2. 浙江大学 宁波理工学院, 浙江 宁波 315100
2. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China
电场作用下, 带电粒子有向着相反符号电极运动的趋势.俄国科学家Reuss于1807年发现, 多孔介质会吸附溶液中的正负离子, 溶液相对带电并朝一定方向运动[1].20世纪30年代, Casagrande等[2-3]将电渗应用于实际加固工程后, 电渗法的室内试验、现场试验和工程实例不断得到丰富和发展.
对于高塑性、低渗透性的细颗粒土, 传统的排水固结法处理效果不佳, 电渗法具有工期短、设备安装方便等优点.同时电渗法不会出现堆载造成的地基失稳, 较适用于软土地基的处理.Bjerrum等[4]认为低含盐量、低电导率软土的电渗处理能耗更低, 在减少地基土含水率的同时, 可成倍提高土的抗剪强度, 极大降低土的灵敏度.曾国熙等[5]将电渗加固后的土体作浸水处理, 发现浸水不影响加固后土体的压缩特性.Lo等[6]对电渗43 d和10 m后的土体进行十字板剪切现场试验, 土体在不同深度处加固效果均匀, 并且强度维持不变.以上研究证实了电渗法对地基加固的有效性, 但在实际应用中也存在阳极腐蚀和脱开[7]、界面电阻导致的电压损失[8-9]、土体收缩和电极因素导致的不均匀变形和开裂[10]、电极产气滞留[11]、后期能耗较高等影响电渗处理效果的因素.为了解决以上问题并提高电渗效率, 研究者通过大量的室内试验和现场应用, 初步明确了电渗主要外部控制因素和土体理化性质对其处理效果的影响规律, 形成了较为固定的研究体系.
在国际原材料生产成本和价格下降、劳动力成本上升、能源费用维持较低的经济形势下, 电渗法加固地基将逐渐体现出其优势.目前的研究现状如下：试验研究领先于理论研究, 工程应用开始由小规模向中等规模逐步谨慎推进.试验研究主要有以下目的：1) 寻求改善电渗效果的方法；2) 研究电渗加固过程中的沉降和强度增长等内在机制；3) 为工程设计和应用提供参考依据.
本文对电渗法处理软土的试验及应用成果进行分析归纳总结, 针对目前电渗法加固地基应用中的难点和不足进行探讨, 并对未来的研究方向提出若干建议.
1 电渗加固机理与土体性质的关系电渗法对软土地基的加固作用主要包括：1) 加速土体孔隙水的排出；2) 阳极附近土颗粒的聚集加密作用；3) 胶体产物对孔隙的填充密实.
除电渗引起的水流运动以外, 带负电荷的土颗粒在电泳作用下向阳极方向运动, 使阳极附近土体的密实度和强度提高.同时, 电渗过程中阳极附近产生一系列化学反应.以铁电极为例, 阳极生成的Fe3+向阴极移动与阴极生成的OH-作用形成Fe(OH)3胶体.液体中形成的氢氧化铁水溶胶体积远超过其干物质形态, 对阳极附近的土体孔隙有较好的填充加固作用, 同时向阴极方向扩散[12].此外水的电解、产气等因素对电渗也有一定影响.
电渗排水对土体加固起到大部分作用.直流电场作用下, 吸附阳离子的极性水分子形成水流并从阴极排出, 完成从阳极到阴极的运动过程.一般在阴极处设置土工布或透水石起到滤土排水作用.土体含水率的减少使其抗剪强度和黏聚力提高, 这是电渗处理后地基强度提升的主要原因[13-14].研究表明土体的不排水剪切强度与含水率常呈负指数关系[15-17].单位电荷移动所运移水的体积为电渗运移量[18], 能直接反映电能利用率, 可表述为
| $W = \frac{{{v_{\rm{e}}}}}{I}.$ | (1) |
式中：W为电渗运移量, ve为电渗排水速率, I为电流值.
同种土在电极材料、电势梯度不同的处理条件下, 其电渗排水速率与电流依然呈线性关系[19-20], 也即电渗运移量为常数.电渗运移量是否发生变化可以作为区分电渗“内因”或“外因”改变的标志, 与土体性质相关的是“内因”.
均匀电场作用下, 电渗排水速率[2]可表述为
| ${v_{\rm{e}}} = {k_{\rm{e}}}\frac{E}{L}S.$ | (2) |
式中：ke为土体电渗透系数, E为施加在阴阳极之间的电势差, L为电极间距, S为土体的横截面面积.
细粒土的电渗透系数ke相对水力渗透系数kh高出2~4个数量级[21], 图 1表明了不同类型土在电渗流和水力流的流速差别, v为流速.
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图 1 电渗流与水力流速率对比 Fig. 1 Comparison of electrokinetic and hydraulic flow rates |
更进一步, 电渗透系数ke[22]可表达为
| ${k_{\rm{e}}} = \frac{{n{\varepsilon _{\rm{w}}}}}{\mu }\zeta .$ | (3) |
式中：n为土的孔隙率, εw为孔隙水电容率, μ为孔隙水黏度, ζ为不同类型土的ζ电位.
式(3) 说明孔隙率、含水率、电导率等土体性质同时影响电渗透系数.Jayasekera[23]获取了高岭土和膨润土的电渗透系数, ke值均在10-5 cm2/s·V左右, 认为电渗透系数与土的种类无关, 与电渗时所加载的电势梯度也无关, 但是两类土的数据佐证力度不够.理想状态下将孔隙水电容率和黏度视为常数, 孔隙率保持不变, 那么电渗透系数ke值的变化与ζ电位是相关的.一般采用电泳仪测定土的ζ电位, 不同类型土存在较大差异.Shang[22]研究了6种黏性土的ζ电位, 与其电渗透系数呈正比关系, 这与Helmholtz-Smoluchowski理论(H-S理论)所述规律一致, 数据如表 1所示.
