（岩土工程专业论文）软粘土电渗固结试验研究.pdf

浙江大学研究生学位论文独创性声明 y1713。rl m 2 i l l i l13r r l rilll i l l 。 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝婆太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：4 毒1 签字日期：丸j 。年6 月j2 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝塑太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝塑太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：在午 导师签名： -n 签字日期：如j 。年6 月，日签字日期： iflll。卜 致谢 三年的研究生学习生活已经接近尾声。三年来，我有幸师从学术严谨、为人谦逊的恩 师龚晓南教授，他对学术的深入见解和正直的处事原则给学生留下了深刻的印象，使我受 益匪浅! 同时与一群朝气蓬勃的研究生同学共同生活、共同进步，这段经历将是我人生中 的一笔财富，铭记在心，借此论文向关心我的老师和同学们表示由衷的敬意和感谢! 作者在浙江大学求学的过程中，还受到了徐日庆教授、俞建霖副教授、温晓贵副教授、 周建副教授、韩同春副研究员诸位老师的悉心教导和关怀，在此表示诚挚的谢意! 作者在论文相关试验进行的过程中，受到了试验合作者李瑛的大力支持，在此表示衷 心的感谢! 本文在撰写的过程中，得到了郭彪、罗耀武、申文明、贾官伟诸位师兄，以及荆子菁、 贺静漪、黄福明、黄东、龚瑜、郭杰峰、吴勇华、刘俊龙、管仁秋、王耀商、胡学科、马 少俊、何萌、伍云利、张庆庆等各位同学在科研和生活上的大力支持，特别是我的男朋友 张毅在生活和精神上的不懈支持，在此表示由衷的感谢! 感谢我的父母对我二十多年的养育之恩，远在家乡的他们用勤劳的双手为我创造了优 良的求学条件，在此真心的谢谢你们，生我养我的爸爸、妈妈! 最后，感谢评阅、评议论文及出席硕士学位论文答辩的各位专家、教授，感谢他们在 百忙中给予的指导! 量暑 2 0 1 0 年6 月于浙大紫金港 浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 软粘土广泛分布在我国的东南沿海及珠江三角洲地区，其高含水量、高压缩性和低抗 剪强度等不良特性使得在工程建设前必须对其进行处理。传统的地基处理方法，如堆载预 压法、真空预压法等，受制于土体的水力传导系数，在软粘土地基处理中排水固结缓慢， 甚至不能达到预期的效果。电渗法排水与土体的水力传导系数无关，近年来在许多工程中 得到了应用。虽然国内外研究者已经对电渗进行了较多的研究，但是仍然存在亟待解决的 问题，如电渗的机理、土体电阻的估算等。有鉴于此，本文在研究电渗相关理论的基础上， 利用自行研制的电渗固结试验装置进行了多组不同条件下的电渗试验。 本文主要工作和研究成果如下： 1 较全面地总结了国内j t - 电渗法处理软粘土地基的发展历程和现状；在分析已观测 到的电渗现象的基础上，阐述了电渗排水固结的微观过程和基本原理，并归纳了电渗法的 优缺点和适用范围；发展了电渗一维固结理论，给出了三种不同边界条件下的解析解，分 析了电渗过程中孔隙水压力和固结度的变化规律 2 建立了土体的三相并联电阻率模型，利用模型推导出电渗刚开始时不同电极排布 形式下的土体电阻表达式，并用室内试验进行了验证；试验结果表明，对于含水量大于 2 5 且饱和度大于5 0 的软粘土，本文的电阻表达式能够取得很好的结果，能够为电渗工 程的初步设计提供依据；试验还对电渗过程中存在于电极土接触面上的界面电阻进行了 研究。 3 以杭州软粘土为试验对象，进行了四组不同初始条件和通电条件的电渗室内模型 试验，通过监测排水量、电流、电势分布、沉降以及电渗前后土体的不排水抗剪强度和含 水量变化，研究了软粘土的电渗加固性状，并给出了电渗过程中以及电渗前后土体物理力 学性质的分布和变化规律。 