电渗法加固软土地基研究现状及展望

刘睿 傅少君,2 张瑞 赵斌

(1.西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室 陕西西安 710123；2.武汉大学 土木建筑工程学院 湖北武汉 430072； 3.辽宁省第五地质大队有限责任公司 辽宁营口 115100)

0 引言

随着人口数量与城镇规模的逐渐增加，土地资源供需矛盾成为影响人类生活与发展的主要问题，为了解决这一问题，许多沿海城市通过填海造地来扩展土地面积。沿海土体通常以软土为主，软土具有含水量高、孔隙比大、渗透性低、压缩性高、承载力低等特点，若不进行适当的地基处理，其承载力与稳定性很难达到施工要求。过大的工后沉降会影响建筑物的寿命周期，甚至威胁到人类的生命安全与财产，因此有必要针对软土地基进行适当的地基处理。常用的软土地基处理方法为排水固结法，包含真空预压法、降水预压法、堆载预压法、电渗固结法等。然而，真空预压与降水预压对处理边界的施工要求高，排水固结速率受土体水力传导系数的影响，有时难以达到预期加固的目的。堆载预压受限于堆载材料的来源及有可能导致的地基失稳，不适用于短工期情况。电渗固结法可以短时高效地提高地基承载力，并且不会产生地基失稳等现象，是目前应用前景较好的处理方法。

电渗固结法的基本原理，是通过在土体中插入电极并接通电源，在电场力的作用下，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，并拖拽周围的极性水分子运移，从而形成电渗渗流。由于水分子逐渐向阴极排出，土体会产生负孔隙水压力，即正的有效应力，土体在自重应力和负孔隙水压力的共同作用下逐渐固结，土体的强度不断增高，地基承载力得到增强。由于电渗固结法电能消耗量大、电极材料易腐蚀、后期排水效率下降等因素，在一定程度上制约了其发展。近年来，随着科技水平的逐渐提高，新材料的不断涌现、电渗加固机理的不断完善，电渗排水固结法引起了学术界和工程界的广泛关注。

1 电渗法加固机理

电渗的加固机理包括两个方面：一方面，由于外加电场土体中的孔隙水被电场拖拽排出土体，使软土地基固结，强度提高；另一方面，由于外加电场土体中不仅会引起电渗、电泳、电迁移等一系列电动现象，同时还会引起复杂的物理化学反应，如电极的腐蚀、水的电解、离子交换、离子扩散和运移等[1-2]。

1.1 排水固结机理

软土含有丰富的矿物质，如高岭石、蒙脱石和伊利石，其表面带有不平衡的电荷，通常而言土体呈电中性，但由于复杂的自然环境，其表面往往带负电荷。在该负电荷的作用下，软土颗粒周围通常会吸附一层带相反电荷的粒子。水分子在空间结构上极易被周围的离子影响，形成为一种极性水分子，吸附在土体表面，形成双电层。通过电渗法给土体施加一个外加电场，能打破扩散层中原有的静电平衡，带动着扩散层内的阴离子和阳离子定向移动。由于软土颗粒表面静电力和吸附力较大，扩散层内的阳离子数量大于阴离子的数量，且扩散层较厚，在电场力的作用下，阳离子向阴极移动拖拽极性水分子向阴极定向流动，从而减少扩散层的厚度，弱结合水摆脱原本土粒的静电力和吸附力排出土体。

1.2 化学加固机理

当金属材料作为电极使用时，电极的腐蚀主要发生在阳极处，通电后阳极发生了电极的氧化还原反应并伴随水的电解反应，生成金属离子和氢离子；阴极处主要发生水的电解反应，生成氢氧根离子。当采用惰性电极作为电极材料时，通电后的阴极和阳极主要发生水的电解反应。氢离子和氢氧根离子的运移会改变土体的酸碱度，金属阳离子和氢离子在电场作用下向阴极运移，金属阳离子进入土体后，会与软土本身含有的阳离子发生离子交换反应。另外，电解产生的氢离子可能使孔隙水逐渐变为酸性，进而导致一些土体中的矿物质分解，产生的酸性离子与土体中的阳离子反应产生胶体，这种胶体可以增强土体之间的粘结作用，提高土体强度。水电解产生的氢氧根离子使阴极附近的孔隙水变为碱性，在电场的作用下，土中的阳离子和阳极氧化还原反应产生的金属阳离子会逐渐向阴极移动，产生氢氧化物，而这些氢氧化物会进一步促进软土的胶结，提高土体强度。

