（岩土工程专业论文）电渗中电化学现象的试验研究.pdf

删| f f l 删f ! | | i 删洲f y 18 8 0 8 7 4 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学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 明并表示了谢意。 签名：巫垂律 日期：趋! ：生：主叟 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：脚新( ：锄矸日期驯l 州。 r t l 武汉理 人学硕十学位论文 摘要 电渗排水固结法具有固结速度快、安全环保等优点。但由于电极腐蚀、能耗 大等技术问题没有得到很好的解决，导致电渗在很多地方还存在很大的局限性， 无法成为软土处理中的常规手段。此外，对电渗问题的理论研究常忽略其作用 过程中涉及的电化学问题，使目前电渗方面的设计和计算还在使用在较早研究 阶段的理论。因此，对电渗中电学及化学问题的深入探讨，在完善电渗固结理 论和指导电渗实践上的应用上都具有极其重要的价值。鉴于此，本人在研究电 渗相关理论的基础上，利用自制的电渗模型箱进行了多组不同条件下的电渗试 验。 本文的主要工作和成果如下： 1 较全面地总结了国内外电渗法的固结理论；在已有研究的基础上，对电渗 排水固结的微观过程及土体中的电现象进行了阐述。 2 在单向排水条件下，电渗后的土体含水量分布不均。电渗对各土体排水效 果从优排序为淤泥质土、重庆粘土、膨胀土。 3 电渗过程中，电流随时间呈负指数增长，用能量分析法对电渗的最终电流 进行了验证，并提出临界能级密度的概念。 4 土体本身的电阻变化并不大，它不是电流的减小的主要原因，界面电阻随 着土体阳极处的含水量变小而增大。 5 间歇通电会使土体的临界排水能级密度增大，不利于排水。 6 用电渗法对膨胀土进行排水固结，阳极附近的土体膨胀率会变小，阴极附 近的膨胀率增大。 关键词：电渗，电化学，模型试验，地基处理 武汉理工大学硕学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o o s m o s i si sat r a d i t i o n a ls o f ts o i lr e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u ew i t ht h e a d v a n t a g eo ff a s tc o n s o l i d a t i o ns p e e d ，s a f e t ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n h o w e v e r , t h i st e c h n i q u es t i l lh a ss o m el i m i t a t i o n ss u c ha se l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o no f e l e c t r o d e sa n dh i g he l e c t r i c e n e r g yc o n s u m p t i o ne t c i na d d i t i o n , s t u d yo n e l e c t r o o s m o s i so f t e ni g n o r e se l e c t r o c h e m i s t r yp r o b l e mi n v o l v e di ni t s p r o c e s s d e s i g na n dc a l c u l a t i o no fe l e c t r o o s m o t i ca r es t i l lb a s e do ns o m ee a r l yt h e o r y t h e r e f o r e ，e x t e n s i v es t u d yo ne l e c t r i c a la n dc h e m i c a lp r o b l e m so fe l e c t r o o s m o t i ci s e x t r e m e l yo fv a l u ei nt h ei m p r o v e m e n to ft 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 nt h e o r y a n dt h eg u i d a n c eo fi t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nv i e wo fi t ，s e v e r a ls e r i e so ft e s t sw e r e c o n d u c t e di nc u s t o m b u i l te l e c t r o o s m o t i cm o d e ib o x 。 