电渗法加固土体技术的探究与展望.pdf

文章编号：1007-2993（2024）02-0238-08电渗法加固土体技术的探究与展望电渗法加固土体技术的探究与展望李俊毅1，2（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津300461）【摘要】总结并分析湛江港海淤电化加固试验，梳理电渗法加固土体技术发展，针对当前发展现状，提出电渗法加固土体技术的创新与发展应立足于推动地基处理技术进步和顺应时代发展需求，电渗法及其联合法加固土体技术应秉持跨专业共享发展理念，创新生态模式，建立土体处理+电渗的土体处理技术实用体系，使之在地基处理和环保领域获得广泛应用。【关键词】电渗法；土体固结；现场试验；港口工程【中图分类号】TU472.5 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.018Research and Prospect of Electro-Osmosis Techique for Soil ReinforcementLi Junyi1，2(1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China；2.CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300461,China)【Abstract】The research and development of the electro-chemical reinforcement test for sea siltation in Zhanjiang Port weresummarized,and the development of electro-osmotic methods for soil reinforcement technology was proposed.The innovation and de-velopment of electro-osmotic methods for soil reinforcement technology should be based on promoting the progress of foundation treat-ment technology and meeting the needs of the times.The electro-osmotic method and its combined method for soil reinforcement tech-nology should adhere to the concept of transdisciplinary and shared development,innovate ecological models,and establish a practicalsystem of soil treatment+electro-osmotic soil treatment technology,making it widely applicable in the fields of foundation treatmentand environmental protection.【Key words】electro-osmosis method；soil consolidation；field test；port engineering 0 引言电渗法（Electro-Osmosis，简称：EO）排水是指在电场作用下，在土体中插入金属电极，通以直流电后阴离子向阳极迁移，而阳离子则裹挟土中的水向阴极移动，使水从阴极排出，机理示意见图 11。1956 年6 月，原交通部航务工程局第一工程局对湛江港海淤开展电化加固试验工作并作湛江港海汙电化加固试验报告，开创了我国港口工程采用电渗法加固土体大型现场试验的先河。根据湛江港海汙电化加固试验报告 之一探索试验及其中存在问题的探究内容分析，“海汙”可理解为“海淤”，即为海相淤泥，以下统一为“海淤”。回顾该项目历史背景，介绍试验过程，梳理电渗法加固土体技术发展，并针对当前发展现状，提出电渗法加固土体技术未来发展建议。1 湛江港海淤电化加固试验 1.1 试验背景1954 年 7 月，原交通部航务工程局第一工程局负责湛江港的修建任务2。1958 年，我国独立设计及建造的第一座沿海港口湛江港投入使用3。湛江港建设期间在施的框架式码头及已完工的深水码头发生了下沉和水平位移，需对码头下方淤泥层进行加固。1956 年 6 月至 1957 年 11 月，原交通部航务工程局第一工程局对湛江港海淤开展电化加固现场试验工作，共有 12 个单位参加。