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表 1 黏土的电位和电渗透系数 Table 1 Zeta potential and electroosmotic permeability coefficient of soils |
表 1中的电渗透系数归一化后, 土的孔隙率n与ζ有以下关系：
| $\frac{{{{({k_{\rm{e}}})}_{\rm{m}}}}}{n} = 2.84 + 0.063{\rm{ }}4\zeta .$ | (4) |
上述文献中的ζ电位实际上是绝对值, 符号为负, 水流向阴极移动.黏土颗粒表面所带电荷性质与其溶液的pH值有关, pH值降低后黏土颗粒表面所带负电荷也可转变为正电荷, 影响ζ电位值.在处理污染土、尾矿土等特殊土时, 由于pH值变化范围大, ζ电位符号可正可负.根据H-S理论, 当pH值低于某特定值时, 电渗阴极出流速率会减小甚至反转至阳极出流[24].在pH值波动的情况下, 高岭土相比膨润土在ζ电位上变化更大[25].电渗处理后的土体不排水抗剪强度Cu值, 从阳极到阴极通常呈下降趋势[15].
一定水力梯度下, 电渗渗流可视为水力梯度和电势梯度叠加作用下的结果：
| ${Q_{\rm{t}}} = {Q_{\rm{h}}} + {Q_{\rm{e}}} = {k_{\rm{h}}}i + {k_{\rm{e}}}E.$ | (5) |
式中：Qt为总流, Qh为水力流, Qe为电渗流, kh为渗透系数, i为水力梯度.
在电渗处理软土的过程中, 随着孔隙水的排出土体孔隙比不断减小, 同时伴随土体电导率的下降[26].陶燕丽[20]考虑软土含水率与电导率的关系, 在排水速率-电流为线性关系的基础上推导了电渗排水量计算方法.吴辉等[27]则是将电导率随孔隙比的变化规律加入高岭土的电渗固结模型, 但电渗透系数保持不变.Lee等[28]的试验结果表明：Na+和Cl-均较易从土中去除, 铁电极对SO42-离子质量分数的降低更有效, 电动过程中土体电导率下降很快.因此对于高含盐量土, 电渗过程中含水率和含盐量的降低同时引起了电导率的降低.电导率的变化会同时影响“内因”和“外因”, 影响到界面电阻的变化进而改变有效电势梯度.
Jeyakanthan等[29]研究表明电渗透系数ke不随电势梯度或有效应力改变而变化, 基本在一个数量级范围内；渗透系数采用固结仪进行测试, 显示渗透系数与孔隙比呈幂函数关系.Kaniraj等[30]认为高比表面积是有机土电渗效果好的原因.Jayasekera等[31]通过加入石灰改变土质进行电渗, 其最终强度提高量由未加入时的100%增至将近200%, 土的类型、粘粒含量不同使复杂的电化学过程后在抗压强度上存在差异.Guo等[32]对含水量达171.3%且主要成分为伊利石、高岭石和石英的油砂尾矿进行了电渗处理, 在不同电流密度下, 电渗透系数ke处于7.68×10-9~1.44×10-8 m2·s-1·V, 相应的ke/kh比值处于4.25~7.96.
2 电渗试验研究方法试验作为电渗加固软土的重要研究手段, 大量研究集中在处理过程和处理后2个阶段.
2.1 试验手段电渗处理软土的主要试验手段如下：1) 一维矩形试验槽或轴对称圆柱形试验容器；2) 一维圆柱形试验容器；3) 非常规试验装置如土工袋；4) 现场试验和缩尺试验.
一维矩形试验槽的设计相对简单且组装简便, 试验槽双侧为板状电极, 排水汇集到阴极流出.按上述设计, 横向渗流速率较小可视为一维电渗渗流问题.这种装置适用于不同电极材料对比[7, 33]、电极反转、间歇通电[15, 34]等对比试验, 能够保持双侧条件对称一致.另外也有少量试验槽采用非对称电极组合, 以及电极和排水管分置的设计[30].轴对称圆柱形试验容器一般选择圆心位置设置阴极多孔管排水, 使阴极与多阳极形成等距[35], 在联合其他方式(如：低能量强夯)共同处理时便于方案实施和多点监测.一维圆柱形试验容器的电极设置在顶部和底部, 制作工艺相对精密, 借助高精度微型设备测量孔压和沉降, 通常用于堆载-电渗耦合的固结试验[36]；也可改造成类似三轴试验仪的装置, 精确施加不同的初始应力进行电渗试验[29].近年来涌现如电动土工袋[37]等特殊形状的装置用于软土处理, 在工程应用上提供了更多选择.现场试验能够较为准确地反映地基处理的真实效果, 近年的发展趋势是对导电塑料排水板等新材料进行电渗效果的现场测试[38].为节约研究成本, 一般采用室内缩尺试验, 如电极布置形式对电渗效果的影响研究[39].Lo等[6]对电渗43 d和10 m后的土体分别进行十字板剪切现场试验处理, 土体在不同深度处加固效果长期保持均匀；但一般室内试验结果常表明上层土的强度增长要明显高于下层土[40], 现场试验和缩尺试验的结果存在差异, 是否为尺寸效应引起尚需进一步研究.
2.2 测试手段需要对电渗处理后的土体进行整体、部分和取样测试研究, 常见手段有：1) 强度测试如现场和室内十字板剪切试验；2) 土体微观特性测试如扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)和压汞法(mercury intrusion porosimetry, MIP)等；3) 土体成分测试如X射线荧光光谱分析(X-ray fluorescence, XRF)、质谱仪法等.