1 1 1 em a i ns 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 1 1 1 ec o n s o l i d a t i o nt h e o r yo fe l e c t r o o s m o s i si nt h ec i v i l e n g i n e e r i n gw a s s 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 de l e c t r o c h e m i s t r yp h e n o m e n aw e r e c o n c l u d e db a s e do nt h el i t e r a t u r e sp u b l i s h e d 2 a f t e re l e c t r o o s m o t i cc o n s o l i d a t i o n , t h es o i lw a t e rc o n t e n ti si n h o m o g e n e o u s u n d e rt h eo n e d i m e n s i o n a l d r a i n a g ec o n d i t i o n s r n l ee f f e c tt h a te l e c t r o o s m o t i c c o n s o l i d a t i o nm a k eo nt h es o i li nd r a i n a g ec a nb eo r d e r e da s ：s l u d g e c h o n g q i n g c l a y j i n g z h o ue x p a n s i v es o i l 3 d e c r e a s i n go ft h ee l e c t r i c c u r r e n td u r i n gt h ep r o c e s so fe l e c t r o o s m o t i c f o l l o w e dac e r t a i ns t y l eo fe x p o n e n t i a lf u n c t i o n ac o n c e p to fc r i t i c a le n e r g yl e v e l d e n s i t yo fs o i lw a sp r o p o s e db a s e do nt h ee n e r g ya n a l y s i sm e t h o d ，a n dt h ef i n a l e l e c t r i cc u r r e n tw a sv e r i f i e dv i ae x p e r i m e n t sa sw e l l 4 n l ec h a n g eo fi n i t i a lr e s i s t a n c eo fs o i lw a ss m a l l ，w h i c hw a sn o tt h em a i n r e a s o nf o rt h ed e c r e a s eo ft h ec u r r e n t ，t h ei n t e r f a c ee l e c t r i cr e s i s t a n c ei n c r e a s e dw h e n t h ew a t e rc o n t e n to fs o i ln e a ra n o d ed e c r e a s e d 5 c r i t i c a le n e r g yl e v e ld e n s i t yo fs o i li n c r e a s ew h e na p p l yt h et e c h n i q u eo f i n t e r m i t t e n te l e c t r i f y i n g ，t h i sp h e n o m e n o ni sd e t r i m e n t a lt ot h ed r a i n a g e 6 a f t e re l e c t r o o s m o t i ct r e a t m e n t ，t h ee x p a n s i b i l i t yo ft h es o i ln e a rt h ea n o d e d e c r e a s e da n dt h a to ft h es o i ln e a rt h ec a t h o d ei n c r e a s e d k e yw o r d s ：e l e c t r o - o s m o s i s ，e l e c t r o c h e m i s t r y , m o d e lt e s t ，g r o u n di m p r o v e m e n t i i 武汉理工人学硕士学位论文 目录 第一章绪论 1 1 弓i 言一1 1 2 电渗在岩土工程的发展过程1 1 3 本文主要研究工作及技术路线3 第二章电渗微观机理及其固结理论。