湛江港海淤电化加固试验设计由原交通部航务工程总局及其下属第一工程局等单位共同完成，方案得到了原水利部北京水利科学研究院汪闻韶等的指导和协助4。通过本次试验研究，加深了对软土工程特性的认识，同时积累 作者简介：李俊毅，男，1965 年生，汉族，吉林四平人，工学硕士，正高级工程师，主要从事建筑工程试验检测管理工作。E-mail： 交通部航务工程局第一工程局试验室.湛江港海汙电化加固试验报告 R.天津:交通部航务工程局第一工程局试验室,1957.第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024软土地基处理工程经验。叶柏荣等 20 世纪 80 年代发明了“真空预压加固软土地基法”专利技术5-6，实现了软土地基处理技术实质性突破，是各建设领域软基处理工程的重要技术支撑。地面阳离子水阳极阴极水+图 1 EO 排水简单机理示意图1 1.2 试验情况现场试验前，为了解该地淤泥加固的可能性，1956 年 7 月，水利部北京水利科学研究院进行湛江港淤泥电化加固室内试验。室内试验取得了较好的效果，尤其在土质均匀的小型试验中效果更为明显，土体强度提高达 5 倍，表明利用电动化学加固改善湛江港淤泥土的性质、降低含水量、提高强度是可行的，为电渗加固现场试验奠定了良好的基础。现场电渗加固试验主要进行了电动铝（铁）化、电与化学溶液同时作用和铝桩等试验，现场试验施工照片见图 2。现场试验表明湛江港海淤符合一般细颗粒土质的特性，利用直流电是可以加固的。现场试验显示，短时间通电后土体孔隙水压力骤然降低，地下水位下降，土体发生固结，土体无侧限抗压强度显著提高。采用电渗法对湛江港海淤加固有利于开挖和基础建筑工程的进行，在争取施工时间和降低工程造价方面都有经济意义。2 EO 法加固土体技术进展 2.1 20 世纪 50 年代研究进展1809 年 Ferdinand Friedrich Reu发现了电动（电渗和电泳）现象7，此后许多学者针对电渗（EO）技术在 各 领 域 的 应 用 进 行 了 研 究，1941 年 L Cas-agrande 发表了论文“Die Elektrische EntwsserungFeinkrniger Bden（细粒土的电动排水）”，报道其于1939 年将 EO 技术应用到提高土体性能的工程中。学术界公认 L Casagrande 是推广 EO 技术作为土壤稳定方法的第一人，并将 1939 年看作应用 EO 技术处理土体的启航年，自此开启了对 EO 法加固土体的机理、设计方法和工程应用的研究8-10。L Cas-agrande 对 EO 法加固土体技术的研究自 20 世纪 30年代持续到 20 世纪 80 年代11-13。图 2 现场试验施工 汪闻韶 1952 年完成了有关 EO 对饱和土体孔隙水压力影响的博士论文4，于 1953 年在瑞士苏黎世召开第三届国际土力学及基础工程会议（Internation-al Conference on Soil Mechanics and Foundation En-gineering，简称 ICSMFE）上发表有关 EO 对饱和土体应力影响的论文14，于 1955 年发表了“土力学中电渗问题综合报告”15，其中所列参考文献共 70 篇，反映了 20 世纪 50 年代的研究状况。根据该报告的引述说明，L Casagrande 于 1934 年在德国发现铝质阳极附近的黏土产生不可逆的硬化现象15-17，En-dell 等于 1936 年第一届 ICSMFE 上介绍了以 L Cas-agrande 电化学硬化黏土方法提高桩承载力及抗拔力的模型试验17，L Casagrande 于 1937 年提出采用EO 技术实现黏土硬化的方法18，L Casagrande 于1937 年做了提高悬桩（可理解为摩擦桩）承载力的大型试验，1941 年发表论文报道其于 1939 年将 EO 技术应用于德国 Salzgitter 软土铁路挖方土坡加固工程15。此外，该报告还提到.等于 1946 年做了关于苏联海淤电化加固试验，因为海淤中含有盐分和有机质，所以在直流电作用下土中变化情况颇为复杂15。这里提到的海淤电化加固与湛江港海淤电化加固相近。汪闻韶系统地介绍了直流电在土中的作用及其影响，全面地分析了 EO 在土体中作用的基本理论和实际应用意义19。与湛江港海淤治理开展试验时间相近，原水利部北京水利科学研究院根据原政务院 1950 年 10 月 14 日颁布的关于治理淮河的决定，对治淮工程的苏北滨海地区以排涝、挡潮为主兼顾通航的大浦闸地基处理也进行了海淤电渗排水 李碧玉,葛祖立,韩乐陶,等.湛江港淤泥电化加固室内试验总结报告 R.北京:水利部北京水利科学研究院,1957.李俊毅：电渗法加固土体技术的探究与展望239及铝（铁）化试验，于 1957 年提交了经汪闻韶校改的报告。