赵洪星

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司,北京 101149)

1 研究背景

在我国沿海、沿江以及内陆湖泊的周边地区分布着大量的淤泥质软土，由于其高含水率、高压缩性、低强度、低渗透性等不良工程特性，进行工程建设之前需要进行排水固结处理，以增强土体的承载能力。传统的排水固结方法，如袋装砂井法、堆载预压法、真空预压法等虽然可以在一定程度上降低土体的含水量，但由于淤泥质软土的渗透性较低，使得这些方法的处理周期、加固效果和范围都受到极大的限制[1]。因而，如何快速高效地排出软土中多余的水分，增强软土地基承载能力，成为众多学者和工程技术人员关注的焦点。

近些年，电渗法逐渐被认为是一种较有前途的排水固结方法。与传统固结方法不同，电渗法排水不受土颗粒大小和土体渗透性的影响，且电渗透系数是水力渗透系数的10～1 000倍[2-4]，可以快速排出土体内多余的水分，尤其对高含水率、低渗透性的淤泥质软土，排水固结效果较好。电渗现象首先由法国工程师Reuss发现，他通过在土体两端施加直流电压，发现土体中的水分逐渐由阳极向阴极移动。Cassagrande[5]首次将电渗法应用于铁路路基排水固结实际工程中。Yoshida等[6]利用电渗法处理不同淤泥质软土，并取得了良好的加固效果。Yang等[7]则建立了电渗数值模型，证明了电渗法在加速排水和固结土体方面的优势。Li等[8]研究发现电渗法的有效加固深度比其他疏浚淤泥地基处理方法更深。陈雄峰等[9]发现电渗法可以快速排出淤泥中的水分。程庆臣等[10]则利用电渗法固结渤海湾滩地土，并证明了将电渗应用于围堰坝体的可行性。

从以上论述中可以发现，电渗法在处理淤泥质软土方面具有诸多优势，但也存在一些不足，如电极腐蚀、电渗耗能较高、土壤酸碱化等，限制了其在实际工程中的推广应用。针对这些问题，国内外学者做了大量的研究工作。Glending等[11]将EKG材料代替金属电极进行电渗固结试验并应用于实际污泥脱水工程，取得了较好的加固效果。Bergado等[12]采用石墨电极进行室内试验，提高了电渗排水效率。Micic等[13]采用间歇通电方式加固淤泥质黏土，结果发现电能利用效率大大提高。Mohamedelhassan等[14]则发现间歇通电下土体的电渗透系数高于持续通电。龚晓南等[15]也发现改变通电方式可以提高土体的电渗效果。陈卓等[16]、Zhang等[17]认为改变通电方式可以缓解电渗过程中土壤的酸碱化程度。此外，电渗法的另一主要缺陷就是固结不均匀问题[18]。由电渗法的机理可知，在电场力的驱动作用下，土体中阳极和中部附近的水分逐渐向阴极迁移聚集，形成含水率由阳极到阴极递增的趋势，阴极附近土体含水率甚至会高于初始含水率，导致阴极附近土体抗剪强度低于原状土。针对该问题，不少学者提出多种方法加以改善，如电渗联合堆载预压法[19]、电渗联合真空预压法[20]、电渗联合搅拌法等[21]，但由于堆载预压的工程量大，对场地环境要求高，且堆载预压量难以控制，容易造成地基的破坏。而真空预压法需要复杂的仪器设备，且容易形成泥膜[22]，造成排水板拥堵。搅拌法虽然一定程度上可以提高固结效果，但却受到场地环境的限制，并不适用于已有建筑地基的加固。

电渗排水固结的机理是电场作用下土体中富余的阳离子向阴极移动，并拖拽周围的水分子一起迁移，最终在阴极处聚集排出，从而达到降低含水率的目的。因而，通过阳极添加电解质溶液可以增加土体内离子含量，促进水分的迁移排出，且已被许多实验证明。冯清鹏等[23]通过在阳极处添加CaCl2溶液的方式，使高岭土最终排水量提高了10.9%，抗剪强度增加了16.4 kPa。Gray[24]则采用电渗联合AlCl3溶液方法处理伊利石和蒙脱石黏土，结果发现电渗后伊利石和蒙脱石黏土强度分别增加了4.2倍和2.7倍。Bjerrum等[25]通过室内试验证明了电渗过程中向软土注入盐溶液的可行性。Ou等[26]则研究了阳极加入NaCl和KCl溶液对电渗固结效果的影响，结果发现电渗后土体抗剪强度分别增加了2.6倍和2.7倍。Alshawabkeh等[27]在电渗试验中将磷酸从阴极注入到波士顿黏土中，发现阴极附近软土强度增加90%以上。Otsuki等[28]则将不同种类的阳极液注入到高岭土中，使土体强度得到进一步提高。