关键词：软粘土；电渗；三相并联电阻率模型；物理力学性质 i l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s o f tc l a ye x i s t s e x t e n s i v e l yi n t h es o u t h e a s to fc h i n aa n dz h u j i a n gd e l t ar e g i o n f o u n d a t i o n i m p r o v e m e n tm u s tb ei m p l e m e n t e db e f o r e c o n s t r u c t i o nb e c a u s eo fi t sb a d e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e si n c l u d i n gh i g hw a t e rc o n t e n t ，h i g hc o m p r e s s i b i l i t ya n dl o wu n d r a i n e d s h e a rs t r e n g t h u s u a lf o u n d a t i o nt r e a t i n gm e t h o d ss u c ha s p r e l o a d i n gm e t h o d ，v a c u u m p r e l o a d i n gm e t h o dc o u l dn o ta c h i e v eas a t i s f a c t o r yr e s u l tb e c a u s et h e yr e l i e do nh y d r a u l i c p e r m e a b i l i t yo fs o i l m o r ea t t e n t i o nw a sp a i dt oe l e c t r o o s m o s i si nr e c e n ty e a r sj u s ta st h e m e t h o dw a si r r e l e v a n tt oh y d r a u l i cp e r m e a b i l i t y t h e r ew e r es e v e r a lp r o b l e m sw h i c hn e e dt ob e s o l v e da ss o o na sp o s s i b l ew h i l em a n yi n v e s t i g a t o r sa th o m ea n da b r o a dh a v eg a i n e di nt h e e l e c t r o - o s m o t i cr e i n f o r c e m e n t ，i n c l u d i n gm e c h a n i s m ，c a l c u l a t i o no fi n i t i a lr e s i s t a n c e s o s e v e r a ls e r i e so ft e s t sw e r ec o n d u c t e di nt h ee l e c t r o - o s m o t i cc o n s o l i d a t i o na p p a r a t u sw h i c hw a s d e v e l o p e dn e w l yb ya u t h o r s t h em a j o rs t u d i e sa n da c h i e v e m e n t si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h ea p p l i c a t i o nh i s t o r yo fe l e c t r o o s m o s i si nt h ec i v i le n g i n e e r i n gw a ss u m m a r i z e d ； t h em i c r o c o s m i cp r o c e s sa n db a s i cm e c h a n i s mw e r ec o n c l u d e da tt h eb a s i so fl o t so f p h e n o m e n as h o w e d i nt h el i t e r a t u r e s p u b l i s h e d ；t h ea d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f e l e c t r o - o s m o s i sw e r eg i v e na f t e rc o m p a r i n gw i t ho t h e rm e t h o d s ，s oa si t sa p p l i