5 2 1 电渗的微观过程5 2 2 电流在土体中的传导6 2 3 电表面现象及双电层7 2 4 电渗的加固机理和条件l0 2 5 土的水力渗透系数与电渗透系数1 1 2 6 电渗的固结理论13 2 6 1e s r i g 理论1 3 2 6 2 电荷累积理论17 2 6 3 基于能量法的电渗理论2 0 2 7 本章小结2 2 第三章电渗一维固结实验。 3 1 试验目的和试验内容2 3 3 2 实验概况2 3 3 2 1 试验装置2 3 3 2 2 试验过程2 4 3 3 试验观测结果及初步分析2 6 3 3 1 含水量分布2 6 3 - 3 - 2 排水量和电流2 7 3 3 3e l o g p 曲线2 9 3 3 4 土体内部电压分布2 9 3 3 4 试验中观测到的现象3 0 3 3 4 电耗与排水3l 3 3 本章小结3 2 第四章电渗固结试验分析 4 1 电流变化规律的试验研究3 3 u l i 武汉理_ 大学硕： 二学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀下匕 土是一种孔隙互相连通的多孔介质，土中水在水头差的作用下可以通过孔 隙面产生流动，这种现象称为渗流。但粘性土这一特殊的介质( 孔隙不规则、 表面积大而且本身带有电荷) 遇水时会发生一系列复杂的物理化学反应，所 以水在土体中的流动其实是非常复杂的。工程中常遇到透水性差的软土地基， 若采用预压法对其排水，孔隙水压力消减很慢而难以对其进行固结，采用电 渗法能却产生较好的效果。 电渗法是指软土中插入电极并施加直流电，通过产生电动及电化学等效 应，对土体进行排水固结。该方法是一种特殊的加固方法，具有噪声小、排 水速率快、安全环保等优点，可用于固结排水和环境治理等方面。 目前对电渗的基本加固机理的理解已趋近成熟，所做的科技研究以及工程 应用也涵盖了电渗的多个研究方向。但电渗中存在的问题如电极腐蚀、耗能 大等技术问题没有得到很好的解决，导致电渗在很多地方还存在很大的局限 性，无法成为软土处理中的常规手段。此外，对电渗问题的理论研究大多对 其进行过多简化，忽略对作用过程中涉及的电化学问题，使目前电渗用于实 践的设计和计算还在使用在较早研究阶段的理论。因此对电渗中电学问题及 化学问题进行深入探讨，无论在完善电渗固结理论和指导电渗实践上的应用 都具有极其重要的价值。 1 2 电渗在岩土工程的发展过程 1 8 0 7 年，俄国科学家列斯( r e u s s ) 【1 1 通过实验发现粘土颗粒是带电性的。将 电极插入一块潮湿的粘土并套上玻璃管，在玻璃管中撒一些洗净的沙，加水 至相同的高度，接通直流电后发现：阳极管中，水自上而下的慢慢浑浊且管 中水位逐渐下降；而阴极管中中水仍是非常清澈，但是水位逐渐升高见( 图 1 1 ) ，这说明粘土颗粒和水在这个过程中受到电场的影响而在移动。我们把固 武汉理t 大学硕十学位论文 体颗粒在直流电作用下向某一电极移动的现象称为电泳；而水分子向相反电 极移动的现象称为电渗。 图1 1 列斯的电渗试验 通过这个实验，列斯得出结论：直流电场中的液体会通过有孔固体介质向 阴极移动，这种运动的力可以克服重力和固体介质的阻力；这种运动可以使 液体从一处向另一处转移很大的距离。土中的电渗现象引起了世界各国相关 领域的学者们的极大兴趣，此后关于电渗问题的理论研究和实践应用都得到 了很大的发展。 在理论研究方面：1 8 7 9 年，海姆赫兹( h e l m h o i t z ) 【2 】用平板双电层模型对电 渗进行了理论解释，提出经典的大孔径理论；1 9 0 4 年，p e 玎i n 【3 j 对电渗流进行 的条件进行了研究，发现电渗流的方向受p h 值的影响；1 9 1 0 和1 9 1 3 年g o u y 和c h a p m a n l 4 1 分别修正h e l m h o i t z 的模型，并提出了扩散双电层模型；1 9 4 2 年，s t e r n l 5 1 修改扩散双电层的模型；1 9 4 7 年，g r a h a m e 进一步发展了s t e m 的 模型，将电层分为内层和扩散层。1 9 5 0 年s c h m i d l 2 】提出电渗的微观动力学模 型( 即小孔径理论) ，该理论考虑了双电层的扩散以及孔隙水中存在过量平衡 电量的情况。