1954 年，中国科学院、原建筑工程部建筑科学研究院等单位人员到波兰学习电动土壤加固技术，并建立了由 20 人组成的跨部门、跨行业的土壤硅化加固科研组，将电动土壤加固技术应用于唐山林西煤矿风井流沙层、佳木斯糖厂软黏土及天津塘沽港口的软黏土的地基加固20。1955 年，波兰科学院院士 R.蔡柏尔多维契教授在中国科学院作了题为“电动化学加固土壤方法”的报告，介绍了几个成功应用实例21。截至 1957 年年末，共召开了四届 ICSMFE，均有与EO 技术相关的论文发表，其中，第一届 1 篇、第二届 8 篇、第三届 6 篇、第四届 2 篇22。此外，1955 年翻译的土的人工加固法专家论文译文集23共发表 7 篇文章，其中 3 篇与 EO 处理土体技术有关。曾国熙 1956 年发表论文软粘土的电化学加固（初步试验结果），指出电化学是加固软弱黏土的一种措施，还可应用于加固基坑边坡和路基等24，列参考文献 37 篇，反映了 20 世纪 50 年代研究进展。曾国熙就职于浙江大学土木工程系，1984 年指导培养我国第一个岩土工程专业博士25，浙江大学多位岩土工程专业研究生选题与 EO 固结技术有关26-27。同时，清华大学28、天津大学29、大连理工大学30及河海大学31学者进行了 EO 固结土体试验和理论研究，共同推动 EO 固结土体技术进步。2.2 EO 法加固土体研究方向Esrig 于 1968 年建立了一维 EO 固结理论，并采用试验数据进行了分析8。Gray 等于 1969 年用 Al-Cl3水溶液进行土的改良，研究 EO 加固与强度的关系及 EO 作用与 pH 值的关系31，Chappell 等于 1975年以 EO 法对新加坡某大型干船坞围堰路堤进行加固32-33。相较上述几个国外研究及应用，1956 年湛江港海淤电化加固现场试验研究处于国际前沿。龚晓南曾归纳总结出 7 类 48 种具有我国特色的地基处理技术，EO 法属排水固结类方法之一34。以下介绍 EO 法与其他土体处理方法联合发挥作用的试验研究及应用。（1）二合一技术之一“堆载+EO”何思源 1959 年指出，在处理饱和黏土或砂质黏土时，如果采用 EO 与堆土预压加固联合作用可以大大提高土的强度，比单纯采用预压加固效果更好，具体应用还有待进一步研究。Wan 等35于 1976 年通过进一步完善 Esrig 机理使其适用于“堆载+EO”的一维情况。盛崇文 1984 年指出，对正常固结饱和粉土或粉质黏土，孔隙水电解质浓度不高，且预加固土体范围不大，采用 EO 排水不仅效果好，而且比较经济，有时可和堆载预压联合使用，以缩短固结时间36。李瑛等 2010 年对“堆载+EO”固结理论进行研究，给出 EO 与水力渗透系数之比的建议范围37。（2）二合一技术之二“真空+EO”湛江港海淤电化加固试验报告中提到了 EO 法与真空排水法配合使用的问题，但并未真正实施，仅是阴极处采用了真空泵抽水。报告对 EO 法和真空法的排水效率做了比较（见图 3，“埌土”是当时水利行业对土分类曾用名），同时指出对于渗透系数为1081011 m/s 的饱和黏土，EO 比真空井点排水效率较好，在砂质黏土中采用 EO 与真空联合作用，排出水量显著地超过了单独采用 EO 或单独真空时的排水量，EO 不仅排除了土中的自由水，而且由于电流作用排除了处于粘着状态的松散束缚水，而真空作用加速了水流运动。此外，1960 年原水利电力部交通部南京水利科学研究所会同原河北省交通厅航务工程局等单位协作对某海港海淤软土进行了室内和现场试验研究，该海港码头扩建时场地土质较差，地面以下 1018 m（标高5.013.0 m）系海淤土层，含水量稍大于流限（流限为曾用名，属土物理性能指标，现称为液限），土的强度很低，为防止岸坡滑动需对海淤土层进行加固，研究认为在地面预加 30 kPa左右的附加荷重对该标高范围软土层的加固作用不大，而且地面已不允许附加 30 kPa 以上的荷重，因此 EO 真空排水加速土固结的研究方向被提出，最终试验结果表明，海淤软土在低于土的自重（约 20 kPa）条件下，由于直流电的作用，土体很快产生固结沉降。叶柏荣381994 年指出，采用“真空+EO”时电渗系数大于水力渗透系数并伴随物理化学反应，加速土体排水，缩短土体固结时间，土体强度提高幅度更大。高志义等5,392000 年对“真空+EO”加固技术进行了室内研究，结果表明采用该方法土体提高强度是单独采用真空预压法的 25 倍，之后也有学者对此进一 葛祖立,陈强.大浦闸淤泥电渗排水及铝(铁)化试验报告 R.北京:水利部北京水利科学研究院,1957.何思源.软粘土电化加固综合介绍 R.天津:天津市土壤地基学会,1959.水利电力部交通部南京水利科学研究所.电渗排水加速海淤软土固结试验报告 R.南京:水利电力部交通部南京水利科学研究所,1960.240岩土工程技术2024 年第 2 期步研究40-47。