电渗法中排水固结理论与实践的若干问题

曹永华，高志义

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222

1 引言

电渗法是一种利用电能对地基进行加固的地基处理方法[1-6]。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试验研究为主，而现场应用却不多见。随着我国吹填造陆工程规模的不断扩大，吹填土料日趋紧张，越来越多的疏浚土料被用来进行造陆工程。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，比较适合对细颗粒土进行加固，因此电渗法很可能成为此类土的一种高效且造价可以承受的地基加固方法。从理论和应用上，电渗用于地基加固仍有若干问题需要进行研究与澄清，这是本文讨论的目的所在。

2 加固机理

电渗加固机理已经基本明朗[7-8]。土是固-液-气三相分散系。土的固相即土颗粒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。如果将汇聚于阴极的水不断排出，就可以降低地基土的含水率，如果再辅以一定的措施提高土骨架的密度，就能使土体强度不断提高。

以上是电渗法的排水加固机理，实际上，电渗加固中，在阴阳极会产生电解水作用，从而进一步降低土体含水率。因此，若采用不腐蚀材料（如电动土工合成材料）作为电极[9-10]，电渗可以看成一种排水固结法。当采用可腐蚀的金属材料作为电渗电极时，电渗加固机理还包括膨胀加密、电蚀等复杂的电化学作用，而电化学作用的效果还相当显著[8]。但由于电化学作用很难从理论上进行定量描述，因此，本文的讨论以电渗加固中的排水固结为主。

3 土性适用性

影响电渗排水固结的土性指标主要有土体电渗透系数、电阻率和水力渗透系数。

电渗透系数为单位电势梯度作用下土体中因电渗产生的渗透流速，其作用与常规排水固结法中的水力渗透系数作用相当。电渗透系数越大，电渗透流速越大，土体排水速度越快，因此强度增长越快。根据Helmholtz-Smoluchowsk理论，电渗透系数与孔隙比有关，与土颗粒的大小无关，有试验指出含水率和含盐量也会影响电渗透系数[11]。

土体电阻率会影响单位电流密度作用下的电势分布，如果土体电阻率过小，则在阴阳两极产生的电势差会很小，而阴阳两极的电势梯度与电渗透流速的大小是成正比的。实际加固工程中，过大的电流会引起诸多不便。一方面，过大的电流会导致阳极腐蚀速度过快，可能会在加固结束前电极既已腐蚀失效；另一方面，过大的电流会导致电能在导电线路上由于发热而产生过多的损耗，降低电能的利用率。有研究指出影响土电阻率的主要因素为：含水率、孔隙水的导电性、饱和度、土的种类[12]。值得注意的是，港口工程中经常遇到的土为吹填土，其电阻率通常较小，这会增加电渗加固的难度。

水力渗透系数也是影响电渗固结的重要因素。水力渗透系数影响着土体固结系数，从电渗固结理论来看，在电渗作用下，土体固结的速度（即固结度发展的速度）是被固结系数控制的，因此水力渗透系数越大，意味着土体固结越快，与电渗透系数无关。可以近似将电渗视为一种附加荷载，在电渗作用下，土体排水速度加快，但从固结度的大小来看，相同的加固时间与不加电渗的情况是相同的。

通过上面的讨论，似乎能得到一个结论：水力渗透系数大的土比较适合电渗加固，其实不尽然。首先，水力渗透系数大（常常表现为塑性指数小）的土，用常规的排水固结法（堆载预压、真空预压等）往往就能达到很好的加固效果，且较为经济；其次，对水力渗透系数大的土体进行电渗加固，若不能有效隔离周围水源，则电渗排水水体很容易就被水力渗透进来的水体所补充，达不到降低含水率的目的；最后，常规排水固结法只对土体中的游离水有效，电渗则可以排出部分弱结合水。水力渗透系数大的土常常颗粒较大，因此结合水占比重较小，而水力渗透系数小的土常常颗粒较小，结合水比重大。因此，对于细颗粒土，特别是到了加固后期，结合水的含量将很高，用常规排水固结法来加固效果较差，但用电渗来进行加固是比较理想的。当然，当水力渗透系数太小时，土中水体的排出会相当困难，如果仅考虑电渗的排水作用，加固周期太长。

因此，单从排水固结考虑，电渗法适合加固的是土体电渗透系数和电阻率较大、水力渗透系数适中的土体。

以上是从排水固结的方面分析的，必须指出，当采用可腐蚀的钢筋电极时，电化学作用的加固效果往往相当显著。对于高塑性的软土而言，其水力渗透系数常常很小，但用电渗可以收到很好的加固效果[8]，这是单考虑电渗的排水固结所不能解释的，必须考虑电化学作用。

4 等效加固荷载

如果不考虑电化学作用，可以将电渗视为排水固结法。作为一种排水固结法，工程技术人员常常把电渗与真空预压、堆载预压等常规排水固结法进行比较，并试图得到电渗的等效加固荷载。

根据电渗固结理论，对于理想的边界条件下，经过足够长的时间后，在土体中可以产生正或负的超静孔隙水压力，孔压的分布与电极布置形式和边界的透水性相关。对一维情况，当阴极排水、阳极不排水时，土体中孔压为负值，其分布为：

式中：u（x）为孔隙水压力；kh为水力渗透系数；γw为水的重度；V（x）为任意点的电势，假设阴极电势为零。

此超孔压为三角形分布（见图1），由于此超孔压为负压，因此必然引起土体有效应力的增长，导致土骨架变得密实，从而提高土体强度，此超孔压可以看成一种形式的加固荷载。从式（1）还可以看出，对于水力渗透系数较小的土体，其等效加固荷载反而更大。