1 9 6 8 年e s r i g 6 1 对处于均匀电场下电渗水流运动情况进行分析， 提出了电渗的一维固结理论，此理论为当后的电渗设计及计算提供了基础。 1 9 7 6 年，w 抽和m i t c h e l l 7 1 等人对e s i t g 理论进行改善使之适用于电渗和堆载 共同作用的情况。国内，汪闻韶【8 j 最早开始了对电渗加固方法的研究，提出了 电渗和水力渗透混合流公式。胡俞晨【9 j 对电动土工合成材料( e k g ) 进行了室内 试验研究。庄艳峰【lo j 从能量的角度提出了能级梯度理论，并探讨了电极与土 2 武汉理工大学硕：仁学位论文 体之间的界面电阻问题。 在应用实践方面：1 9 3 9 年，德国卡萨格兰德【l l 】首次将电渗法应用于萨尔 兹告脱铁路路基的开挖工程中。1 9 7 7 年l j a r e dw e s t 1 2 】将电渗法用于清洗含有 硝酸铅的污染土；同年，j q s h a n g 和k yl o 1 3 j 对含磷肥的粘土进行了电渗 净化。电渗处理软土还可以向土中引入多价离子，如电渗硅化法用硅酸钠( 水 玻璃) 对基地进行化学加固，此法适用于局部处理工程，如制止流砂、堵塞 泉眼以及局部地基加固等。此外，在围海围堰工程【1 4 】中将吹填砂袋坝和电渗 技术结合起来，把粗颗粒的土替换为颗粒较细的海湾泥，再用电渗技术将其 快速固结，能满足围堰要求并且节省投资。近年在电渗法在国内的工程中被 采用，如上海宝钢无缝厂铁皮坑工程、沪杭复线软基【15 j 等问题。电渗法在工 程应用实例如表l l 所示： 表1 1 电渗法的工程实例 建设时电极问电压梯 工程名称电压( v )处理目的国家 间 距( m )度( v c m ) b i gp i er i v e r 1 9 5 97 0 1 2 06 9o i 0 1 7 提高桩承载加拿 b r i g d e 力大 胎s tb r a n c h 1 9 6 4 1 5 06 0 0 2 5 降低地下水 美国 d a m位 r e v e l s t o k e 1 9 7 91 6 04 5 60 3 6 0 2 6基坑开挖 美国 d a m 上海宝钢无缝 厂铁皮坑工程 1 9 8 3 4 0 6 0 1 2 0 4 3基坑开挖中国 中船龙穴造船 基地工程 2 0 0 73 82 40 1 9 o 1提高承载力 中国 浙东引水萧山降低地下水 枢纽工程 2 0 0 94 5 ：6 01 50 3 0 4中国 位 天津中心吹填提高地基承 造陆区工程 2 0 1 0稳流4 中国 载力 1 3 本文主要研究工作及技术路线 本文在归纳总结现有电渗理论和国内外电渗实验研究成果的基础上，采取 试验研究和理论分析相结合的方法，尝试用新的技术和设备对电渗进行研究。 3 武汉理工火学硕十学位论文 本文主要研究内容有： 1 对土体的导电过程及电渗法的微观机理进行系统综述，回顾e r s i g 一维 固结理论、电荷积累理论及基于能量法的电渗理论。 2 通过一维固结试验研究土体在电渗过程中各种电学参数的变化过程。 3 通过一维固结实验，测定电渗过程中土体的电阻、电压、电流的变化 进行分析，评价其对电渗效果的影响。 4 对电渗的电渗系数、电迁移系数和界面电阻进行求解，评价其变换情 况。 5 分析电渗过程中各电化学对电渗流的影响并通过岩土工程微观试验分 析土体在电渗前后的性质变化情况。 4 武汉理下大学硕七学位论文 第二章电渗微观机理及其固结理论 2 1 电渗的微观过程 在电渗的研究和实际工程应用中，电极均采用金属电极，现以f e 为阳极 为例分析电渗的微观过程。阳极处，发生氧化反应和水解反应： h 2 0jh + 0 2 + 4 e 凡+ 日+ 专凡2 q ，凡2 + + d 2 专凡3 + f e 3 + 离子与阴极产生的o h 一生成凡( 伽) ，f e ( o h ) ，与水结合生成胶体 使土体变得密实，生成的日+ 离子相阴极移动。随着电渗的进行，阳极被腐蚀 的部分凡3 + 进入水中，再次形成“过量阳离子 ，保证电渗的持续进行。 于此同时，生成的电子克服电场力做功消耗电能，通过回路流向阴极。 于阴极处，发生水解反应： h z 0 + 2 e 专h 2 + 2 0 h 一 c a 2 + + a 1 3 + + m 9 2 + ) + 伽一一 c a ( o 4 ) 2 ，a t ( o h ) ，m g ( o h ) 2 山 阳离子与氢氧根离子发生碱化反应产生沉淀( 见上式) 。同时，土水体系 在电场力的影响下，发生电渗透现象和离子电迁移现象，o h 一离子向阳极移 动水中阳离子，而h + 的移动能力大于o h 一，因此两者并不能完全中和，土体 中靠近阳极的区域形成酸性区，靠近阴极的区域为形成碱性区。若在阴极设 置排水通道，则水从阴极排出，土体含水量降低，孔隙比减小。从以上可以 知道，电荷的流动是电渗进行必不可少的条件，也就是说电流的存在使电渗 能有效进行。 