Lo等[6]进行的十字板剪切现场试验结果表明：土体的不排水抗剪强度比未处理时的18 kPa增加60%, 抗剪强度的增长没有深度效应, 电渗处理完成43 d和10 m后的十字板剪切试验结果无差别.Micic等[15]采用微型十字板剪切仪在3.5和13.5 cm深度处对阳极附近、阴极附近和两者中间位置的土体进行了不排水剪切强度的测试.Xue等[7]研究表明软土经不同电极电渗处理后, 剪切强度与含水率均呈负指数幂关系.李一雯等[39]对室内电渗处理后的表层土体进行微型十字板剪切测试, 阳极附近的抗剪强度远高于阴极附近.
除对电渗处理后的土体进行宏观力学性能测试, 微观特性的研究也得到了发展.Kaniraj等[30]对有机土进行了SEM测试, 微粒单体呈长条形且具备多孔特性, 通常尺寸小于150 μm, 厚度在40~50 μm.Li等[41]对不同离子质量分数的Ⅱ价铅污染土进行了SEM和MIP测试, 干燥后其表面形态存在差别：离子质量分数较低时显现团聚体结构, 离子质量分数较高时孔洞之间的间隙更大, 体现在压缩指数随着铅离子质量分数的增加而降低.Wu等[42]对电渗后阳极附近钠基膨润土的微观结构进行了SEM测试和能量色散X射线荧光分析(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX), 结果显示钠基膨润土的微结构在电渗过程中由絮凝结构改变为团聚体结构, 吸水能力相应降低；EDX结果表明，铜铁电极电渗将土中钠离子替换为铜铁离子, 降低了晶格之间的间距, 使吸水能力下降.MIP测试结果通常都表明电渗后土样孔隙率显著减小, 孔径相比未处理土样也更小[43].陶燕丽[20]采用电感耦合等离子体质谱技术测量土壤和排水中的金属元素含量, 表明了不同电极反应生成的离子对电渗过程的影响较小.
3 电渗控制因素研究将外加条件(如：电势梯度、通电形式和电极布置形式等)定义为电渗的控制因素, 考虑到电极材料一般不影响土体性质, 也将其归类为控制因素.
3.1 电源和通电形式为了保证用电安全以及电渗流方向的唯一性, 一般采用直流电源进行电渗.试验研究采用的电势梯度范围在0.1~2.0 V/cm, 大尺寸试验一般采用较低的电势梯度.除考虑安全电压和电流, 也要兼顾处理效果.实际情况是土的类型、电极类型、电极间距发生变化, 都影响最优电压的取值.
常见的通电形式有恒定电压连续通电、间歇通电、逐级加载电压、整流的交流电[44]以及电极转换.U为加载电压, t为加载时间, 电源电压的不同加载形式如图 2所示.
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图 2 电源电压的不同加载形式 Fig. 2 Different loading forms of power voltage |
龚晓南等[45]对间歇通电和持续通电进行了对比研究, 在通电时长相等的情况下, 间歇通电的电渗处理效果相对均匀, 但排水量偏少、能耗系数偏高.Reddy等[46]在多环芳烃污染土的处理过程中采用了高电势梯度(2 V/cm, 直流)和间歇通电的模式进行处理, 认为每一次重新加载令短时电流值更高, 对污染土形成冲击使一些离子变得可溶, 增强了污染物去除效果, 对地基加固机理有一定参考意义.刘飞禹等[12]采用逐级加载电压进行电渗, 认为合理的电压加载方案能够降低能耗, 在后期升高电压提升处理效果.笔者认为逐级加压之所以总体能耗不高, 主要是因为初期低电压带来的低能耗.电渗过程中最大负孔压发生在阳极, 孔压零值发生在阴极, 阳极排水较快并在附近土体产生裂缝, 与阴极的差别造成了不均匀现象.Shang等[47]进行电极反转电渗试验, 认为它有利于土体的均匀处理.Wan等[13]在理论上证实了其有效性, 电极反转后双倍电势作用下其有效应力在短时间内大幅增长.陈卓等[34]采用模型试验测试了电极反转的效果, 得出反转周期越短效果越差以及平均抗剪强度差于常规电渗的结果.以上结论是可以理解的, 电极反转后孔隙水存在短期内来回流动的过程, 往返消耗的能量不增加排水；同时多数土体的不排水剪切强度与含水率呈负指数关系[15-16], 在含水率降低值相同的情况下, 不均匀处理在平均抗剪强度的结果上会好于均匀处理.从数据上看, 电极间的局部均匀也不如场地的均匀那么重要.因此间歇通电和电极反转此类技术, 可能需要联合其他方式处理使最终加固效果更佳.电极反转和交流电在技术原理上是相似的, Yoshida等[48]将交流电频率降至1 Hz并与直流电的处理效果进行对比, 认为交流电的前期处理效果不如直流电, 交流电在后期的电极-土接触电阻增长比直流电要慢, 后期处理效果比直流电好.Chien等[44]通过半波整流器将交流电转换为仅有正电压的曲线, 如图 2(d)所示, 为电源解决方案提供了新的思路.
3.2 电极布置形式和电极材料电极布置形式方面, Alshawabkeh等[49]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, 如图 3所示.