e dr a n g e ； o n e - d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o nt h e o r ya n di t sa n a l y t i cs o l u t i o ni nt h et h r e ed i f f e r e n tb o u n d a r y c o n d i t i o n sw e r eg i v e n ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fe x c e s sp o r ew a t e ra n dc o n s o l i d a t i o nd e g r e ev a r i e d w i t ht r e a t i n gt i m ew e r ea c q u i r e d 2 t h r e e p h a s ep a r a l l e lr e s i s t i v i t ym o d e lf o rc l a yd u r i n ge l e c t r o o s m o s i si sd e v e l o p e da n d t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a t i o n so fs o i lr e s i s t a n c ea tt h eb e g i n n i n go fe l e c t r o o s m o s i sf o rd i f f e r e n t f o r m so fe l e c t r o d e sa r eg i v e n ；t e s t sw e r ec a l l r i e do u tt oj u d g ev a l i d i t yo fr e s i s t a n c ef o r m u l a t i o n s ， a n dt h er e s u l ts h o w sf o r m u l a t i o nw i l lb ec r e d i b l ew h i l ew a t e rc o n t e n ti sa b o v e2 5 a n dd e g r e e o fs a t u r a t i o ni sa b o v e5 0 ：r e s i s t a n c ef o r m u l a t i o n sc a nb eh e l p f u lt op r e l i m i n a r yd e s i g no f e l e c t r o - o s m o t i ca p p l i c a t i o n 3 f o u re l e c t r o - o s m o t i ct e s t su s i n gh a n g z h o uc l a yu n d e rd i f f e r e n ti n i t i a la n dc u r r e n t c o n d i t i o nw e r ec o n d u c t e d ；e f f l u e n tv o l u m e ，c u r r e n ti n t e n s i t y , v o l t a g ed i s t r i b u t i o na n d i a b s t r a c t m o n i t o r e d ，u n - d r a i n e ds h e a rs t r e n g t ha n dw a t e rc o n t e n t e r ea l s om e a s u r e d ；t h ec o n s o l i d a t i o np r o p e r t i e sa n dt h e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o i lw e r eg i v e na f t e r s ：t h r e e p h a s ep a r a l l e lr e s i s t i v i t ym o d e l ；p h y s i c a la n d i v 浙江大学硕士学位论文主要符号说明 主要符号说明 阳离子和阴离子摩尔浓度之比 阳离子摩尔浓度 阴离子摩尔浓度 外部溶液浓度 外部溶液平均克分子活度系数 每单位孔隙体积表面电荷密度 离子交换容量 水的密度 土体含水量 电渗排水量 水的摩尔浓度 