武汉理：r 人学硕十学位论文 2 2 电流在土体中的传导 土中电流的传导是一个非常复杂的过程，涉及电极、土、水之间的各种化 学反应。当在潮湿的土体中插入电极，电极和土中水会发生氧化还原反应： o d + n e 一付r r ( 2 2 1 ) 式中，n e 一，z 个电子的转移；0 和，土颗粒发生氧化还原反应的化 学系数。 氧化反应将电子从溶液带入电极，还原反应则相反。一般的条件下，这个 可逆反应会保持一个动态的平衡，这样在电极和水的分界面上产生的电势( 电 荷的移动必然会产生电流和电势) 我们称之为平衡电势或可逆电势。在平衡 条件下，氧化反应和还原反应的速率是相等的，即有： l + l = i o( 2 2 - 2 ) 式中，厶称为交换电流。如接通电源，则负极( 或正极) 电势超过平衡电 势吃，会有净的阴( 阳) 离子流产生。而电流在粘土中的流通路径有三种4 1 1 ： 沿土颗粒传播、沿孔隙水传播和沿土一水相串而成的路径传播，如图2 1 所示。 当含水量较高时，电流主要通过孔隙水传导；含水量较低时，电流通过土一水 体系共同导电。 翻瞄橡囵液楣口气糟 蓐径l ：希土颗较传著蓐经2 ：氯隙永传譬蓐径3 ：涪土永串联雨戚的路径佳羹 图2 1 粘土中电流的三种流通路径示意刚1 5 】 6 武汉理工人学硕士学位论文 2 3 电表面现象及双电层 电动现象让人们对表界面现象有了初步的认识。通过r u s s e 1 1 的实验，人 们不仅认识到土中的电渗和电泳现象，还意识到与类似于土体这样的介质接 触，会让水( 液体) 带上电荷1 1 6 1 。实验证明：水与大部分固体在接触时都带 负电；而松节油与固体接触则会带正电；醚、石油或骨油与固体接触并不能 带电。 为解释这个现象，q u i n k e j 于1 8 6 1 年通过实验提出双电层概念：电荷在 固体和液体相互接触时并没有产生，只是两者表面的电荷发生了重新分布， 在边界上获得大小相等j 下、负相反的电荷。土中的电渗现象其实本质是实际 上是表界面现象和力学现象的结合，双电层中带电表面和大量溶液之间的相 对剪切运动。双电层模型对土中电动现象的解释起到非常重要的作用，以下 对双电层进行详细的介绍。 由于土体颗粒表面的电性为负值，会在土的四周形成一个电场。在这个电 场范围内的水分子和水溶液中的阳离子( n a + 、c a 2 + 、a 1 3 + 等) 一起被吸附在 土粒表面( 如图2 2 ) 。因为水分子是极性分子( 氢原子端为正电荷、氧原子 端显负电荷) ，它被土粒表面电荷或水溶液中的离子电荷吸引而定向排列。 土粒周围水溶液中的阳离子同时受到土粒形成电场的静电引力作用和布 朗运动( 热运动) 的扩散力作用。这两种相反趋向作用的结果，使土粒周围 的极性水分子和阳离子呈不均匀分布1 1 引。颗粒附近的水化离子和极性水分子 所受静电引力，随着远离土体而减弱，最靠近土体表面的水化离子和极性水 分子被牢固地吸附而形成固定层，在固定层以外，离子的水分子的活动性比 在固定层要大一些，而形成扩散层。 7 v - ) 武汉理下大学硕： ：学位论文 阳离子 恒吐塑楚盒刈自由水 距离 i 合水i 臼 h 图2 2 结合水分子定向排列及其所受电分子力变化的简图 固定层和扩散层中所含的阳离子与土粒表面的负电荷的电位相反，称之为 反离子，固定层和扩散层又合成为反粒子层。该反离子层于土粒表面负电荷 一起构成双电层。固定层中的极性水分子形成的水膜是强结合水，而强结合 水外、扩散层内的水为弱结合水。由图2 2 可知，弱结合水也受土体电场的影 响而定向排列于土体表面附近，但电场力随远离土体表面而减弱。扩散层以 外的水是自由水，其没有受到电场力的影响。 双电层的概念还可以理解为：反离子层是外层，土粒表面负电荷是内层。 粘粒带电荷量的多少，可以用电位的变化来描述。如图2 3 所示。 内层所具有的电位为热力电位。热力电位的大小与土粒的矿物成分、分散 度等因素相关。当这部分电位被强结合水( 包括水化阳离子) 平衡一部分后， 在固定层界面上的电位变成s 电位，电动电位继续吸引水分子和水化阳离子， 直到其对谁的影响完全消失为止。扩散层的厚度首先取决于内热电力单位。 当内层电位一定时，扩散层的厚度可随外界条件的变化而变化。特别是水溶 液中水化离子的性质、浓度、离子交换能力等等。 8 武汉理t 大学硕士学位论文 1 阳离子的原子价高，扩散层的厚度变薄； 2 阳离子的浓度大，扩散层的厚度变薄； 3 阳离子的直径大，扩散层的厚度变薄； 4 阳离力的交换能力，一般高价的交换能力大于低价离子；同价离子中， 半径小的交换能力大于半径大的。常见的离子交换能力顺序如下： f e 3 + a 1 3 + h + b a 2 + c a 2 + m 9 2 + k + l i + n a + 1 234 q 么 b ： ： 斗 一 + 一 + 一 + 一 + 电 蒙 心。 + + 一+ 一 位 ：e 戮 + 一 4 。 