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图 3 有效电场区域的近似估计 Fig. 3 Approximate evaluation of effective electric field areas |
增加电极数目、减小同性电极间距可增大有效电场面积比, 这种理论能解释电极布置对电渗效果的影响.Kim等[50]在现场试验采用较密的电极布置对污染土进行电渗修复, 认为通电电流较高造成了不必要的能耗损失；同时土的温度上升(其中1组试验升高50 ℃), 排水和污染物有向表层移动的趋势.Tao等[51]对杭州淤泥进行了矩形、六边形、交错排列3种电极布置形式的电渗试验, 排水量、土的最终含水率和抗剪强度结果显示六边形布置是最优的, 其能耗系数最低.电极布置形式研究目的在于寻找到电极数量和电渗效果的平衡点, 但现实中很难认定某种方式是最优的；能耗系数、处理效果、电极成本等因素都有其权重分布, 若事先未设定实施规范和准则, 则无法判断最终结果的优劣.
电渗过程会对金属电极材料特别是阳极造成严重腐蚀[7], 腐蚀后的电极表面形貌如图 4所示.
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图 4 电极的腐蚀形貌 Fig. 4 Corrosion morphology of electrodes |
根据Faraday定律[52], 阳极腐蚀量与电荷量线性相关.电极表面腐蚀为电渗带来较大的负面作用, 除产生更大界面电阻以至影响电渗有效电势, 也造成金属资源的损耗.Xue等[7]对比了铜、铁、铝3种金属电极的电渗效果, 发现铁电极最佳, 其有效电势梯度和电流下降慢、排水量最大.陶燕丽等[33, 53]认为铜作为阳极材料在电渗中电化学钝化明显, 大幅降低了电渗效率, 石墨作为惰性电极在有效电势上表现更好.Wu等[54]研究表明金属材料相对于惰性材料石墨在电渗中对土的物理化学性质如微结构和离子交换改变更加明显.
英国Newcastle大学Glendinning等[55]采用含导电元素的高分子材料研制电动土工合成材料(electrokinetic geosynthetics, EKG), 让电极腐蚀的负面影响最小化, 不过电极-土的界面电阻相对金属更高[9].EKG是一个较为广义的概念, 通常由导电高聚物、导电金属或纤维、滤布等组成并具备相应的外部形状如沟槽等, 包含了滤土排水、加筋、电动等功能, 在一定程度上能够替代金属电极.除了起到电渗排水作用[36], 材料加筋等作用也能促进固结、增加土体抗剪强度[16].特别是对于处理尾矿土和高盐土等金属电极腐蚀较严重的情形, EKG材料有其用武之地.边坡处理等非对称、难上设备的工程条件, 质轻、易安装的EKG材料在应用中更为便捷, 也有采用外置阴极排水袋以便收集排水的辅助措施[56].此外，胡俞晨等[57]采用导电塑料丝和土工织物制作土工合成材料进行了室内试验；孙召花等[58]采用导电塑料排水板进行了加固吹填土的现场试验, 均达到较好的处理效果.
大部分研究者的试验结果表明阴阳极附近存在较大的界面电阻, 土体两端形成明显的电势降[9], 导电性差的电极如EKG尤为突出, 电压U与距阳极距离d的关系如图 5所示.
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图 5 界面附近电势降现象 Fig. 5 Phenomenon of potential drop near interface |
Zhuang等[9]认为该区域存在电流的过渡区, 界面电阻随着导电面积比的增加而减小.Lefebvre等[59]利用模型试验装置研究界面电阻降低对电渗效果的提升, 采用的方法是在阳极附近注入含盐溶液以减小电极-土的界面电阻, 在超固结土的电渗中电能利用率是不加溶液的2倍.对于电渗过程中土体收缩以至阳极-土界面电阻增大的情况, Shen等[60-61]利用变动阳极位置如跟进和移动来解决该问题并取得了不错的效果.降低界面电阻引起的能耗损失属于物理方法, 该方法提高了电渗处理的电能利用率.
4 电渗联合其他方式为提升电渗加固效果、降低能耗, 除需要研究电渗的控制因素, 试验和应用中常考虑联合其他方式共同对地基进行处理.
4.1 联合其他地基处理方法由于电渗法的处理特点, 常联合其他地基处理方法以改善、提高处理效果.王柳江等[62]认为初期采用真空预压法处理, 等土体含水率降至85%的最佳临界值后再实施电渗可有效加速其排水进程, 并且电渗法弥补了真空预压法对深层土加固效果较差的缺点.Wang等[63]将真空预压与电渗法联合使用, 全程使用真空预压, 当真空预压处理效果降低时启用电渗装置.Sun等[64]利用电动竖向排水体(electric vertical drains, EVD)并联合真空预压对吹填土进行了现场电渗处理, 比仅采用真空预压处理的效果更好, EVD减少了材料损耗和环境污染；但EVD在真空预压下阴阳极均为排水边界, 与电渗水流方向存在互相干扰的问题, 因此需考虑交替时间和频率的控制问题.除真空预压外, 符洪涛等[35]采用低能量强夯与电渗法联合使用加固软土地基, 改善阳极附近裂缝提高了加固效果；胡平川等[65]采用电渗-堆载联合气压劈裂的混合工艺进行了室内模型试验, 虽然在能耗上差别不大, 但增加气压劈裂后排水量增加、强度增长效果更好, 实施气压劈裂在处理前期有效.
电渗联合其他地基处理方法研究的结论一般包括：1) 简单叠加作用, 在不同时期或区域使用不同方法, 扬长避短；2) 其他方法与电渗有相互促进作用；3) 最终处理效果(如：均匀度、能耗)的提升.
