研究工作，但未見成熟的技術(shù)方案。

6 與其它方法的聯(lián)合

真空預(yù)壓聯(lián)合電滲適用于塑性指數(shù)稍大的粘土和粉質(zhì)粘土，對初始含水率較高的軟土尤為適合[8]。純電滲電能消耗大，用電滲來排真空預(yù)壓就可以排出的自由水并不經(jīng)濟。在加固初期，被加固土體含水量很高，利用真空預(yù)壓就可以較容易排出土中的自由水，無需使用電滲；到了加固后期，則可以利用電滲能夠排出部分弱結(jié)合水的特點，進行真空預(yù)壓聯(lián)合電滲加固。真空荷載的存在，可以使電解產(chǎn)生的、聚集于電極處的氫氣和氧氣更容易逸出，從而減小界面電阻，減少在界面電阻上所消耗的電能。電滲過程中，土體中特別是陽極附近往往產(chǎn)生微裂縫，微裂縫處由于電阻率大，會過多地消耗電能。真空荷載對土體的作用近似為球應(yīng)力，使土體產(chǎn)生向中心的聚集，因此有利于減少微裂縫的產(chǎn)生。

真空-電滲降水-低能量強夯也是一種有效的聯(lián)合方法[13]，通過真空和電滲降水后，采用低能強夯提高土骨架密實度，從而提高土體強度。

7 相關(guān)實用技術(shù)

“電極轉(zhuǎn)換”、“間歇通電”都是提高電滲能量利用率的實用技術(shù)，但還需要進行更加深入的研究。

由于電滲中土中水體自陽極向陰極運動，因此，電滲加固區(qū)域主要在陽極附近，實施“電極轉(zhuǎn)換”后，原來陰極處的土體也能得到加固，因此“電極轉(zhuǎn)換”能加強地基處理均勻性。另外，對于陽極腐蝕情況，由于“電極轉(zhuǎn)換”使得電極能交替被腐蝕，因此能充分利用材料。

研究表明[8]，隨著電滲的進行，由于陽極附近水份被疏干，因此陽極附近土體電阻率顯著上升，這會導(dǎo)致電能過多地損耗在陽極附近，從而降低了電能利用率。間歇通電的作用在試驗中得到了驗證，間歇通電期（電流20 A，通8 h，停4 h） 電壓的典型變化過程見圖2。

圖2 間歇通電時極間電壓的變化

由圖2可見，通電期間的8 h，極間電壓顯著升高。間歇4 h重新通電，初始極間電壓顯著下降，隨著通電的進行，極間電壓再次上升。在間歇期間，被疏干的陽極含水率升高，同時電解水匯集于電極表面的氣泡得以散逸，從而減少了在電極與土間的電阻，因此間歇重新通電后，初始電壓較上一次結(jié)束電壓有所降低。由于間歇通電減小了接觸電阻，因此也就減少了由于接觸電阻導(dǎo)致的電能損耗，從而提高了電能利用效率。

8 需解決的問題

從應(yīng)用的角度，電滲還需要解決造價和工藝兩方面的問題。

當前電滲的加固成本還是很高的，降低造價可以從材料和電能兩方面著手。從電極材料來講，發(fā)展不腐蝕、可以重復(fù)利用的電極將有效節(jié)省電滲由于電極腐蝕導(dǎo)致的鋼材損耗；降低電能損耗的主要方向是降低電極與土體接觸處的電能損耗，研究表明此部分的電能損耗占總能耗的比例非常大[8]?！伴g歇通電”是降低此損耗的有效方法，除此外，采用化學(xué)方法也是途徑之一[14]，但目前的研究非常少。

從工藝的角度，研究證明真空預(yù)壓聯(lián)合電滲是有效的加固高塑性軟土的方法，但目前的研究僅限于室內(nèi)模型試驗階段，應(yīng)用到現(xiàn)場，尚需要解決工藝方面的問題。

9 結(jié)語

本文根據(jù)已有研究成果和工程應(yīng)用情況，對電滲法排水固結(jié)在地基處理應(yīng)用方面存在的幾個主要問題進行了討論。

影響電滲排水固結(jié)的土性指標主要有土體電滲透系數(shù)、電阻率和水力滲透系數(shù)。從排水固結(jié)考慮，電滲法適合加固的是土體電滲透系數(shù)和電阻率較大、水力滲透系數(shù)適中的土體。電滲加固中，無恒定的等效加固荷載，其大小與電勢梯度、電滲透系數(shù)和水力滲透系數(shù)有關(guān)。電滲常常需要與常規(guī)排水固結(jié)法聯(lián)合以提高土骨架密度和電能利用率。研制不腐蝕的材料對電滲加固具有重要意義。電極轉(zhuǎn)換和間歇通電有利于減少電能在接觸面的消耗，提高電能利用率。

[1] Esrig M I，Gemeinhardt J P.Electrokinetic stabilization of an illitic Clay[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1967，93SM3（5）：109-128.

[2] Fetzer C A.Electroosmotic stabilization of west branch dam[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1967，93 SM4（7）：85-106.

[3] Bjerrum L，Moum J，Eide O.Application of electro-osmosis to a foundation problem in Norweygian quick clay[J].Geotechnique，1967，17：214-235.

[4] Casagrande L.Stabilization of soils by means of electroosmotic state-of-art[J].Journal of Boston Society of Civil Engineering，ASCE，1983，69（3）：255-302.

[5] Mohamedelhassan E，Shang J Q.Feasibility assessment of electroosmotic consolidation on marine[J].Ground Improvement，2002，G106（4）：145-152.

[6] Su J Q，Wang Z.The two-dimensional consolidation theory of electro-osmosis[J].Geotechnique，2003，53（8）：759-763.

[7] 高志義，張美燕.真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法室內(nèi)模型試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2000（5）：58-61.

[8] 曹永華，高志義.電滲法加固軟土地基的室內(nèi)試驗研究[R].中交天津港灣工程研究院有限公司，2007.12.

[9] Glendinning S，Jones C J F P，Pugh R C.Reinforced soil using cohesive fill and electrokinetic geosynthetics[J].International Journal of Geomechanics，2005，5（2）：138-146.

[10] Nettleton I M，Jones C J F P，Clark E B G，Hamir R.Electrokinetic geosynthetics and their applications[C]//The Sixth International Conference on Geosynthetics.USA，1998：871-876.

[11] Laursen S.Laboratory investigation of electroosmosis in bentonites and natural clays[J].Canadian Geotechical Journal，1997，34（5）：664-671.

[12] 劉國華，王振宇，黃建平.土的電阻率特性及其工程應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報，2004，26（1）：82-87.

[13] 劉鳳松，劉耘東.真空-電滲降水-低能量強夯聯(lián)合軟弱地基加固技術(shù)在軟土地基加固中的應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2008，（5）：43-47.

[14] Burnotte F，Lefebvre G，Grondin G.A case record of electroosmotic consolidation of soft clay with improved soil-electrode contact[J].Canadian Geotechical Journal，2004，41（6）：1 038-1 053.