一 + 勿： + + - 一 图2 3 双电层的结构机器电位被变化示意图 1 1 层为内层；2 - 2 为固定层：3 - 3 为扩散层；4 4 层为自由液 体：a - b 表示i 刮体表面的电位；d - e 表示液体表面的电位：b e d 曲线表示固体与液体沽面上的电位若，界面上的电位称为热 力电位，其值为s ；c d 曲线表示i 嗣定层与扩散层之间的电位 差，固定层面上的电位称为电动电位 离子交换的结果，会改变土颗粒周围扩散层的厚度。扩散层水膜的厚度对 土的工程性质有直接影响。水膜厚度大，土的塑性高；颗粒之间的距离相对 也大，因此土体的膨胀性和收缩性大，土的压缩性也高，而强度相对降低。 在工程实践中可利用这一机理来改良土质。如用三价及二价离子处理粘土， 使扩散层中高价离子的浓度增加，扩散层变薄，从而增加了土的强度与稳定 性，减少了膨胀性，工程中的电渗化学法就是利用这一原理对土体进行加固， 同时这也曾被用于解释膨胀土的特性的相关研究【4 3 1 。 9 武汉理工人学硕士学位论文 2 4 电渗的加固机理和条件 土体中有五种电动现象，即电渗透、电泳、离子电迁移、流动势、迁移势。 电渗透是指土中水的阴、阳离子和土体颗粒在外加电场作用下被相应吸引往 相应电极。由于水中存在粘滞力，水中阳离子迁移时会带着它们的自由水和 部分弱结合水一起向阳极运动。电泳是指在外加电场下，土中粘土胶粒( 带 负电) 被吸引往阳极移动的现象( 在土体电现象中这种移动非常的微小，在 分析中常忽略电泳的影响) 。离子电迁移是指电渗过程中土中水的阴、阳离子 ( 包括离子络合物等) 在受到电场力的作用下向相应的电极运动的现象。流 动势是指土中水在水头差的作用下发生渗流，因土和水总体显示为电中性， 则水体总体显正电，水的流动产生的电势即为流动势。迁移势是指当带负电 的粘土颗粒在非电场力作用下运动( 沉淀或迁移) ，此时粘土颗粒相当于带负 电的电子，这种运动产生的电势即为迁移势。 上述电动现象中，电渗、离子电迁移和迁移势是与电场的作用相关的。电 渗可以将孔隙水吸向阴极，其产生的孔隙水压力为负值，在电渗经典一维固 结理论中可写为： k u a = 一y w v o ( 2 41 ) 式中，孔隙水压力( 砌) ；屯电渗系数( m 2 1 ，s ) ；吒水力 渗透系数( 聊s ) ：凡水的容重( m 3 ) ；电极之间电势差( v ) 。 从式2 4 1 可算出最大负孔压位于阳极处，根据有效应力原理p = 盯+ ) ， 当总应力不变的情况下，孔隙水压力为负时，有效应力为正( 即有效应力增 大) 。同时阳极被腐蚀和两极电解时也消耗一部分水，降低含水量；生成的胶 体物质可以起到使土体变密实的作用，起到提高土的强度的作用，这就是电 渗的加固机理。 值得注意的是，如预压排水等一般的粘土固结法排出的水是自由水( 土中 水的分类在第三节已经详细介绍，这里就不再重复) ，在电渗法中土体在外加 电场的作用下，部分弱结合水与土颗粒的静电力平衡会被打破，使弱结合水 能够从排水通道排出，这也是电渗与传统排水固结的不同，这是电渗的优势 1 0 武汉理工大学硕+ 学位论文 之一。很明显，电渗与预压排水固结法机理有本质的区别，电渗产生的是负 孔隙水压力不会导致地基承载力不足，即不会产生地基稳定性问题。 根据研剜1 9 】，进行电渗法排水的条件主要有： 1 土体带“负电 ，使土中溶液的阴阳离子的不均衡。而造成土体的负电 性由土颗粒本身的特殊构造决定的( 如边缘破键造成土颗粒内部电荷不平衡、 同晶置换作用、水化解离作用等) ； 2 外加电场；电极、土中溶液保证足够大的电导常数。 2 5 土的水力渗透系数与电渗透系数 电渗透系数是通过模拟达西定律得出的一个类似水力透系数的概念，这两 个系数是电渗中比较重要的两个参数。本节对这两个系数进行做简单的分析 和比较。 根据研究2 们，在电流和水流不影响土的形态的条件下，各通量或流量与 其相应的驱动力置呈线性相关，可表示为： j t = l t i x t( 2 - 5 - 1 ) 式中，厶通量或流量的传导系数；置引起流量的驱动力。 假设土体为除z 方向上的各向同性，即= = 晚，= k = 屯。单位 时间内的渗出水量q 与水力梯度i 成正比，且与土的渗透性质相关，结合式 2 5 1 ，达西定律又可以写为： 式中，k h 水力渗透系数；“水力梯度 在达西定律中，表示为： ( 2 - 5 - 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 吒= 面q t ( 2 - 5 - 3 ) 式中，q 流量：彳土截面积；f 时间；幽水头差；卜一 土体高度。从式2 - 5 3 可知影响水力渗透系数吒的因素主要有：土的矿物成分、 结合水膜厚度、土的结构构造以及土中气体。一些土类的水力渗透系数如表2 - 1 ： 表2 1 各类土渗透系数变化范围 土的种类砂质黄土泥质黄土粘壤土均匀肥粘土 水力渗透系数 1 0 - 3 1 0 4l o - s l o 击1 0 - 6 1 0 。