4.2 联合使用化学方法电渗作为一种电化学现象, 联合使用化学方法也能够提升其电渗效果.Ozkan等[66]在高岭土中注入磷酸铝溶液, 电动过程平均提高了30%的界限含水率值, 铝离子和磷酸根离子改变了孔隙水的特性, 在离子交换和沉淀机制上起作用增加了抗剪强度.Alshawabkeh等[67]测试了添加硝酸和磷酸后土的电渗透系数, 在处理前期分别会高于和低于未添加情况.Ou等[68]在电渗时加入不同的盐溶液, 同等条件下加入CaCl2溶液后不排水抗剪强度提高25%, 处理时间缩短40%, 相比未加入情况电渗效果显著提升；土中加入CaCl2溶液后电渗透系数提高172%, 是电渗效果提升的根本原因[69].在电渗中发现CaCl2溶液的注入导致阴极附近形成黏合区[70], 采用不同电极尺寸、电压和电极间距进行对比试验, 得出电场强度增大N2倍后, 黏合区半径会随之增大N倍.
注入不同类型化学溶液对电渗的作用因情况而异, 有机添加物在电渗处理软土中的研究也有报道.Dussour等[71]研究认为表面活性剂会降低渗滤效果, 尽管如此, 添加低摩尔浓度的表面活性剂能提高电渗效率、减少电渗时间和能耗, 最优摩尔浓度的选取十分重要.Yeung等[72]研究乙二胺四乙酸(EDTA)的添加对高岭土的电渗处理效果, 在阴极处添加EDTA可增强试样中镉的去除效果, 并影响电渗流方向；尽管电渗流为阴极方向, 但镉依然在阳极附近富集.Khodadoust等[73]选取无毒性的环糊精作为添加剂增强2, 4-二硝基甲苯(DNT)的吸附和去除作用；相比去离子水, 添加溶质质量分数为1%或2%的β-环糊精使电流强度和电渗流明显增强.以上研究属于改变土体理化性质的化学方法.
目前关于电渗联合其他方式加固地基的研究需要进行大量重复试验, 通过能耗、排水效果、强度变化等因素判断是否有效.部分学者在试验设计初期即考虑了不同排水机制的共同作用机理, 而大多数研究仍处于先试验现象、后机制分析的阶段.电渗联合其他方式的研究尚未满足工程设计和计算的应用需要, 处理结果、能耗和成本难以预估.今后, 多种方法联合使用的复杂加固机理需要进一步展开研究.
5 结语总结关于电渗法加固软土的研究工作, 主要成果涵盖以下5个方面：1) 软土电渗处理过程中的宏微观变化特性；2) 电渗控制因素如加载条件对电渗的影响；3) 电极布置形式、联合工法等工艺改进；4) 电化学改良手段在软土电渗中的应用；5) 新材料在电渗处理中的应用.
以上研究涉及土体性质(如：矿物成分、孔隙水特性、pH值)、控制因素、联合作用机制等方面.评价标准可以是直接换算的能耗系数, 也可以是进一步测试所获得的抗剪强度、抗压强度等工程指标.矿物成分最终影响土体强度[31], 孔隙水特性影响电渗的电流和能耗, pH值影响电渗出流甚至使之反向[24].电压和通电形式等控制因素在工程中最易设计和调整, 大部分联合作用机制都可有效降低能耗, 提升各项工程指标.
土体性质的改变虽然是“内因”, 但也会影响到“外因”(如：界面电阻的变化), 需要进一步研究.在电渗运移量未改变即“内因”未改变的前提下, 需要对控制因素制定相应的实施规范和准则.电渗处理过程较难保持条件不变进行分析, 处理过程中土体的边界条件、渗流性质变化很大.同时也存在影响因素过多的现状, 即便是一种因素也往往产生多种效应, 不同效应在电渗过程中的发展规律相去甚远.因此在单因素分析研究前需要特别处理和强化, 避免其他效应带来的干扰, 从而在机理上做到准确解释和相对精确的计量.
电渗法加固地基仍存在很多问题需要解决, 今后可开展的研究方向包括以下几个方面：
1) 新的测试技术在电渗处理中的应用；
2) 通过试验总结归纳新关系加入数值计算, 更为准确地计算电渗排水量、能耗、沉降以及强度发展规律；
3) 研究新材料(如：EKG、新处理工艺、土体改良新方法、高盐土等特殊土)的电渗处理.
除了获得电渗处理效果不同的表观现象, 更需研究其内在机制的变化.随着试验研究深入, 电渗加固软土的工程应用和理论也将得到不断完善, 从而实现提高电渗效果、发展工程应用之目的.
| [1] | 龚晓南. 土力学[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002: 4-12. |
| [2] | CASAGRANDE I L. Electro-osmosis in soils[J]. Géotechnique, 1949, 1(3): 159–177. DOI:10.1680/geot.1949.1.3.159 |
| [3] | CASAGRANDE I 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. |
| [4] | BJERRUM L, MOUM J, EIDE O. Application of electro-osmosis to a foundation problem in a norwegian quick clay[J]. Géotechnique, 1967, 17(3): 214–235. DOI:10.1680/geot.1967.17.3.214 |
| [5] |
曾国熙, 高有潮. 软粘土的电化学加固(初步试验结果)[J].
浙江大学学报:工学版, 1956, 8(2): 12–35.
ZENG Guo-xi, GAO You-chao. Electrochemical hardening of soft clay (primary test result)[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 1956, 8(2): 12–35. |
| [6] | LO K Y, HO K S, INCULET I I. Field test of electroosmotic strengthening of soft sensitive clay[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1991, 28(1): 74–83. DOI:10.1139/t91-008 |
| [7] | XUE Z, TANG X, YANG Q, et al. Comparison ofelectro-osmosis experiments on marine sludge with different electrode materials[J]. Drying Technology, 2015, 33(8): 986–995. DOI:10.1080/07373937.2015.1011274 |
| [8] | MOHAMEDELHASSAN E, SHANG J Q. Effects of electrode materials and current intermittence in electro-osmosis[J]. Ground Improvement, 2001, 5(1): 3–11. DOI:10.1680/grim.2001.5.1.3 |
| [9] | ZHUANG Y, WANG Z. Interface electric resistance of electroosmotic consolidation[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, 133(12): 1617–1621. DOI:10.1061/(ASCE)1090-0241(2007)133:12(1617) |
| [10] | GRUNDL T, REESE C. Laboratory study of electrokinetic effects in complex natural sediments[J]. Journal of Hazardous Materials, 1997, 55(1): 187–201. |
| [11] | KALUMBA D, GLENDINNING S, ROGERS C D F, et al. Dewatering of tunneling slurry waste using electrokinetic geosynthetics[J]. Journal of Environmental Engineering, 2009, 135(11): 1227–1236. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9372(2009)135:11(1227) |
| [12] |
刘飞禹, 宓炜, 王军, 等. 逐级加载电压对电渗加固吹填土的影响[J].