水力传导速度 电渗流速度 水力渗透系数 电渗透系数 水力梯度 电势梯度 水的介电常数 土的孔隙率 毛细管表面接触处水的电动势 水的动粘滞系数 电位差 两电极间毛细管长度 两电极间电渗排水速度 水头差作用下土体排水量 电势差作用下土体排水量 土体通电横截面积 单位电流时的电渗流量电动系数 v r 钳e 岛 y 暇 加w w垤 k k d n z e l 吼 a k 大学硕士学位论文主要符号说明 土体中通电电流值 土体耗电量 土体上的电压 通电时间 单位时间排出单位体积水的耗电量 土体两端电压 土体电阻 土体电阻率 耦合系数 驱动一种流型流动的驱动力 由驱动力x j 所驱动的另一种流型的通量 土体电导 总水头 土中超静孔隙水压力 水的容重 由水流引起的电导 土体体积压缩系数 土体单位体积电容量 哑巴变数 土体水平向固结系数 距阴极距离 阳极处的电势 时间因数 平均固结度 总的电压降 界面电压降 电极电压降 土体电压降 电渗过程中以热能或是电化学反应所消耗的能量 金属电极表面电流密度 土体表面电流密度 v i j 面 爱 率 p 刖 t p u r p h x h u 帆q f 瓯x h u v 坳h 扎 浙江大学硕士学位论文 主要符号说明 金属电极和土体间界面电阻率 土体电阻率 金属电极电阻率 阴阳两极间土体厚度 土体和金属电极接触部分厚度 接触面处电极导电面积 接触面处土体导电面积 金属电极和土体导电面积比 视在电阻 界面电阻 极性界面电阻 阴阳两极间土体电阻 土颗粒电阻 孔隙水电阻 空气的电阻 两极间土体电阻率 土颗粒电阻率 孔隙水电阻率 空气电阻率 土颗粒体积， 土中水体积 土体孔隙比 土体饱和度 阳极距阴极中心距离 阴极半径 v i i 体 极 在 面 a ， 以内h万 cir龟嘣啄rr艮r 胁 风 肌 m 乩e s k 浙江大学硕士学位论文目录 目录 ! l 谢i 摘要i i a b s t r a c t i i i 主要符号说明v 日j 录v i i i 第1 章绪论。i 1 1 引言1 1 2 电渗固结的研究现状2 1 3 电渗固结在工程中的应用4 1 4 本文所做的工作一5 第2 章电渗固结机理及其相关理论7 2 1 引言7 2 2 电渗固结机理7 2 2 1 电渗固结的微观机理8 2 2 2 电渗固结产生的条件及其效率预测1 0 2 2 3 电渗透性11 2 2 4 能量的消耗1 4 2 2 5 电渗中的化学现象1 6 2 3 电渗法的适用范围1 7 2 3 1 电渗的有效性17 2 3 2 电渗法与堆载预压、真空预压法的区别1 8 2 3 3 电渗法的优缺点工1 8 2 4 电渗固结方程2 0 浙江大学硕士学位论文目录 2 4 1 基本假设2 0 2 4 2 电渗固结方程的推导。2 1 2 4 3 电渗一维固结理论2 2 2 5 本章小结2 8 第3 章土体电阻分析及电渗准备试验2 9 3 1 引言2 9 3 2 土体三相并联电阻率模型及工程应用2 9 3 2 1 粘土三相电阻率模型3 0 3 2 2 工程应用3 4 3 2 3 结论3 8 3 3 电渗中的界面电阻问题。3 8 3 3 1 界面电压降假设3 9 3 3 2 界面电阻试验验证4 0 3 3 3 幂面电阻的确定4 2 3 3 4 界面电阻的尺寸效应4 3 3 4 准备试验4 4 3 4 1 电渗基本试验4 4 3 4 2 电渗辅助试验4 5 3 5 本章小结5 0 第4 章电渗试验装置和试验方案5 1 4 1 引言5 1 4 2 试验装置5l 4 2 1 主体部分5 2 4 2 2 加载系统5 2 4 2 3 试验桌5 3 4 2 4 电源5 3 4 2 5 测量系统5 3 4 3 试样材料及仪器安装5 4 4 3 1 试验材料5 4 l x 浙江大学硕士学位论文目录 4 3 2 仪器安装5 5 4 4 试验方案及试验内容5 5 4 4 1 试验方案5 5 4 4 2 试验内容5 6 4 5 本章小结5 7 第5 章电渗固结试验分析及讨论5 8 5 1 引言5 8 5 2 试验目的5 8 5 3 试验过程5 8 5 4 试验结果分析5 9 5 4 1 排水量的变化一5 9 5 4 2 电流和能耗变化一6l 5 4 3 电势分布6 4 5 4 4 土体沉降变化一6 7 5 4 5 抗剪强度变化一6 8 5 4 6 含水量变化。7 0 5 4 7 观察到的其他现象一7 2 5 5 本章小结：7 3 第6 章总结与展望7 5 6 1 研究总结7 5 6 2 问题及展望7 6 参考文献7 8 作者简介。