電滲固結法在軟土地基中的應用

黃耀意

（廣東省有色地質環境中心，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排水的一種地基處理方法。

土力學首次將電滲現象的概念引入是在1939年[1]，并首次將電滲技術成功應用于鐵路挖方工程中。隨著電滲技術的不斷發展，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。

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，他發現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，該項技術逐漸被人們所知悉，廣泛應用到了斜坡、堤岸、水壩的固結加固當中。后來人們還發現，電滲法不僅可以用于固結排水，還可以通過電滲技術，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]。

電滲法在國內的應用也有一定的發展：例如在圍海圍堰工程中[3]，吹填沙袋是常用的工程手段，其擁有固結快，抗沖刷能力強等優點，在實際生產當中大量應用。但其特殊性在于滲透系數要求大于或等于10-3cm/s。后來人們發現，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和電滲技術結合起來，先采用電滲法處理，使顆粒的海灣泥在短時間內完成固結，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，而且固結效果也特別好，達到了經濟適用的目的。

2 電滲固結的機理及其適用范圍

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

土體的動電現象包括電滲、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-電解質系統，電流和水流與梯度間的耦合作用是引起這四種動電現象的原因。其中，任何一種動電現象都涉及電、帶電的表面和液相的相對運動[5]。

電滲固結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生固結，土體體積逐漸減小并達到固結完成。

2.1 電滲固結的微觀機理

由土體的微觀結構可知：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，而結合水則緩慢排出。電場的作用下，在土體中會產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）中發生金屬溶解，陽極金屬溶解后強度降低。式（2）的反應產生了陽離子H3O+，陽極附近的pH值由于H3O+的產生而降低。酸性離子在陽極析出的同時，陰極產生堿性離子，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 電滲中的化學現象

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

2.2.1 電蝕現象

兩級在直流電的作用下，陽極處發生腐蝕，陰極處產生沉淀，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+，這些離子發生氧化反應，生成Al(OH)3、Fe(0H)等膠體，膠體會使土體體積產生很大的膨脹，對土體產生膨脹加密的作用，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，呈現酸性。

2.2.3 電解耗水

電解耗水在陰陽兩極均有發生，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，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、荷載固結緩慢的土體有較好的加固排水效果，特別是塑性狀態較差或者含水量極高的特殊土體，其固結排水效果更為明顯。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Ke和土體的水力傳導系數Kh很大程度決定了滲透效果的好壞。

電滲透系數Ke主要由ζ電位的大小所決定，與土顆粒大小無關，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 電滲的優缺點

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

3.1 優點

①固結速度快。常規方法對于滲透系數很小的黏性土土體，難以排除土中的水，達到固結的效果。但由于電滲系數Ke比水力傳導系數Kh大1個～2個數量級，電滲法對于該類土體的排水固結效果較好。②常用的堆載固結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，堆載固結容易引起土體失穩。電滲固結不需要重力堆載，但其最終固結效果與堆載固結相同，其原理是電滲產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。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，也不會出現安全事故。④在電滲固結的過程中，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生電化學反應生產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。但電極轉換技術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，現場通常需要對交流電進行轉換，另外，陰極處還需要加設排排水體，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、經濟費用等方面，綜合考慮電滲處理技術是否合理經濟可行。

4 總結

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

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

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