岩石力学与工程学报, 2014, 33(12): 2582–2591.
LIU Fei-yu, MI Wei, WANG Jun, et al. Influence of applying stepped voltage in electroosmotic reinforcement of dredger fill[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(12): 2582–2591. |
| [13] | WAN T Y, MITCHELL J K. Electro-osmotic consolidation of soils[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 1976, 102(5): 473–491. |
| [14] |
申春妮, 方祥位, 王和文, 等. 吸力、含水率和干密度对重塑非饱和土抗剪强度影响研究[J].
岩土力学, 2009, 30(5): 1347–1351.
SHEN Chun-ni, FANG Xiang-wei, WANG He-wen, et al. Research on effects of suction, water content and dry density on shear strength of remolded unsaturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(5): 1347–1351. |
| [15] | MICIC S, SHANG J Q, LO K Y, et al. Electrokinetic strengthening of a marine sediment using intermittent current[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2001, 38(2): 287–302. DOI:10.1139/t00-098 |
| [16] | GLENDINNING S, JONES C, PUGH R. Reinforced soil using cohesive fill and electrokinetic geosynthetics[J]. International Journal of Geomechanics, 2005, 5(2): 138–146. DOI:10.1061/(ASCE)1532-3641(2005)5:2(138) |
| [17] | FOURIE A, JOHNS D, JONES C F. Dewatering of mine tailings using electrokinetic geosynthetics[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2007, 44(2): 160–172. DOI:10.1139/t06-112 |
| [18] | GRAY D H, MITCHELL J K. Fundamental aspects of electro-osmosis in soils[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 1967, 93(6): 209–236. |
| [19] | FENG Y, ZHAN L T, CHEN Y M, et al. Laboratroy study on electrokinetic dewatering of sewage sludge [C] // Proceedings of the International Symposium on Geoenvironmental Engineering. Berlin: Springer, 2010: 662-665. |
| [20] |
陶燕丽. 不同电极电渗过程比较及基于电导率电渗排水量计算方法[D]. 杭州: 浙江大学, 2015.
TAO Yan-li. Electro-osmotic process under differentelectrode materials and a novel method for discharge calculation based on electrical conductivity [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2015. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10335-1015596456.htm |
| [21] | JONES C J F P, LAMONT-BLACK J, GLENDINNING S. Electrokinetic geosynthetics in hydraulic applications[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2011, 29(4): 381–390. DOI:10.1016/j.geotexmem.2010.11.011 |
| [22] | SHANG J Q. Zeta potential and electroosmotic permeability of clay soils[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1997, 34(4): 627–631. DOI:10.1139/t97-28 |
| [23] | JAYASEKERA S. Electroosmotic and hydraulic flow rates through kaolinite and bentonite clays[J]. Australian Geomechanics, 2004, 39(2): 79–86. |
| [24] | EYKHOLT G R, DANIEL D E. Impact of system chemistry on electroosmosis in contaminated soil[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1994, 120(5): 797–815. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9410(1994)120:5(797) |
| [25] | VANE L M, ZANG G M. Effect of aqueous phase properties on clay particle zeta potential and electro-osmotic permeability: implications for electro-kinetic soil remediation processes[J]. Journal of Hazardous Materials, 1997, 55(1): 1–22. |
| [26] | MCCARTER W. The electrical resistivity characteristics of compacted clays[J]. Géotechnique, 1984, 34(2): 263–267. DOI:10.1680/geot.1984.34.2.263 |
| [27] |
吴辉, 胡黎明. 考虑电导率变化的电渗固结模型[J].
岩土工程学报, 2013, 35(4): 734–738.
WU Hui, HU Li-ming. Numerical simulation of electro-osmosis consolidation considering variation of electrical conductivity[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(4): 734–738. |
| [28] | LEE Y, CHOI J, LEE H, et al. Effect of electrode materials on electrokinetic reduction of soil salinity[J]. Separation Science and Technology, 2012, 47(1): 22–29. DOI:10.1080/01496395.2011.607205 |
| [29] | JEYAKANTHAN V, GNANENDRAN C, LO S. Laboratory assessment of electro-osmotic stabilization of soft clay[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2011, 48(12): 1788–1802. DOI:10.1139/t11-073 |
| [30] | KANIRAJ S, YEE J. Electro-osmotic consolidation experiments on an organic soil[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2011, 29(4): 505–518. DOI:10.1007/s10706-011-9399-8 |
| [31] | JAYASEKERA S, HALL S. Modification of the properties of salt affected soils using electrochemical treatments[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2007, 25(1): 1–10. DOI:10.1007/s10706-006-0001-8 |
| [32] | GUO Y, SHANG J Q. A study on electrokinetic dewatering of oil sands tailings[J]. Environmental Geotechnics, 2014, 1(2): 121–134. DOI:10.1680/envgeo.13.00013 |
| [33] |
陶燕丽, 周建, 龚晓南, 等. 铁和铜电极对电渗效果影响的对比试验研究[J].