综上所述，通过添加化学溶液的方式不仅可以促进土体中水分的排出，还可以达到增强阴极附近土体抗剪强度的效果，提高土体的均匀性。但由于化学溶液种类繁多，离子价态和半径不同，携带水分子的能力也不一样，电渗固结机理也有所差别，因而有必要对不同化学溶液的电渗效果作进一步研究，阐述其中的加固机理，寻找更加高效的电化学加固方案，为实际工程提供有益指导。

2 试验准备

2.1 试验材料

本次研究所用土样为淤泥质黏土，通过相关室内试验发现，土体天然含水率为47.3%，液限、塑限分别为52.6%和23.8%，塑性指数为28.8，液性指数为0.82，土颗粒相对密度约为2.75，孔隙率为0.54，土体饱和度为110.2%。由于原状土中含有大量的杂质，为减少其对试验结果的影响，电渗试验开始前将原状土与蒸馏水按照1∶10的质量比搅拌混合，静置48 h后去除上清液，然后将所得沉淀物烘干、粉碎碾磨，具体粒径分布曲线如图1所示。土颗粒粒径主要分布在0.001～1.0 mm之间，而<0.01 mm的土颗粒占总质量的40%以上，表明所用土样细颗粒含量高，渗透性较小。根据试验设计，选取适量的蒸馏水与干土放入机械搅拌器中进行混合，然后装入密封袋中静置24 h以上，保证土体中含水量的均匀性。本次试验中所用的化学试剂购自上海化学试剂公司，纯度均在95%以上，试验前并未进行二次处理。按照计算结果，将各化学试剂与蒸馏水混合，制成相应浓度的溶液待用。

图1 土样粒径分布Fig.1 Particle size distribution of soil sample

2.2 试验装置

所用试验装置如图2所示，主体为有机玻璃筒，侧壁厚度为8 mm，内径75 mm，高度100 mm。电极采用圆形不锈钢板，厚度为2 mm，上面均匀分布着直径2 mm的圆孔，孔距为6 mm左右。阳极处的小孔用于注入化学溶液，阴极处的小孔则用于水分的排出。试验所用电源为RXN-303D-Ⅱ型稳压直流电源，可以提供0～30 V的电压，并可以实时显示电流值变化。有机玻璃筒底部钻有直径为5 mm的圆孔，并与橡胶管相连，可以将电渗排水引入量筒中测量。

图2 电渗试验装置Fig.2 Electroosmosis test device

2.3 试验方案

本次试验共分为4组，根据阳极化学溶液的不同，分别命名为T1、T2、T3、T4，其中T1为仅电渗试验组，为保证含水量一致，避免天然水中离子杂质对电渗结果的影响，T1试验组阳极溶液选择为蒸馏水。T2、T3、T4为电渗联合化学溶液试验组，为避免阴离子差异对电渗结果的影响，统一选择为Cl-离子，而不同价态的阳离子则选择为电渗常用的Na+、Ca2+和Al3+离子[23-24,26]，为防止因阳离子总电荷量造成的差异，各化学溶液浓度依次为1.0、0.5、0.33 mol /kg，统一体积为20 mL。电压设定为20 V，相当于电势梯度2 V/cm，土样含水率控制在液限附近[5]，约为53%，当排水速率连续3 h小于总排水量的2%时停止通电[29]，最终确定通电时间为30 h。各组试验条件如表1所示。

表1 电渗试验方案汇总Table 1 Summary of electroosmosis test scheme

3 试验结果及分析

3.1 电流变化

各试验组电流随时间的变化曲线如图3所示，可以看出不同阳极溶液试验组电流差别明显。在通电的瞬间，T1电流最低，从T2—T4电流呈降低的趋势。而随着通电时间的增加，试验组T2—T4电流先是增加然后逐渐降低，并在3 h左右达到峰值。在其他条件相同的情况下，电流的变化与土体中的离子种类及含量密切相关，对于T2—T4试验组，化学溶液的注入增大了土体中的离子含量，在电场力的驱动下，离子由阳极向阴极迁移，并逐渐形成贯通通道。而不同离子的价态和半径不同，受到的驱动力和黏滞阻力不同，迁移速率也不一样。已有研究表明，小原子量、低价态的离子迁移能力远大于高价态的离子，尤其是Na+，在电场作用下，其迁移速率是其他高价态阳离子迁移速率的7倍以上[30]。由此可见本次试验中各离子迁移速率Na+>Ca2+>Al3+，导致总电荷量相等条件下，电流值T2>T3>T4。