8 2 x 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在我国东南沿海地区，分布着范围广泛的淤泥质软粘土层，因其特有的高含水量、高 压缩性、低抗剪强度等不良特性而给工程实践带来了很多困难。因此工程中采用了各种方 法加速排出软粘土中的孔隙水，如堆载预压法、真空预压法等。随着工程建设的发展，一 种新的地基处理方法电渗法逐渐得到应用，并在软粘土的地基处理中拥有越来越广泛 的发展空间。 电渗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，并逐渐固结的一 种地基处理方法。渗透、固结和稳定性问题是岩土工程分析与设计的主要内容，对于电渗 法的研究包括了岩土工程研究中的两个重要方面：土体的渗透研究和固结研究，其中水在 土体中的流动问题最为重要。鉴于土体中孔隙大小和形状的不规则性，土体中水在孔隙中 的流动也十分复杂。其中，不同种类土体中的渗流情况也不尽相同，对于粘性土来说，土 体中粘粒含量和胶结状况对土体的性质起着决定性的作用。由于粘土颗粒具有较大的比表 面积和带电量，在与水相遇后，将产生复杂的物理化学变化，并具有胶体分散系的一些特 征。粘土颗粒表面的带电现象最早是俄国学者r e u s s 【1 】在1 8 0 9 年发现的，他所做的试验 表明：土中水在土体两端施加电压的情况下会在土体的孔隙中进行移动。 颗粒极小的粘粒本身带有一定的负电荷，在直流电场的作用下向正极移动，这种现象 叫做电泳。水分子随着水化阳离子一起向阴极移动，这种现象叫做电渗。电泳、电渗现象 是同时发生的，二者统称为电动现象。电动现象可以用来加固软粘土地基，采用电渗法处 理软土地基，可以使土体在短时间内达到降低含水量、完成固结、提高土体强度的目的， 该方法在国内外已经有了一些实用例子【2 1 。 随着科学研究和思维方法的不断创新，人们对电渗现象有了更为系统的认识。与此同 时，电渗法的应用领域也在不断地扩展，其在岩土工程中的重要性也越来越受到关注。本 文拟就电渗固结的理论进行详细的阐述，重点对软粘土电渗固结进行了一系列的室内试验 研究，直观地反映了电渗固结过程中的各种物理量的变化规律，为今后的室内研究及现场 电渗法处理软粘土地基提供一定的依据。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 电渗固结的研究现状 土壤中的电渗现象最早由俄国科学家r e u s s 在1 8 0 9 年发现，他发现了在外界电势的 作用下，液体在土体孔隙中移动的现象。他分别进行了如下两组试验，第一组试验是在一 个贮有清水的u 形管内放入石英粉，并在石英粉两边各插一根电极棒，如图1 1 ( a ) 所示， 当电极棒接通直流电时，不久即发现阴极一边的水位比原来高了2 5 c m ，阳极一边的水位 却下降了相等的高度，这种液体通过无数毛细管组成的隔膜而移动的现象叫做电渗。 第二组试验是在潮湿的粘土块中，插入两根玻璃管，管内撒上一层净砂，并在管内注 入清水至同样高度，然后在管内放入电极并在电极两端施加直流电。经过一段时间后出现 了如图1 1 m ) 所示的现象：正极所在的玻璃管内水慢慢混浊起来，同时水位逐渐下降，这 种现象说明极细小的粘粒本身带有一定量的负电荷，在直流电场的作用下向正极移动，这 种固体颗粒在电场中移动的现象叫做电泳；负极所在的玻璃管内，水仍然是清澈的，但是 水位会不断升高，这说明水分子在直流电场的作用下向负极移动，由于水中含有一定量的 阳离子( k + 、n a + 、c a 2 + 、m 孑+ 等) ，故水的移动实际上就是水分子随水化阳离子一起移 动，这种现象也叫电渗。同时他还发现这种现象的有无同电极之间的距离无关。 厂厂 清水位阿 h i j 粘 0 、三梦、l 卖 ? 、 、7 ( a )( b ) 图1 1 电渗，电泳装置试验图 继电渗的各种现象在1 9 世纪到2 0 世纪初期的不断发现之后，电渗逐渐应用到生产生 活的各个领域，电渗在岩土工程中应用的相关理论也不断发展。在r e u s s 发现电渗现象 之后，h e l m h o l t z 首先从双电层的概念出发，用数学方法来表示电渗现象，后经后人的修 正和发展，形成了h e l m h o l t z 电渗公式。c a s a g r a n d e 于1 9 3 9 年第一次将电渗现象引入到 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 土力学【3 】中，并首次将电渗技术成功应用于铁路挖方工程中。e s r i g 于1 9 6 8 年提出了一维 电渗固结理论 4 】，解释了电渗过程中孔隙水压力的增长与消散现象。