岩土工程学报, 2013, 35(2): 388–394.
TAO Yan-li, ZHOU Jian, GONG Xiao-nan, et al. Comparative experiment study of the influence of Ferrum and Cuprum electrode on electroosmosis effects[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(2): 388–394. |
| [34] |
陈卓, 周建, 温晓贵, 等. 电极反转对电渗加固效果的试验研究[J].
浙江大学学报:工学版, 2013, 47(9): 1579–1584.
CHEN Zhuo, ZHOU Jian, WEN Xiao-gui, et al. Experimental research on effect of polarity reversal toelectro-osmosis[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2013, 47(9): 1579–1584. |
| [35] |
符洪涛, 王军, 蔡袁强, 等. 低能量强夯-电渗法联合加固软黏土地基试验研究[J].
岩石力学与工程学报, 2015, 34(3): 612–620.
FU Hong-tao, WANG Jun, CAI Yuan-qiang, et al. Experiment study of combined application of electroosmosis and low-energy dynamic compaction in soft ground reinforcement[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(3): 612–620. |
| [36] | HAMIR R, JONES C, CLARKE B. Electrically conductive geosynthetics for consolidation and reinforced soil[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2001, 19(8): 455–482. DOI:10.1016/S0266-1144(01)00021-8 |
| [37] | HALL J, GLENDINNING S, LAMONT-BLACK J, et al. Dewatering of waste slurries using electrokinetic geosynthetic (EKG) filter bags [C] // 4th European Geosynthetics Conference. Edinburgh: [s. n.], 2008: 321. |
| [38] | CHEW S, KARUNARATNE G, KUMA V, et al. A field trial for soft clay consolidation using electric vertical drains[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2004, 22(1): 17–35. |
| [39] |
李一雯, 周建, 龚晓南, 等. 电极布置形式对电渗效果影响的试验研究[J].
岩土力学, 2013, 34(7): 1972–1978.
LI Yi-wen, ZHOU Jian, GONG Xiao-nan, et al. Experimental research on influence of electrode array on electroosmotic effect[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(7): 1972–1978. |
| [40] | KANIRAJ S, HUONG H, YEE J. Electro-osmotic consolidation studies on peat and clayey silt using electric vertical drain[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2011, 29(3): 277–295. DOI:10.1007/s10706-010-9375-8 |
| [41] | LI J S, XUE Q, WANG P, et al. Effect of lead (Ⅱ) on the mechanical behavior and microstructure development of a Chinese clay[J]. Applied Clay Science, 2015, 105: 192–199. |
| [42] | WU H, HU L. Microfabric change of electro-osmotic stabilized bentonite[J]. Applied Clay Science, 2014, 101: 503–509. DOI:10.1016/j.clay.2014.09.014 |
| [43] | MICIC S, SHANG J Q, LO K Y. Electrocementation of a marine clay induced by electrokinetics[J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2003, 13(4): 308–315. |
| [44] | CHIEN S C, OU C Y. A novel technique of harmonic waves applied electro-osmotic chemical treatment for soil improvement[J]. Applied Clay Science, 2011, 52(3): 235–244. DOI:10.1016/j.clay.2011.02.023 |
| [45] |
龚晓南, 焦丹. 间歇通电下软黏土电渗固结性状试验分析[J].
中南大学学报:自然科学版, 2011, 42(6): 1725–1730.
GONG Xiao-nan, JIAO Dan. Experimental study of electro-osmotic consolidation of soft clay under intermittent current condition[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2011, 42(6): 1725–1730. |
| [46] | REDDY K R, SAICHEK R E. Enhanced electrokinetic removal of phenanthrene from clay soil by periodic electric potential application[J]. Journal of Environmental Science and Health: Part A, 2004, 39(5): 1189–1212. DOI:10.1081/ESE-120030326 |
| [47] | SHANG J Q, LO K Y, INCULET I. Polarization and conduction of clay-water-electrolyte systems[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1995, 121(3): 243–248. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9410(1995)121:3(243) |
| [48] | YOSHIDA H, KITAJYO K, NAKAYAMA M. Electroosmotic dewatering under AC electric field with periodic reversals of electrode polarity[J]. Drying Technology, 1999, 17(3): 539–554. DOI:10.1080/07373939908917550 |
| [49] | ALSHAWABKEH A N, GALE R J, OZSU-ACAR E, et al. Optimization of 2-D electrode configuration for electrokinetic remediation[J]. Journal of Soil Contamination, 1999, 8(6): 617–635. DOI:10.1080/10588339991339504 |
| [50] | KIM W, PARK G, KIM D, et al. In situ field scale electrokinetic remediation of multi-metals contaminated paddy soil: influence of electrode configuration[J]. Electrochimica Acta, 2012, 86: 89–95. DOI:10.1016/j.electacta.2012.02.078 |
| [51] | TAO Y, ZHOU J, GONG X, et al. Electro-osmotic dehydration of Hangzhou sludge with selected electrode arrangements[J]. Drying Technology, 2016, 34(1): 66–75. DOI:10.1080/07373937.2015.1006369 |
| [52] | EL MAADDAWY T A, SOUDKI K A. Effectiveness of impressed current technique to simulate corrosion of steel reinforcement in concrete[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2003, 15(1): 41–47. DOI:10.1061/(ASCE)0899-1561(2003)15:1(41) |
| [53] | ZHOU J, TAO Y L, XU C J, et al. Electro-osmotic strengthening of silts based on selected electrode materials[J]. Soils and Foundations, 2015, 55(5): 1171–1180. DOI:10.1016/j.sandf.2015.09.017 |
| [54] | WU H, HU L, ZHANG G. Effects of electro-osmosis on the physical and chemical properties of bentonite[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2016, 28(8): 06016010. DOI:10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001572 |
| [55] | GLENDINNING S, LAMONT-BLACK J, JONESC J. Treatment of sewage sludge using electrokinetic geosynthetics[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007, 139(3): 491–499. DOI:10.1016/j.jhazmat.2006.02.046 |
| [56] | LAMONT-BLACK J, JONES C, ALDER D. Electrokinetic strengthening of slopes-case history[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2016, 44(3): 319–331. DOI:10.1016/j.geotexmem.2016.01.001 |
| [57] |
胡俞晨, 王钊, 庄艳峰. 电动土工合成材料加固软土地基实验研究[J].