图3 电流随时间变化Fig.3 Variation of current with time

3.2 排水量变化

电渗的主要目的就是排出土体内多余的水分，因而排水量的多少是衡量电渗效果好坏的最直接标准。图4为电渗排水量与通电时间的关系，累积电渗排水量随通电时间的延长而不断增加，并逐渐趋于稳定。在电渗初期，各试验组排水量差异并不十分明显，排水量与通电时间近似呈线性关系。随后，由不同化学溶液引起的排水量差异逐渐增大，电渗排水速率T2最大，其次为T3和T4，T1最小，这与电流变化一致，说明化学溶液可以提高电渗排水速率，但提高幅度取决于化学溶液种类。此外，在通电的前15 h，试验组T2、T3、T4的排水量占总排水量的比例分别为60.1%、64.2%和69.2%，而试验组T1则为80.9%，表明化学溶液的加入可以延长电渗脱水时间。电渗试验结束后，试验组T1—T4的累积排水量分别为64.0、128.2、103.6、91.8 mL，相较于试验组T1，T2—T4排水增长率分别达到了100%、60.9%、43.8%，进一步表明了化学溶液可以极大促进电渗排水，且不同化学溶液的促进效果不同，其中尤以NaCl溶液的促进效果最为显著，这与已有研究结果相同。

图4 电渗排水量随时间变化Fig.4 Variation of electroosmotic discharge with time

3.3 含水率变化

土体残余含水率是评价电渗脱水效果的另一重要指标。图5显示了电渗后各试验土样残余含水率沿距阳极距离的变化。不同试验组残余含水率变化趋势一致，阳极附近残余含水率最低，中部次之，阴极附近最高，这主要与电渗排水机理有关，即电场作用下水分向阴极处迁移汇集。对比不同电渗组可以发现，在相同高度处含水率总是T2

图5 土体残余含水率Fig.5 Residual moisture content of soil

3.4 抗剪强度变化

采用电渗处理后的软土往往阳极附近固结程度最大，中部次之，阴极附近最小，极易造成地基的不均匀沉降。为检验电渗联合化学溶液的改良效果，在电渗试验结束后选取阴极附近土体作抗剪强度测试，试验所用设备为全自动十字板剪切仪，测试结果如图6所示。

图6 电渗后土体抗剪强度Fig.6 Shear strength of soil after electroosmosis

电渗组T1—T4阴极土体抗剪强度分别为4、10、18、13 kPa，与T1相比，T2—T3抗剪强度分别增长了1.5倍、3.5倍和2.3倍。从图6可以看出，通电条件相同情况下，造成抗剪强度显著差异的主要原因是化学溶液的加入，T2—T4试验组中化学固结作用分别占总抗剪强度的60%、88%、69%。电渗联合化学溶液加固土体的机理主要可以分为以下几个方面：首先，在T2试验组中，NaCl溶液的加入增大了土体的电流，加重了电极的腐蚀，而腐蚀产生的金属离子又会在电场力的作用下向阴极移动，与阴极附近水解产生的氢氧根离子结合生成胶结物质，从而增大阴极附近土体抗剪强度。对于T3和T4试验组，除了上述反应之外，移动到阴极的Ca2+和Al3+与OH-离子反应生成Ca(OH)2和Al(OH)3胶体，增强了土颗粒间的黏结力；而且部分Ca(OH)2又会与CO2反应生成CaCO3，沉积在土体颗粒表面，形成具有较高强度与水稳定性的硬质层，从而增强土体的抗剪强度；此外，当阴极部位OH-离子浓度达到一定程度后，Ca2+离子又会与黏土矿物中的可溶性硅酸盐类物质发生火山灰反应，产生C-S-H胶体。C-S-H胶体与水泥水化反应后的产物相类似，是一种水稳定性较好的胶结材料，且具有一定的水硬性的特点，可以促进土体胶结作用，增强土体抗剪强度。具体化学反应式如下：

4H2O+4e-→4OH-+2H2；

(1)

Ca2++2OH-→Ca(OH)2；

(2)

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O ；

(3)

Ca2++可溶性硅酸盐→C-S-H 。

(4)

在以上各种因素的综合作用下，本次试验阴极土体抗剪强度T3最大，T4次之，然后是T2，而仅作电渗处理的试验组T1的抗剪强度最小，进一步表明了电渗联合化学溶液的高效性与必要性。

3.5 微观结构

为进一步揭示电渗联合化学溶液加固淤泥质软土的机理，选取阴极附近典型土样进行扫描电镜试验，从微观结构变化分析电渗和化学溶液对土体的抗剪强度的影响。图7为放大6 000倍后各试验组土体微观结构，从图7可以看出，不同处理方法所得微观结构差异显著。