2 电渗法控制因素研究

2.1 电势梯度

电势梯度一般作为外加电场的衡量指标，在电渗处理软土地基中外加电场的设定尤为重要。

Kaniraj等[3]针对两种泥炭土和一种有机质黏质粉土进行电渗排水试验，发现电渗排水总量与电势梯度大小成正相关关系。由于电势梯度大导致电渗渗流速度快，含水率降低得也较快，因此有效的电势梯度衰减得较快[4]，导致在试验后期，电渗渗流速度与外加电势梯度不成正比。Hamira等[5]在针对高岭土的电渗排水试验中，发现电渗排水量与电势梯度不成正比。

此外，土体温度随电势梯度的增高而增高，因此在电渗排水处理淤泥时，高电势梯度可以增强土体的干燥效果，但过高的电压也会造成大量的电能消耗。Estabragh等[6]和李瑛[7]，通过电渗排水试验，均发现低电压下对应的电渗透系数较高。

另外，电渗过程中土体含水量逐渐减少会使电阻率增大，使土体出现一些干燥和开裂，导致电势损失增加，严重制约了电渗排水法在软土地基固结中的应用[8-9]；Bjerrum等[10]开展的电渗试验中阳极处的电势损失为52%；Lo等[11]所开展的电渗试验中，阳极处电势损失为25%；Mohamedelhassan和Shang[12]用不同电极材料开展电渗试验，结果表明阳极处的电势损失分别为24%、9%和10%；陶燕丽等[13]对比了铜电极和铁电极的电渗效果，两种电极阳极附近的电势损失分别在83%和23%。这些结果都说明了电渗过程中，在阳极附近电压折损严重，土体中的有效电势急剧下降，导致电渗后期的排水效率下降。

2.2 通电方式

通电方式方面，主要有持续通电、间歇通电和电极反转3种方式，一般试验研究采用电势梯度范围在0.1～2.0V/cm内，为了兼顾处理结果，根据实际情况取最优的电压值。

龚晓南等[14]根据对间歇通电和持续通电进行对比，发现在相等的通电时长下，间歇通电的电渗处理效果相对均匀，但排水量偏小，且能耗系数较大。Mohamedelhassan和Shang等[12]认为间歇通电可以减少电极腐蚀和能量消耗。Lockhart等[15]认为持续通电的排水量高于间歇通电的排水量。相反，Rabie[16]认为在消耗相同的电能时，持续通电的排水量低于间歇通电的排水量，并且间歇通电的排水量高出20%～40%。

Reddy等[17]对多芳烃污染土进行电渗试验，通过对比持续通电和间歇通电，得出间歇通电时对污染土冲击较大，去除污染物的效果较好。刘飞禹等[9]采用逐级加压的通电方式进行电渗试验，认为合理的电压加载方法能够降低能耗，而郑凌逶[18]认为逐级加压之所以总体能耗不高，是因为初期的低电压能耗低，并且逐级加压会加快渗流速度，使土体含水率分布不均匀，造成阳极附近土体产生裂缝。Shang等[19]进行电极反转电渗试验，认为电极的反转有利于土体均匀加固。

陈卓[20]采用模型试验测试了电极反转的结果，得出反转周期短，其排水固结的均匀性差于常规通电方式。而Lo等[21]通过电渗试验指出电极反转后排水量增加，且土体强度的均匀性也有所提高。目前，通电方式的选择还需进一步地进行电渗试验使其得到优化。

2.3 电极材料

常用的电极材料包括活性电极和惰性电极两种，活性电极包括铜、铁、铝等常见金属材料，惰性电极主要有石墨和不锈钢等。

Lockhart[22]通过对高岭土开展电渗试验，试验结果说明铜电极比石墨电极的排水效果好。

陶燕丽等[23]通过对比金属材料和惰性材料，发现石墨在有效电势上表现更好。

Mohamedelhassan和Shang[12]通过模型试验对比了石墨、钢和铜3种电极的电渗效果，发现活性电极较惰性电极的电势损失小。

王协群等[24]对比了铁、铜、铝3种金属的电渗试验效果，试验结果3种电极均腐蚀严重。

Mohamad等[25]采用铁、铜、铝3种金属电极进行电渗试验，结果表明三者的排水量基本相同，而Xue等[26]则认为铁电极最佳，其排水量最大，并且有效电势梯度下降较慢。