岩土工程学报, 2005, 27(5): 582–586.
HU Yu-chen, WANG Zhao, ZHUANG Yan-feng. Experimental studies on electro-osmotic consolidation of soft clay using EKG electrodes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(5): 582–586. |
| [58] |
孙召花, 高明军, 刘志浩, 等. 导电塑料排水板加固吹填土现场试验[J].
河海大学学报:自然科学版, 2015, 43(3): 255–260.
SUN Zhao-hua, GAO Ming-jun, LIU Zhi-hao, et al. Field test on consolidation of dredger fill using electric vertical drains[J]. Journal of Hohai University: Natural Sciences, 2015, 43(3): 255–260. |
| [59] | LEFEBVRE G, BURNOTTE F. Improvements of electroosmotic consolidation of soft clays by minimizing power loss at electrodes[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2002, 39(2): 399–408. DOI:10.1139/t01-102 |
| [60] | SHEN Z, CHEN X, JIA J, et al. Comparison of electrokinetic soil remediation methods using one fixed anode and approaching anodes[J]. Environmental Pollution, 2007, 150(2): 193–199. DOI:10.1016/j.envpol.2007.02.004 |
| [61] |
刘飞禹, 张乐, 王军, 等. 阳极跟进作用下软黏土电渗固结室内试验研究[J].
土木建筑与环境工程, 2014, 36(1): 52–58.
LIU Fei-yu, ZHANG Le, WANG Jun, et al. Experimental analysis of the electro-osmosis consolidation of soft clay under anode follow-up[J]. Journal of Civil, Architectural and Environmental Engineering, 2014, 36(1): 52–58. |
| [62] |
王柳江, 刘斯宏, 汪俊波, 等. 真空预压联合电渗法处理高含水率软土模型试验[J].
河海大学学报:自然科学版, 2011, 39(6): 671–675.
WANG Liu-jiang, LIU Si-hong, WANG Jun-bo, et al. Model test for high-water-content soft soil treatment under vacuum preloading in combination with electroosmosis[J]. Journal of Hohai University: Natural Sciences, 2011, 39(6): 671–675. |
| [63] | WANG J, MA J, LIU F, et al. Experimental study on the improvement of marine clay slurry by electroosmosis-vacuum preloading[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2016, 44(4): 615–622. DOI:10.1016/j.geotexmem.2016.03.004 |
| [64] | SUN Z, GAO M, YU X. Vacuum preloading combined with electro-osmotic dewatering of dredger fillusing electric vertical drains[J]. Drying Technology, 2015, 33(7): 847–853. DOI:10.1080/07373937.2014.992529 |
| [65] |
胡平川, 周建, 温晓贵, 等. 电渗-堆载联合气压劈裂的室内模型试验[J].
浙江大学学报:工学版, 2015, 49(8): 1434–1440.
HU Ping-chuan, ZHOU Jian, WEN Xiao-gui, et al. Laboratory model experiment of electro-osmosis combined with loading and pneumatic fracturing[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2015, 49(8): 1434–1440. |
| [66] | OZKAN S, GALE R, SEALS R. Electrokinetic stabilization of kaolinite by injection of Al and PO43- ions[J]. Ground Improvement, 1999, 3(4): 135–144. DOI:10.1680/gi.1999.030401 |
| [67] | ALSHAWABKEH A N, SHEAHAN T C, WU X. Coupling of electrochemical and mechanical processes in soils under DC fields[J]. Mechanics of Materials, 2004, 36(5): 453–465. |
| [68] | OU C Y, CHIEN S C, WANG Y G. On the enhancement of electroosmotic soil improvement by the injection of saline solutions[J]. Applied Clay Science, 2009, 44(1): 130–136. |
| [69] | CHIEN S C, OU C Y, WANG M K. Injection of saline solutions to improve the electro-osmotic pressure and consolidation of foundation soil[J]. Applied Clay Science, 2009, 44(3): 218–224. |
| [70] | OU C Y, CHIEN S C, LIU R H. A study of the effects of electrode spacing on the cementation region for electro-osmotic chemical treatment[J]. Applied Clay Science, 2015, 104: 168–181. DOI:10.1016/j.clay.2014.11.027 |
| [71] | DUSSOUR C, FAVORITI P, VOROBIEV E. Influence of chemical additives upon both filtration and electroosmotic dehydration of a kaolin suspension[J]. Separation Science and Technology, 2000, 35(8): 1179–1193. DOI:10.1081/SS-100100218 |
| [72] | YEUNG A T, HSU C. Electrokinetic remediation of cadmium-contaminated clay[J]. Journal of Environmental Engineering, 2005, 131(2): 298–304. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9372(2005)131:2(298) |
| [73] | KHODADOUST A P, REDDY K R, NARLA O. Cyclodextrin-enhanced electrokinetic remediation of soils contaminated with 2, 4-dinitrotoluene[J]. Journal of Environmental Engineering, 2006, 132(9): 1043–1050. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9372(2006)132:9(1043) |