71 0 一1 0 1 0 ( c m s ) 电渗中电流的驱动力是引起水流的因素3 6 1 ，根据耦合流的定义，可以写成 下式： 以= 厶 ( 2 5 4 ) 式中，易耦合系数，且岛= 0 。 外加电场引起的水流可写成下式： q h 2 = 屯乇( 2 - 5 - 5 ) 式中，屯电渗透系数。 根据h e l m h o l t z s m o l u c h o w k i t 2 1 理论中的单根毛细管模型所给的结论： 屯= 筹 蝌) 式中：玎土的孔隙率；f 电动电势，又称为f 电位；d 水的 介电常数；，7 水的动粘滞系数。一些土类的电渗系数【4 4 4 6 1 如表2 - 2 。 武汉理：【人学硕十学位论文 表2 - 2 土的电渗系数 含水量k e 1 0 罐k e 1 0 。8 土的类别土的类别含水量( ) ( )( m 2 s v )( m 2 s v ) 高岭土 6 7 70 5 7灰泥2 9 10 2 6 钙膨润土1 7 0 0 o 2 0云母粉4 9 70 6 9 细砂 2 6 00 4 1石英粉2 3 5o 4 3 从式2 5 6 可以看出，土的电渗透系数f 电位的大小( 即与电解质浓度相 关) 、土的孔隙率聆相关，而与土体颗粒大小无关，这是与水力渗透系数的最 主要的区别。 电渗渗透系数与水力渗透系数是影响电渗过程中孔隙水压消散的重要因 素，对比表2 1 和表2 2 可以发现，在细粒土中电渗系数往往比水力渗透系数 要高出两个数量级，也就是电渗法对处理水里渗透系数小的土的效果是比较 好的，所需的时间也比较短【2 8 1 ，此外需要注意的是，对这两个系数进行求解 的时候，要分清两者的是水平向还是垂直向的。 2 6 电渗的固结理论 2 6 1e s r i g 理论 理论一维电渗固结模型理论于1 9 6 8 年由e s r i g 提出， m i t c h e l l j k 进一步完善，它是经典的电渗固结理论【2 1 1 。 问题做了一定的简化，其假设如下： 1 土体均匀、饱和，排水体积等于土体压缩量体积； 2 土体颗粒的电泳现象非常微小，可以忽略； 3 电势差和水头差引起的水流、电流可以相互叠加， 4 电渗过程中电场无变化，电势在土中线性分布； 5 电渗过程中水平渗透系数和电渗透系数为定值。 水流量与水力梯度和电场的关系为： q = k h i h + 屯之 后由w a n t y 和 e s r i g 理论中对电渗 满足耦合流的定义； ( 2 6 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 电流与水力梯度和电场的关系为：i = o h i h + 吒之，其中吒厶远远小于o e i , ， 则式子为： 根据假设3 ，式2 - 6 1 可写为： i = o e i e p 务罢一屯孚o xy wg 式中；g 孔隙水流动速率( m s ) ； ( 2 - 6 - 2 ) ( 2 - 6 3 ) 凡水的容重； v 电势； “超静孔隙水压力( p a ) ； 吒水平渗透系数( m s ) ； 屯电力渗透系数( m 2 s v ) 。 根据假设1 ，d t 时间内排水量g 等于土体体积压缩量，又根据土力学和 电学，式2 - 6 2 和2 - 6 3 写为： 坊w = 务窘+ 屯骞= 詈 p 6 删 洲= 罢= 吒窘= c p 塑o t ( 2 - 6 - 4 b ) 其中，土的压缩系数；q 土体单位电容量。 有整理两式得： 1 4 武汉理工人学硕+ 学位论文 磐+警鲁：华一0u(2-6-5)0 x 2 吒0 x 20 t 一7 g t = u + k 吒2 y w v ，贝, u j2 - 6 - 5 写为： 詈= g 爵0 2 u 坝堋 ( 2 6 6 ) 其中，g 一水平固结系数d 2 等罢。 式2 - 6 6 即为电渗固结的一维固结方程。e s r i g 给出的一维固结方程与 t e r z a g h i 的堆载一维固结方程类似，但两者的初始条件和边界条件并不同。 下面假定阴极为坐标原点，指向阳极为x 正方向；阴极电势为零，阳极处 电压为外加电势u ，两电极间距为三，对一维固结方程进行求解。 阴极排水，阳极不排水初始条件和边界条件为： 1 阴极与大气相连通，孔隙水压为零，即：1 ，i 脚= 0 ，u l ，= 。= 0 。 2 阳极封闭，则排水量为零，即：g i 。：= o ，1 ，l 础= 3 电势在土中均匀分布，最口：老i 矿一等凡普 通过这三个条件，对方程2 - 6 6 进行求解，得到关于电渗中孔隙水压力的 表达式： 心力= + 鼍产嵩等s i n ( 罕) 可施1 2 岳7 ， 式中m = n + l 2 ；t = c t 1 2 。 