一般来讲，要达到式（1）的超孔压是很困难的，一是边界条件不会非常理想，其次要达到此孔压分布，需要的时间很长。另外，电渗加固中土体的电阻率等参数发生了变化，几乎不可能出现式（1）的三角形分布。

因此基于排水固结理论的电渗设计一般只考虑电渗的排水作用，即只考虑电渗渗流部分。我们知道，排水固结法中土体强度的增长来自土体的固结，而固结包括渗流和土骨架的变形两部分。如果只有渗流而没有土骨架的变形，土体强度是很难增长的。因此，对于电渗加固，更为理想的加固方式是与其它方法的联合，以电渗或与其它方法的联合排出水分，以其它外力使土体骨架变密实。这也是电渗常常需要与真空预压或者强夯联合的原因[7-8，13]。

图1 一维电渗固结中超静孔隙水压力分布

5 电极材料

单从排水固结考虑，理想的电渗电极应该具备良好的导电性能，同时不发生电化学腐蚀。贵重金属如铂是非常理想的电极材料，但其价格昂贵，几乎不可能应用于地基处理。能导电的炭黑也似乎是较好的电极材料，但炭黑有强度和韧性较差，对发热敏感等缺点，因此适用性也受到了限制。

实际工程中更多采用的是钢筋或钢管电极，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、造价高等缺点。虽然法拉第电解定律可以得出电极腐蚀量和电流与加固时间的关系，但实际操作上，仍然很难预留合适的电极腐蚀量，因为加固周期很难确定。其原因在于土体电阻率和电渗透系数在加固中不为常数，很难通过理论公式计算出加固周期，因此就很难预留阳极的腐蚀量。预留少则导致电渗未加固完毕电极已经腐蚀失效，预留过多则产生浪费。

电动土工合成材料是近几年国际上出现的一种新型材料，可以作为电渗电极使用。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，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。

6 与其它方法的联合

真空预压联合电渗适用于塑性指数稍大的粘土和粉质粘土，对初始含水率较高的软土尤为适合[8]。纯电渗电能消耗大，用电渗来排真空预压就可以排出的自由水并不经济。在加固初期，被加固土体含水量很高，利用真空预压就可以较容易排出土中的自由水，无需使用电渗；到了加固后期，则可以利用电渗能够排出部分弱结合水的特点，进行真空预压联合电渗加固。真空荷载的存在，可以使电解产生的、聚集于电极处的氢气和氧气更容易逸出，从而减小界面电阻，减少在界面电阻上所消耗的电能。电渗过程中，土体中特别是阳极附近往往产生微裂缝，微裂缝处由于电阻率大，会过多地消耗电能。真空荷载对土体的作用近似为球应力，使土体产生向中心的聚集，因此有利于减少微裂缝的产生。

真空-电渗降水-低能量强夯也是一种有效的联合方法[13]，通过真空和电渗降水后，采用低能强夯提高土骨架密实度，从而提高土体强度。

7 相关实用技术

“电极转换”、“间歇通电”都是提高电渗能量利用率的实用技术，但还需要进行更加深入的研究。

由于电渗中土中水体自阳极向阴极运动，因此，电渗加固区域主要在阳极附近，实施“电极转换”后，原来阴极处的土体也能得到加固，因此“电极转换”能加强地基处理均匀性。另外，对于阳极腐蚀情况，由于“电极转换”使得电极能交替被腐蚀，因此能充分利用材料。

研究表明[8]，随着电渗的进行，由于阳极附近水份被疏干，因此阳极附近土体电阻率显著上升，这会导致电能过多地损耗在阳极附近，从而降低了电能利用率。间歇通电的作用在试验中得到了验证，间歇通电期（电流20 A，通8 h，停4 h） 电压的典型变化过程见图2。

图2 间歇通电时极间电压的变化

由图2可见，通电期间的8 h，极间电压显著升高。间歇4 h重新通电，初始极间电压显著下降，随着通电的进行，极间电压再次上升。在间歇期间，被疏干的阳极含水率升高，同时电解水汇集于电极表面的气泡得以散逸，从而减少了在电极与土间的电阻，因此间歇重新通电后，初始电压较上一次结束电压有所降低。由于间歇通电减小了接触电阻，因此也就减少了由于接触电阻导致的电能损耗，从而提高了电能利用效率。

8 需解决的问题

从应用的角度，电渗还需要解决造价和工艺两方面的问题。

当前电渗的加固成本还是很高的，降低造价可以从材料和电能两方面着手。从电极材料来讲，发展不腐蚀、可以重复利用的电极将有效节省电渗由于电极腐蚀导致的钢材损耗；降低电能损耗的主要方向是降低电极与土体接触处的电能损耗，研究表明此部分的电能损耗占总能耗的比例非常大[8]。“间歇通电”是降低此损耗的有效方法，除此外，采用化学方法也是途径之一[14]，但目前的研究非常少。

从工艺的角度，研究证明真空预压联合电渗是有效的加固高塑性软土的方法，但目前的研究仅限于室内模型试验阶段，应用到现场，尚需要解决工艺方面的问题。

9 结语

本文根据已有研究成果和工程应用情况，对电渗法排水固结在地基处理应用方面存在的几个主要问题进行了讨论。

影响电渗排水固结的土性指标主要有土体电渗透系数、电阻率和水力渗透系数。从排水固结考虑，电渗法适合加固的是土体电渗透系数和电阻率较大、水力渗透系数适中的土体。电渗加固中，无恒定的等效加固荷载，其大小与电势梯度、电渗透系数和水力渗透系数有关。电渗常常需要与常规排水固结法联合以提高土骨架密度和电能利用率。研制不腐蚀的材料对电渗加固具有重要意义。电极转换和间歇通电有利于减少电能在接触面的消耗，提高电能利用率。

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