l e w i s 于1 9 7 3 年给出 了电渗的二维固结理论的控制方程【5 】并给出了电渗的数值解法，该方法可以考虑电渗过程 中电流的变化。w a n 和m i t c h e l l 于1 9 7 6 年在e s r i g 一维固结理论的基础上提出的一维固 结理论包括了电渗和堆载共同作用下土体的固结特性 6 】，并提出了电渗加固中的“电极转 换”技术。b a n e 巧e e 于1 9 8 4 年，结合电渗仪实验，提出了比一维电渗固结理论更为精确的 理论解【7 1 ，用于描述三轴电渗仪内超孔隙水压力的增长过程。h 等在1 9 9 1 年使用自行研 制的小型电渗仪对灵敏性黏土的电渗加固法进行了室内实验研究【8 1 ，并对加固过程中土 体的孔隙水压力、电势、土体变形等进行了监测，同时比较了加固前后土体强度的变化， 结果说明电渗对此类土是有效的。1 9 9 6 年，s h a n g 等提出了高压条件下的“土水电解 质”理论【9 】，并对高压( 1 0 3 0 k v ) 直流和交流电作用下的软黏土加固效果进行对比，结果表 明直流高压电场下，土体中会产生更高的负孔隙水压力，地基加固效果更佳。同时，在达 到某一临界电压前，加固效果随着外界电压的升高而不断加强。l a u r s e n 等于1 9 9 7 年进行 了斑脱土和天然黏土的电渗室内实验研究【10 】，结果表明：钠基斑脱土和钙基斑脱土的电渗 透系数均随含水量的增大而不断增大，并且与土体的含盐量无关；丹麦黏土的电渗透系数 随含水量的增大而不断增大，但- 9 土体的含盐量有关。1 9 9 8 年，s h a n g 提出了电渗联合堆 载预压加固法的理论模型1 1 】。c h e n 掣1 2 1 于1 9 9 9 年进行了电渗的相关现场试验，对电渗过 程中土体电导率和p h 值的变化进行了一系列的研究。c h e n 的现场试验中电极水平布置， 阳极使用金属网，位于地表，上面覆细砂和回填土，阴极采用石墨，并位于2 2 m 深处。 通电土体约2 0 m 3 ，电势梯度为2 0 3 1 v m ，电流为4 2 5 7a ，一共消耗电能5 5 0 0k w h 。 m i c i c 等【1 3 】于2 0 0 1 年研究了“间歇通电”技术在电渗中的应用效果，指出间歇通电技术不仅 可以减少电渗过程中的阳极腐蚀，同时还可以减小电力消耗。s u 等【1 4 】在2 0 0 3 年给出了不 同边界条件下的土体二维电渗固结的理论解答。因电渗加固中电能大量消耗在电极与土间 的界面电阻上，b u m o t t e 等于2 0 0 4 年对电极进行了特殊的化学处理 ”j6 1 ，减小了界面电 阻的同时也提高了电能利用率。因传统金属电极在电渗中产生电化学腐蚀，存在造价高、 不易控制等缺点，近年来产生了一种被称为电动土工合成材料的新型合成材料 1 1 8 】，可作 电渗电极使用，大大减少了电极在电渗过程中的损耗。 随着电渗这种新技术的不断发展，国内学者对电渗的研究也越来越多。国内最早研究 电渗的是汪闻韶，他提出了电渗和水力渗透混合流的公式【l9 1 ，并阐述了电渗加固软土的机 理。周顺华等提出用电渗法对铁路公路等路基进行处理，并对电渗法的经济性进行了讨论 1 第1 章绪论 方法，并进行了室内模型实验研究。与此类似，房营光等【2 8 1 应用真空预压与电渗联合加 固法对碱渣土进行了室内模型实验研究，赵建国等【2 9 1 提出了电渗与强夯联合法用于软弱 地基的加固。 综合来看，现有的工作已经涵盖了电渗法的多个研究方面。理论研究不仅提出了电渗 的一维、二维固结理论，并给出了相应的解析解和数值解，同时对电渗中的电现象进行了 有益的探讨；实验研究一方面对电渗的相关理论进行了验证，另一方面，致力于提高电渗 电能利用效率，如发展了“电极转换”、“间歇通电”等技术，并通过对电极进行化学处理减 小界面电阻、使用堆载预压与电渗联合加固、真空预压与电渗联合加固等实用技术。同时， 电动土工合成材料的发明具有十分重大的意义，这种材料既可以作为电渗过程中的排水通 道，也可以作为不腐蚀的电极，使电渗过程加固更容易控制。 1 3 电渗固结在工程中的应用 电渗法在土木工程中的第一次运用要归功于c a s a g r a n d e ，他最先意识到电渗法在处理 致密土中抗剪强度和稳定性起到的作用，并于1 9 3 9 年在德国s a l z g i t t e r 一段铁路的地基加 固上成功使用了电渗技术 3 1 。以后，该项技术被逐渐应用到加固斜坡、堤岸、水坝上；提 高金属摩擦桩的轴向阻力；减小桩的负摩阻力；提高试验中地锚的抗拔力；提高高灵敏软 弱土对周期荷载的抗力；在现场工程和室内试验中加快细粒土固结；向土中注入水泥浆和 控制土中水量。 