对式2 - 6 7 进行积分得到平均固结度： 1 5 武汉理j ：大学硕十学位论文 i u d x 拈卫i o i 2k ，i ( 2 - 6 8 ) 叩h 了4 薹等e x p ( _ m 2 万2 t ) 卿) 分析上述结果，根据式2 - 6 7 ，当f j 时，有z f ( x ) = 一惫九1 ，( x ) ，也就是 说孔隙水压在两极之问成线性分布，在阴极处为零值，阳极处为最大负孔压 即：甜= 一鲁九甜。 e s r i g 对微分方程的边界条件和求解都仅考虑了电渗在土体固结中的作 用，实际上土体中一般都存在初始孔隙压，w a n 和m i t c h e l l 对e s r i g 理论进行 了修正，使之适用于堆载和电渗综合作用的情况。如下： 初始孔隙水压可以写为： 酬t ：0 = u 0 ( 一争 ( 2 - 6 - 1 0 ) 式中，口、均为常数。 在电渗和直接堆载共同作用下：u o o ，口= 0 ，= 1 ，孔隙水压力表达为： ( 2 - 6 - 1 1 ) 一般情况下所说的e s r i g 理论是指经w a n 和m i t c h e l l 修改过的固结理论。 e s r i g 理论通过土力学的角度对电渗的基本规律进行了分析和解释，所给出的 1 6 凡一 翌胍 甜】一1u 三嬲曩 。善砌 量“ 一 盟参一 鱼，竺三 = 眦 舭 一 博 一 武汉理一 大学硕+ 学位论文 孔隙水压公式可以看出孔隙水压并不是均匀分布的，从而导致有效应力增加 的不均匀，也就是土体固结的不均匀。而且该理论对电渗问题的简化使其与 实际不符。实践证明，随着电渗固结的进行，土体各参数都在发生变化，电 场分布为非线性。所以该理论就着一定的局限性。 2 6 2 电荷累积理论 庄艳峰在电渗模型试验中，发现断开电源后阴、阳两个电极和土体中的测 点电压并不是马上消失，而是存在一段消散的过程，他认为在土体内部发生 电荷积累现象，即断开电源后土体内部的离子重新分布，并提出电荷积累理 论，以电荷守恒原理代替电流连续性原理对电渗进行解释【2 2 1 。 该理论中使用到三个基本假定： 1 电学问题和土力学问题的结合：在一定含水量区段内，土体导电率与 含水量成萨比； g = w( 2 - 6 1 2 ) 式中，g 土体的导电率( q 。m ) ；w 土体含水量( 无量纲) ；一 一比例系数( q m ) 2 在阴极排水、阳极不排水的情况下，单位面积的电渗排水流量在空间 上呈线性分布，在时间上按负指数消减； q = ( b z - a ) e 一讲( 2 - 6 1 3 ) 式中，g 排水流速( m s ) ，z 空间坐标轴，阴极为零点，指向阳 极为正；f 时间；a ，b 常数；口反映电渗固结快慢的时间常数。 阴极排水，阳极不排水的情况下，设两极间距为日，阴极的初始排水速率 为吼o 。 根据式2 - 6 1 3 ，t = 0 时阴极的排水流速写为： 吼。= ( 曰o - a ) e - 口巾整理上式得a = - q c 。，也就是说彳反映的是阴极初始排 1 7 武汉理工人学硕十学位论文 水速率。 阳极排水流速为零，写为： o = ( b 日+ ) p 一枷，整理得b = 一等，其反映的是排水速度在空问变化的 情况。 3 通过模拟水力学，假设电荷密度的积累对电势的变化产生影响； q 南害衍 ( 2 6 1 4 ) 式中，q 一一历时间内正电荷密度的增量( 尼m _ 3 ) ；1 ，电势( v ) ；一 电荷累积系数( k m - 3 v - 1 ) 。 并根据广义欧姆定律2 3 】： ，加 _ ，一u 瓦 ( 2 - 6 - 1 5 ) 式中，电流面密度( a r a 2 ) ，其他符号同前。 由欧姆定律、电荷守恒原理q ：一o jd t ，并结合假设三，联合以上几式 o z 可整理为： 笔宴+ g 0 万2 v ：害 ( 2 - 6 - 1 6 ) a z 8 z8 z z鬯a t 、 由含水量和排水量的关系，结合假设2 得： w 2 w o 一老f 2 一笔+ 口b t w p 叫( 2 - 6 - 1 7 ， 将2 - 6 1 7 代入2 - 6 1 2 ，得： 1 8 武汉理上大学硕十学位论文 g ：w ：fw 0 一盟1 + 盟p 一面 ( 2 6 1 8 ) n y 吐s )q y 出 将2 - 6 1 8 代入2 - 6 1 6 ，得： g = k o ( c + d e 唰) c c + 矿，等= 害 热c = 小一射。= 赣。 并根据假设得到的边界条件为： 则求得方程2 - 6 1 9 解析解为： ( 2 6 1 9 ) v = 鲁z + 台高2 v oc 。s 刀万s - n 百n x ze x p ( 一1 n 2 万丁2 【_ r c ，+ 詈( 一p 一耐) ) c 2 6 2 。， 对z 求导得电势梯度： 笔=生+喜鱼cossnnzexp卜一n2刀2【-rh hh h 。+ 里a ( h 叫) 胪6 捌) 昆鲁 1 i 2 l 、 川、 7 将上式带入式2 - 6 1 5 得电流面密度： _ ，= 一屹( c + d e 叫) 净喜一百n ；r z e 冲( _ 等卜如刊) ”2 矗2 2 ) 式中，负号表示电流方向和电压升