电渗固结在软土地基中的应用

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1、摘要：本文介绍Y电渗法在工程中的应用情况，阐明了电渗固结的机理及其适用范围,在前人的研宄基础上总结了电渗法在地基处理屮的优缺点。得岀电渗法作为一种较新的地基处理技术，适用于渗透性小，加荷固结缓慢的淤泥、粘土等，并特别适用于含水址极高或是处于流塑泥浆状态下的土体的加固排水，虽然在实际应用当中尚存在不成熟的地方，但是其高效、无二次污染等优点将会使艽在未來地基处理新技术中有着巨大的发展空间。o前言电滲法是在土体两端通以直流电，使土体在短时间内完成渗透排水，并逐渐同结的一种地基处理方法。Casagrande于1939年第一次将电渗现象引入到土力学当屮［1］，并首次将电渗技

2、术成功应用于铁路挖方工程中。随着电渗技术的不断发展,其理论公式的不断完善，电渗法逐渐成为了软土地基处理中的一种新技术。1电渗法的工程应用电渗法在土木工程中个的第一次运用主要归功丁•casagrande:他最先意识到电渗法在处理致密土重抗剪强度和稳定性起到的作用，并于1939年在徳国salzgitter一段铁路的地基加上成功的使用了电渗技术111。在此之后，该项技术被逐渐应用到加固斜坡、堤岸、水坝上；电渗处理过程中，同时还町以通过向土中引入多价离子，比如用铝离子和铁离子来提高土体的强度［2］。电渗法在国内的应用也有一定的发展：例如在围海围堰工程中131，吹填沙袋因其

3、固结快，抗冲刷能力强，得到了广泛的应用，但其渗透系数要求大于或等于10_3cm/s。通过将吹填沙袋坝和电渗技术结合起來，把粗颗粒的土替换为细颗粒的海湾泥，然后用电渗法处理使其在短时间内完成固结，以满足工程要求。实践证明其抗冲切能力强、安全性高，可适用于各类围海围堰工程。电渗法在处理软弱地基中也有明显的效果。例如沪杭复线软基问题％通过延长电渗处理的工期，既达到了较好的固结效果，也降低电量消耗，达到经济实用的目的。2电渗固结的机理及其适用范围电渗现象是土体动电现象的一种。土体中的动电现象指土体通电后因两端电势作用而在土体内部表现出的一些运动现象，它包括电渗、电泳、流动

4、电位、迁移或沉积电位。通电后的土体是一个土-水-电解质系统，电流和水流与梯度间的耦合作用是引起这四种动电现象的原因。其屮，任何一种动电现象都涉及电、带电的表面和液相的相对运动［51。在电场的作用下，土体屮形成与电流方向相同的水力渗流，随着带电水分子在阴极的不断汇集和排出，土中水的排出必然导致土体在自重应力或附加应力作用下产生固结，随着时闹的继续，土体体积逐渐减小并达到固结完成，这个过程称为电渗固结。2.1电渗固结的微观机理由土体的微观结构可知：土中水分子是一个极性分子'在外界电场的作用下会产生•一定的排列特征，而土颗粒表面带一定负电荷。在表而电荷电场的作用下，弱结

5、合水缓慢排出，自由水迅速排出。在电渗过程中，土体两端加电压后，在土体中会产生一系列的电解反应，在阳极处:Ma->+ne~(2.1)6H2002(g)+4H3O+(aq)+4e~(2.2)上述两组反应是同时发生的，其中Ma是阳极金属，式(2.1)是阳极金属溶解的原因所在，阳极金属溶解后强度降低，式(2.2)的反应产生了阳离子W30+,该阳离子可以降低阳极附近的pH值。在阳极产生酸性离子的同时，阴极产生碱性离子，在阴极处：2H2O+le一—20H一(叫)+H2(g)(2.3)2H3O+(aq)+2e~->2H2O+H2(g)(2.4)Mj+(aq)+ne~Mc(2.5

6、)其中，是阴极处沉积的金属，式(2.2)〜(2.4)可知阴阳两极反应屮均有气体释放，这些气体会在一定程度上减少了电极和土体的接触而积，降低土体的有效电势。式(2.5)说明阳极电解的金属离子会在阴极处沉淀，进一步堵塞阴极处的过滤系统和排水通道，在很大程度上会影响电渗的排水效果。2.3电渗中的化学现象在金属电极产生的直流电场作用下，地基及金属电极会产生电蚀现象、膨胀加密、电解耗水等化学现象m,下面分别对这几种现象进行说明：(1)电蚀现象通电条件下，阳极在电场的作用下发生腐蚀，阴极处产生沉淀，化学反应式如下：阳极:M—Mn++ne~阴极:2H2O+2e_一20H~+H2

7、TN2++20/T—N(OH)2N(OH)2+C02一NCO3I+H20其屮:M表示阳极金属，N要是Ca2+、Mg2+等。(2)膨胀加密以金属铝、铁为例,、在阳极处电极腐蚀后生成Al3+、Fe3+离子，这些离子发生氧化反应，生成A1(OH)3、Fe(OH):胶体，使土体体积产生很大的膨胀，对土体产生膨胀加密的作用，具体过程如下：通电水解作用:一T+H++e_部分。：与和W2O,Al3+、Fe3+离子发生氧化还原反应：Al3++H2O+O2+3e-—A1(OH)7IFe3++H2O+

8、在阳极附近