图7 阴极附近土体微观结构Fig.7 Microstructure of soils near cathode

图7(a)为仅作电渗处理后土样，微观结构松散，土颗粒呈片层状，相互之间黏结较弱，且存在许多孔隙，在外荷载的作用下，土颗粒极易发生相对移动或转动，导致土体结构的破坏。图7(b)为电渗联合NaCl溶液处理后土样，与T1相比，土颗粒间的孔隙明显减小，有了一定的黏结力，但由于土颗粒依旧呈现片层状结构，抵抗荷载能力相对较弱。图7(c)为电渗联合CaCl2溶液处理后的土样，从中可以看出，微观结构呈整体状，土颗粒间连结紧密，无明显孔隙，黏结力大大增强，此外土颗粒表面覆盖大量的硬质层，提高了抵抗错位滑动的能力，从而可以承受较大荷载而不发生破坏。图7(d)为电渗联合AlCl3溶液处理后的土样，微观结构同样呈整体状，土颗粒间孔隙被胶结物质填充，具有较大的抵抗变形能力。由此可见，电渗联合化学溶液方法可以显著改善土体微观结构，增强其抵抗变形能力，从微观角度进一步证实了其加固机理。

3.6 电化学反应

电渗过程中电极板周围会发生一系列的化学反应，从而对土体环境产生一定的影响，具体化学反应式如下：

2H2O-4e-→O2+4H+(阳极) ；

(5)

2H2O+2e-→H2+2OH-(阴极) ；

(6)

M+H2O→MO+2H++2e-(M代表金属元素)。(7)

由式(5)和式(6)可得，水解反应会在阳极和阴极附近产生大量的H+和OH-，从而导致阳极和阴极的酸碱化。阳极的酸性环境会加重电极的腐蚀程度，而阴极的碱性环境则有助于钙铝胶结物的形成。不同电渗组的水解反应强度不同，土体的酸碱程度也有所差异，结果如图8所示。

图8 土体pH值变化Fig.8 Variation of pH value

试验组T1的电流小，水解强度低，土体pH值变化较小，电渗试验结束后，阳极和阴极附近土体pH值分别为5和10。相较于T1，T2—T4试验组由于化学溶液的加入，电流大幅增加，水解强度增大，土体酸碱度变化明显，其中尤以T2电渗组酸碱化程度最为严重，电渗结束后，阳极和阴极附近土体pH值分别为2和12。另一方面，电渗过程中金属电极面板上也会发生复杂的氧化还原反应，造成电极的锈蚀，增加了电极与土体间的界面电阻，使得电渗固结效果有所减低。电渗试验结束后对电极板进行观察称重，发现阴极腐蚀轻微，阳极腐蚀严重，如图9所示。相较于初始质量，试验组T1—T4阳极板质量分别减少了0.7、3.3、1.6、1.1 g，说明化学溶液的加入会加重电极的腐蚀，且NaCl溶液最严重，CaCl2溶液次之，AlCl3溶液相对较轻。

图9 电渗后电极腐蚀Fig.9 Electrode corrosion after electroosmosis

4 结 论

本次研究采用电渗联合化学溶液方法处理淤泥质黏土，从多个角度阐述了不同化学溶液的电渗加固效果，进一步揭示了其中的加固机理，并得出以下主要结论：

(1)电渗联合化学溶液可以进一步加速土体内水分的排出。相较于仅作电渗处理的试验组，添加NaCl、CaCl2和AlCl3溶液的试验组排水量分别增加了100%、60.9%、43.8%，表明小原子量、低价态的离子更有助于电渗排水。

(2)不同化学溶液的电渗加固机理不同。NaCl溶液主要是促进土体内水分的排出，以达到固结效果；而CaCl2溶液和AlCl3溶液不仅可以促进电渗排水，还会在阴极附近形成胶结物质，克服电渗法的不足，增强土体的整体抗剪强度。

(3)不同化学溶液对阴极附近土体的加固效果不同。与仅作电渗处理相比，添加了NaCl、CaCl2和AlCl3溶液的试验组阴极附近土体抗剪强度分别提高了1.5倍、3.5倍、2.3倍，表明了电渗联合化学溶液加固软土的高效性。

(4)电渗法加固淤泥质软土会造成土体的酸碱化和电极腐蚀，而化学溶液的加入则更加剧了这一效果。如何缓解电极腐蚀和土体酸碱化需要做进一步的研究。

(5)结合已有研究成果，阳极注入CaCl2溶液不仅可以提升电渗排水效果，还可以生成C-S-H胶结物和CaCO3硬质层，显著提升阴极附近土体的承载能力，弥补电渗排水固结效果差异，提高土体的整体性。因而，当实际工程采用电渗联合化学溶液法加固软土地基时，建议首先选用CaCl2溶液，且浓度不宜过大，避免因电极腐蚀造成固结效果降低，而电势梯度宜控制在1～2 V/cm之间，另外还需根据场地环境调整具体试验方案。