Wu等[27]通过对蒙脱土开展电渗排水试验，对比了铜、铁、石墨和不锈钢4种电极的电渗排水效果，发现铜阳极的排水效果最好。

总结上述结果，惰性电极的电渗排水效果不如活性电极，但是惰性电极不存在电极腐蚀的缺点。而对于不同的活性电极，电场作用下电极的腐蚀较大，并且某些金属离子会引起一些土体污染问题。目前没有固定的结论得出哪种电极材料的效果更好，还需针对不同的土体进行电渗试验深入研究，得出最优电极材料。

2.4 电极布置形式

电极布置形式是影响电渗效果的关键因素之一，常用的布置形式有长方形、梅花形和平行错位。Casagrande[28]最早在电渗加固试验中关于电极排布给出了建议，认为平行错位排布效果最好。Alshawabken等[29]认为在二维情况下，可按电场强度将处理区域分为有效电场和无效电场，从而提出有效电场面积比概念。Tao等[30]对杭州淤泥进行了长方形、梅花形、平行错位3种电极布置形式的电渗效果，结果显示梅花形布置形式较矩形布置电渗效果更好，电场分布更均匀，电极的利用率较高。李一雯等[31]采用长方形、梅花形和平行错位3种电极布置形式对杭州淤泥质土进行了电渗试验，发现平行错位布置形式排水效果最佳，但电势损失较大。Glendinning等[32]比较了长方形和梅花形的电极布置方式下的电渗效果，指出两种布置方式下含水率和强度的变化相当、而梅花形能耗更小。王柳江[33]对长方形、梅花形和平行错位3种电极布置形式进行了模型试验研究，得出梅花形排水效果较好。在实际工程中，还需根据成本、处理要求、方案实施可行性等进行综合考虑确定电极排列形式。

2.5 土体含水量、含盐量及pH值

土体含水量直接影响着电渗加固软土地基效果。当土体处于饱和状态时，土体含水率和孔隙率成正比关系，并且决定了土体的电阻率值。

吴辉[34]研究了不同含水率条件下高岭土的电渗排水规律，得出土体初始含水率越高的情况下其电渗排水体积越大。电渗的过程实际是双电层和孔隙水中阳离子拖拽极性水分子移动的过程，可见阳离子越多，电渗排水速率就越大。

Bjerrum等[10]认为低含盐量软土的电渗处理能耗更低，在减少土体含水率的同时可成倍提高土的抗剪强度。

李瑛[35]研究了电渗排水与土体含盐量的关系，分别从排水量、排水速率等方面进行了对比分析，结果说明含盐量对软黏土的电渗排水效果有很大影响，并且存在一个最佳含盐量使能量消耗最小、土体出水量大。当含盐量在0.25%～1.0%时，能耗系数与含盐量大致呈正相关；含盐量小于此值时，能耗系数不随通电时间改变。

石振明等[36]在蒙脱土中混入不同含量的NaCl，发现含量为0.5%时其电渗渗透系数越大，加固效果越好。

刘飞禹等[37]在土体中混入CaCl2，结果表明在阳极处添加CaCl2的排水效果好于在阴极添加CaCl2。

Liu[38]对NaCl、KCl和CaCl23种盐分进行电渗排水试验，经过对比发现NaCl和KCl在含盐量为0.25%时排水量最高，CaCl2在含盐量为1%时排水量最高，结果表明不同种类的土体由于矿物质的组成成分不同，其对应的最优排水量下含盐量也有所不同。

pH值的增减，主要是由于土体中所含盐分所带的电荷不同而增高或降低。pH值对zeta电位大小影响最为显著，zeta电位的绝对值随pH值的升高而升高[39]，对电极附近电渗的效果有一定的影响。根据H-S理论，当阳极pH值过低时，酸化会降低土颗粒表面负电荷，使其转变为正电荷，影响电动电势，进而减少电渗渗流。过度酸化甚至会引起电渗渗流反向，即从阴极流向阳极。