电渗处理过程中，同时还可以通过向土中引入多价离子，比如铝离子和铁离子来提高 土体的强度【3 0 1 。这些多价离子来自外部的电解质溶液或是正极电解的产物，这些形式的 处理被叫做电化学处理。电化学处理也可以用来加固膨胀土。 电渗法在国内的应用也有了一定的发展：例如在围海围堰工程中1 3 1 1 ，施工中经常采 用的围堰形式有土石围堰、钢板桩型围堰、混凝土围堰、木笼围堰、竹笼围堰、草土围堰 和吹填沙袋围堰等，最常见的是吹填沙袋坝。吹填沙袋坝因其固结快，抗冲刷能力强，得 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 到了广泛的应用，但其渗透系数要求大于或等于1 0 一c n l s ，在一定程度上影响其应用。我 们可以将吹填沙袋坝和电渗技术结合起来，把粗颗粒的土替换为颗粒较细的海湾泥，然后 用电渗法处理使其在短时间内完成固结，以满足围堰要求，这样既节省了土资源，又减少 了投资。并且经试验验证其抗冲切能力强、安全性高，可适用于各类围海围堰工程。 电渗法在处理基坑降水中的效果也很好，例如新民排涝站【3 2 的降水采用了电渗和井 点降水相结合的方式进行排水，并取得了很好的效果。其原理是利用井点本身作为阴极， 并沿基坑外围布置，同时以钢管( 妒5 0 7 0 m m ) 或钢筋( 伊2 5 m m ) 作为阳极，垂直埋设在 井点内测，阴阳两极分别用电线连接成通路，在阴阳两极间通以直流电。在外界电场的作 用下，带负电的土颗粒向阳极移动，带正电荷的孔隙水向阴极方向移动并逐渐汇集排出。 在电渗与真空的共同作用下，迫使粘土中的水在井点附近聚集，并向井点管内快速排出， 在井点管内连续抽水，地下水位就会逐渐降低。电极间的土层形成一个电帷幕，在电场的 作用下，组织地下水从四面流入坑内。 在处理软弱地基中，电渗法也有明显的效果，例如沪杭复线软基问题 3 3 1 。从成本的 角度分析，每延长1 公里路基所加固消耗的铁量并不大，所消耗的电量与封锁线路带来的 经济影响相比，应该是比较次要的。但在电渗法施工过程中不宜采用较高的电压梯度，通 过延长电渗处理的工期，即可以达到较好的加固效果，也可以降低电量消耗。电渗同时也 可以运用到城市固体垃圾填埋场的污染处理中，例如重庆市城区固体垃圾填埋的污染处理 畔 就是运用了电渗法。综上所述，电渗法已经越来越多地应用到我们生产生活的各个方 面，电渗法对于我们岩土工作者来说，尤为重要，如何利用好这一方法处理工程中的问题 值得我们进一步的研究和不断地实践。 1 4 本文所做的工作 本文作者首先对电渗的机理和现有的一些电渗固结基本理论进行了阐述，概述了国内 外电渗应用于岩土工程的若干理论和发展现状以及电渗固结方程相关理论，然后，针对东 南沿海地区的特殊土质淤泥质软粘土进行了一系列室内电渗试验及分析，具体工作如 下： ( 1 ) 详细阐述了电渗排水固结的微观过程和基本原理，归纳了电渗法的优缺点和适用 范围；同时，发展了电渗一维固结理论，给出了三种不同边界条件下的解析解，分析了电 渗过程中孔隙水压力和固结度的变化规律。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 2 ) 在三相并联电阻率模型的基础上，对软粘土电渗试验前的土体电阻进行估算分 析，为实际电渗工程中的电阻估算提供依据。 ( 3 ) 针对淤泥质软粘土进行了电阻率试验及电渗透系数试验，加深对土体电渗中土体 基本物理量的认识。 ( 4 ) 重点对淤泥质软粘土在不同的初始条件和通电条件下进行了四组电渗试验，对淤 泥质软粘土在电渗前后以及电渗过程中的物理力学性质变化规律进行分析，并对电渗在软 粘土加固中的效果进行说明。 作者先后进行了土体基本试验、电阻率试验、电渗透系数试验、电渗试验等。本文将 主要围绕电渗及其相关试验进行，所用试验装置均为自主研制，其中电渗试验所用装置与 后期电渗堆载联合试验所用装置为同一装置，该试验装置现已取得国家实用新型专利。 6 浙江大学硕士学位论文第2 章电渗固结机理及其相关理论 2 1 引言 第2 章电渗固结机理及其相关理论 电渗法作为一种软粘土地基处理方法而不断应用于工程实践中。电渗法用于软粘土地 基处理的目的是促使软粘土排水固结，以提高其抗剪强度，满足实际工程需要。在电渗工 作开始前对电渗法作用机理进行了解十分重要。 本章将对电渗固结的微观机理及电渗过程中的相关问题，如：电渗的产生条件、能量 消耗、电化学反应等进行阐述；同时，对比电渗法与堆载预压法、真空预压法的作用效果， 给出电渗法的使用范围，并证明电渗法的优越性和有效性；最后，对电渗一维固结理论进 行详细的阐述。 