Alshawabkeh[40]研究了电极附近pH变化对电渗的影响，表明了阳极过酸会够削弱电渗效果。而过高或过低的pH值分别在阴阳两极聚集更多或更少的H+和OH-，产生一个相反的zeta电位势能，影响电渗渗透系数。

Beddiar[41]使用含有氯化钠高岭土来进行室内试验，结果发现试验中电渗渗透系数随土的酸碱度变化，孔压、水力传导系数也受pH的影响。

3 电渗固结试验与数值模拟研究

3.1 试验研究

为了探讨电渗固结方法对土体的固结效果，学者们通过开展模型试验或原位试验进行系统的研究。

Micic等[42]设计了耦合竖向堆载与水平电渗的试验设备，研究表明外荷载与间歇通电可以提高电渗排水效率。

Abdullah等[43]与Ou等[44]通过监测了土体在电极处添加电解液后离子种类与物理性质的变化，并提高了土体强度。

Xue等[45]研究了电压与温度对海相黏土电渗固结效果的影响，指出阳极腐蚀会造成电压损失，高电压与温度会减少土体含水率，增加土体抗剪强度。

Cameselle[46]采用模型试验研究了污染土的电动力修复特征，指出电势梯度对电渗渗流与土体化学性质的影响较大，有机酸可以促进污染土的电动修复。

王宁伟等[47]研究了电极排布方式对电渗效果的影响，得出平行错位的电极布置形式能取得较好的电渗效果，阴极周围所围绕的阳极数量越多、电渗排水效果越好。

为了增强电渗固结效果，孙召花等[48]、符洪涛等[49]、乐丛欢等[50]等研究了真空预压与动力强夯联合电渗处理黏性土地基方法，当达到最佳临界含水率后，采用真空联合电渗法可以加快地基排水速度。

臧俊超等[51]基于电渗试验对易溶盐对黏土固结特性的影响进行了研究，指出电源电极差对电渗加固效果起主要作用，当离子浓度条件与电场条件均处于最佳状态电渗的排水速率达到最大。

胡黎明等[52]研究了不同电极材料与电压加载方式对土体电渗固结的影响，合理的逐级加载电压方式能降低电能消耗，提高电渗排水量及后期电渗效率。

3.2 数值模拟

随着数值计算的发展，有限元和有限差分等数值模拟方法也成功应用于电渗固结排水过程预测中。

Lewis和Humpheson[53]利用有限元数值解法得到了电渗固结的理论解，解释了电场作用下的水头分布，分析了地下水位在电场作用下的变动情况。

吴伟令[54]基于比奥固结理论建立了电渗加固的三维理论模型，将渗流场、应力变场、电场耦合起来，基于该理论模型发展了数值计算模型并对堆载-电渗联合的二维模型进行了分析。

王柳江等[55]发展了电场、渗流场和应力耦合的电渗固结数值分析方法，模型考虑了非饱和区的影响。

Wu[56]等在电渗固结排水数值模拟中考虑了排水过程中土体力学参数的非线性变化，发现考虑土体力学参数的非线性变化度计算得到超静孔压变化以及固结度曲线具有较大影响。

Zhou等[57]通过有限差分方法对一维电渗问题进行了分析，分析中考虑了土体物理力学参数的非线性变化。

Yuan和Hicks[58]对大变形条件下的电渗固结问题进行了有限元分析，将得到的数值模型与实际应用进行对比后，发现该方法得到了更可靠的预测结果。

庄艳峰和王钊等[59]研究了数值电渗方向下软土的一维电渗理论，之后从能量的角度建立了电渗的电荷累计理论和能级梯度理论，并计算出电渗过程中累计排水量、孔压分布、能量消耗等指标的表达式。