2 2 电渗固结机理 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、流动电位、迁移或沉积电位。在 潮湿的土体两端施加电位后，土中阳离子向阴极移动，这些阳离子同时拖拽水使水朝向阴 极运动，形成水流运动，这种现象称为电渗；表面带负电荷的土颗粒在电场的作用下向阳 极移动，称为电泳；水在水位差之下在土体中流动时，流动方向上双电层的电荷被位移， 在土体相对两侧间产生了与水流流量成正比的电位差，称作流动电位；带电土颗粒相对于 溶液的运动而产生的电位称为迁移或沉积电位。 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。其中，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【35 1 ， 如图2 1 。 在上述四种动电现象中，电渗涉及到水在土体中的流动，其对工程的意义尤为重要。 在电场的作用下，土体中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，电渗流即能持续下去，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，随着时间的持续，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。 浙江大学硕士学位论文第2 章电渗固结机理及其相关理论 电力梯度引起水的流动 a e ( d c ) ( a ) 电渗 电力梯度引起颗粒的运动 a e ( d c ) ( c ) 流动电位 2 2 1 电渗固结的微观机理 图2 1 动电现象 ( a ) 水分子结构图 颗 粒 运 动， 电泳 阴极 ( d ) 迁移或沉积电位 颗 粒 运 动 出 生 的 电 位 e 1 双电层，2 一吸附层，3 扩散层，4 强结合水层 5 弱结合水层。6 - 自由水层 ( b ) 土颗粒表面水 图2 2 水的微观结构及土颗粒表面水分子分布图 电渗作用下，土中水在电场作用下被拖拽向阴极移动，相当于对水产生一个吸力，把 孔隙中水从阳极吸向阴极而排出，这种吸力可以认为是一种负的孔隙水压力，根据有效应 8 浙江大学硕士学位论文第2 章电渗固结机理及其相关理论 力原理，在总应力不变的情况下，当孔隙水压力为负的情况下，土体的有效应力应该为正 值，因此土体在有效应力作用下产生沉降并逐渐固结，土体强度也随之增加，进而地基承 载力不断提高，这就是电渗法加固软粘土地基的机理。 土体中的水包括自由水和结合水，其中结合水又分为强结合水和弱结合水，当土中弱 结合水较多时，土体的流动性越强。堆载预压和真空预压法处理地基所排出的是土体中的 自由水，而电渗法处理地基排出的是土中的自由水和弱结合水。 由土体的微观结构可知：土中水分子是一个极性分子，见图2 2 3 6 1 ，氢原子一端显正 电荷，氧原子一端则显示负电荷，因此水分子在外界电场的作用下会产生一定的排列特性， 同时易和水中溶解的阳离子结合形成水化阳离子，土颗粒表面带一定的负电荷，在表面电 荷电场的作用下，靠近土颗粒表面的极性水分子和水化阳离子因受到较强的电场引力作用 而被土颗粒牢牢吸附，形成固定层，即强结合水层，强结合水因受较强的吸附作用而不易 排出，且接近固体，但对土体加固影响不大；在紧贴固定层外面的极性水分子和水化阳离 子受到的静电引力较小，同时分子间的资源扩散运动相对明显，这层称为扩散层，也叫弱 结合水层，这层中水分子及水化阳离子仍受到静电引力的影响，因此普通的堆载预压和真 空预压法不易将其排出，电渗法因其在土体中施加电压而将原有的静电平衡打破，可以达 到排出弱结合水的效果；在扩散层外面不受到土颗粒表面电场影响的这部分水叫自由水， 因该部分的水分子极性带电或是被阳离子结合成水化阳离子，在电渗通电的情况下，迅速 排出。 电渗过程中，土体两端施加电压后，在土体中会产生一系列的电解反应，在阳极处可 能的化学反应有： m 彳一m 一( 凹) + n e 一 ( 2 1 ) 6 h 2 0 0 2 ( g ) + 4 h 3 0 + ( a q ) + 4 e 一( 2 2 ) 上述两组反应是同时发生的，其中m a 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h 3 0 + 该阳离子可以降低阳极 附近的p h 值。在阳极产生酸性离子的同时，阴极产生碱性离子，阴极处的反应如下： 2 h 2 0 + 2 口一专2 0 h 一( a q ) + 皿( g ) ( 2 3 ) 2 只矿( a q ) + 2 e 一一2 致d + 致( g