4 工程应用

电渗法适用于含水量高、孔隙比大、渗透性低、压缩性高、承载力低的淤泥、软土等，特别适用于流塑状态下土体的固结排水。早在1939年，德国某铁路工程中便将电渗固结法成功使用于边坡开挖中[60]，意大利比萨斜塔软土地基的纠偏方案中也同样用到了电渗固结法[61]。新加坡填海工程中，通过使用电渗排水固结法，地基强度明显提高[62]。而在国内，也有大量实际工程得到了良好的应用，且逐步向多个领域扩展，如矿山胶结充填料的脱水、铁路路基的整治、淤混凝土的防潮滤水等。刘凤松等[63]利用了真空联合电渗及低能量强夯法，在广州造船基地某处的处理为工期的加快提供了可行方案。电渗法加固软土地基不仅可以单独使用，还可以联合其他工法进行地基处理。电渗法联合真空预压法处理地基，可使土体的被动排水变为主动排水，充分排出土体中的自由水和结合水，并且可以弥补真空预压法在深层地基中排水加固的不足。电渗法联合堆载预压法处理软土地基，可以大大减少传统堆载预压法处理地基工期较长的问题，并且可以减少电渗法排水时土体由于电阻率增大而产生的裂缝。电渗法联合强夯处理地基时，可以先使用电渗法使土体有饱和变为非饱和，再联合强夯处理出饱和土体，两法可交替进行，直至符合工程要求。如今如何高效地加快施工工期已经成为关注的要点之一，电渗法加固软土地基的方式在工程上的应用还有很大的发展空间，并且在其他领域也有较大的应用前景。

5 电渗法存在问题及展望

近年来，电渗固结法得到了快速发展。然而，电渗加固软土地基技术仍处于探索阶段，其在实际工程中的推广应用需要更系统与深入的研究。针对目前电渗固结法研究现状，主要存在以下问题： ①电极腐蚀现象。电极腐蚀和电能的浪费引起电渗效率降低，并且由于地下水的毛细作用，电渗过程中发生的电极反应生成物会随着电渗作用进入土体中，对周围地下造成污染。②电渗法对土体的加固不均匀。由于含水率的降低、电阻率的减少，产生了一些裂缝，裂缝影响电场分布，增加电渗排水难度，影响土体加固均匀性。③现阶段电渗法费用较高。由于电极的腐蚀和电势损失在一定程度上加大电渗法加固的费用，需要从效果和费用上综合考虑电渗法的使用是否经济合理。④合理设计计算方法欠缺。已有电渗固结理论虽然可以考虑多种因素的影响，但较为复杂，难以直接应用于电渗法工程实践。

为了推广电渗固结法的工程应用，结合现有研究成果，凝练关键科学问题，未来期望从以下几方面开展电渗固结研究：①土体电渗微观机理研究。通过开展微观结构、化学成分、矿物成分、颗粒表面电荷与双电层性质等电渗微观机理研究，使电渗法在微观机理研究上得到补充。②电渗固结现场试验研究。目前已有研究成果大部分基于室内模型试验，与实际工程应用结合还不够完善，开展电渗现场试验可以为理论和数值分析提供大量实验数据，矫正和提高理论与数值模拟的预测能力。③新型电极材料研究。抗腐蚀、易导电、低成本的电极材料的研究开发是电渗加固技术大面积推广应用的前提条件，如在已有的EKG电极上结合导电高分子材料进行研究，服务于实际工程。④纳米材料促进电渗固结试验研究。基于不同性质的土体，掺入混合纤维法(如纳米材料)以及电渗注入盐溶液(如环保型溶液等)，完善电渗透系数和土体性质之间的关系，建立数据库。⑤电渗联合其他工法研究。在电渗法联合其他工法处理地基上进行充分的试验，如两种或两种以上的加固方法联合进行模型和现场试验，得出更加高效快速的地基处理方法。

6 结论

结合国内外研究现状，介绍了电渗固结法的加固机理，分析了多种因素(电势梯度、通电方式、电极材料与布置形式、土壤含水量、含盐量及pH值)对电渗固结的影响，综述了电渗法的试验与数值模拟研究进展，论述了电渗法的适用范围及工程实例，基于电渗固结法研究现状，指出目前电渗法存在的问题，并对未来发展进行了展望，研究认为，电渗法是一种高效的软土地基加固方法，应用前景较好。然而，目前针对电渗固结特性及机理的研究不够充分，应用技术并不成熟，许多问题亟待解决。