房营光等482006 年给出了碱渣土的真空预压排水法和“真空+EO”对比试验结果，EO 对后期排水效果明显。吴辉282010 年建立了“真空+EO”固结理论，并对其加固效果进行了研究。徐伟等492011 年推导“真空+EO”的二维固结方程。Peng 等502013 年对超软土进行了“真空+EO”加固研究，通过真空预加载，大部分孔隙水被排出，其耗电量大大低于一般电渗耗电量。顾孜昌等512017 年采用“真空+EO”加固了浙东沿海吹填土。蒋楚生等522019 年将“真空+EO”用于南城际铁路段软土地基工程。Cui 等532020 年提出了“真空+EO”加固夹砂层软基的设计方法，可预测处理过程的土体沉降及工期。1007550250砂土排水效率/%砂质埌土电渗排水真空排水砂质黏土黏土 图 3 真空法与 EO 法的排水效率比较示意图 （3）二合一技术之三“强夯+EO”赵建国541994 年将“强夯+EO”成功应用于珠海市 110 kV 红旗变电站场地软土加固处理工程。朱淑军等552013 年在天津中心渔港休闲区地基处理采用了“强夯+EO”。符洪涛等562015 年对“低能量强夯+EO”加固软黏土地基进行试验研究，在阳极区采用低能量强夯，以提高加固效果。（4）二合一技术之四“灌浆+EO”为提高 EO 处理效果，可通过注入导电溶液来增强土体导电能力。注浆的化学溶液可以是水玻璃溶液、CaCl2水溶液、AlCl3水溶液、CaCl2和水玻璃混合水溶液及 CaCl2、水玻璃和明矾混合水溶液等。湛江海淤加固曾采用灌注 CaCl2水溶液进行 EO 现场试验。建国初期的十大建筑之一中国国家博物馆部分地基为填塞旧河道区，1959 年该工程应用了CaCl2、水玻璃和明矾三者混合水溶液的电动矽化加固法处理（现属于电动硅化注浆法）。吴松华等572019 年也报导了“灌浆+EO”加固吹填土的应用实例。（5）三合一技术2008 年，刘凤松等58将“真空+EO+低能量强夯”技术成功应用于中船广州南沙龙穴造船基地的软弱地基处理，陶春59通过对该工程可能采取地基处理方案进行了技术经济比选分析，证明了“真空+EO+低能量强夯”为最优方案。王柳江等602017年进行了“真空+EO+碾压”加固技术研究。刘飞禹等612020 年进行了“真空+EO+强夯”加固方法研究。吕延栋等622021 年建立“EO+堆载+灌浆”联合加固软土地基的方法。郑凌逶等632017 年提出 EO 联合法研究的一般结论，即“叠加作用，发挥各自优势；相互促进作用，提升处理效果”。此外，苏金强等642004 年完善 Esrig 机理使其适用于 EO 二维情况。电动土工合成材料（例如导电塑料排水板）作为新型电极的出现，也推动了 EO 法应用技术进步65-66。EO 技术也被应用于土壤改良、污染土修复及污水处理等方面67。应注意，在采用 EO 法与其他土体处理方法联合处理土体时要防止地下水被污染，防范二次污染等公害问题。3 EO 法技术应用 3.1 地基处理技术现行国家标准吹填土地基处理技术规范（GB/T 510642015）68在国家标准层面上首次提出了“电渗排水法（electro-osmotic drainage）”的术语解释，其编制说明指出此法对渗透性低（109 m/s）时的排水效果最为显著，与本文前述提及的渗透系数范围（1081011 m/s）稍有差异。该规范 12.1.4 条规定在进行软基处理时可应用“堆载+EO”和“真空+EO”等二合一技术，但尚缺乏相关设计、施工及质量检验的具体指导规范。现行行业标准水运工程地基设计规范（JTS 1472017）69中仅对 EO 法提出了一条两款的规定：“8.15.4 电渗法的设计应符合下列规定。8.15.4.1 电渗法适用于处理黏性土地基。8.15.4.2采用电渗法处理时，应进行现场试验，确定 EO 法处理软土地基加固效果，并确定电极间距、长度、电压、电流等施工参数”。现行行业标准水运工程地基基础施工规范（JTS 2062017）70也没有配套的施工规定。在进行 EO 法试验研究及工程设计时，应关注外加电压的大小，其影响耗电量的高低，即较大外加电压下，耗电量增加，阳极腐蚀量增多71。但也有认为适当地逐级增加电压能够降低耗电量，提高 EO 排水效率等72。因此，如何合理选择电极材质、施加电压、设置电压梯度及其施加方式等，对达到处理有效、降低能耗及相对低碳绿色要求等具有意义。表 133,73-78给出几个 EO 处理土体的实际工程耗电量，也有研究李俊毅：电渗法加固土体技术的探究与展望241认为 EO 法耗电量范围为 0.7230 kWh/m379，供比较参考。表 1 EO 现场处理土体耗电量33,73-78kWh/m3项目电极材料耗电量提高挪威某开挖土体强度钢（Fe）17加固新加坡某大型干船坞围堰路堤0.5加固加拿大Kootenay河某边坡6.7提高加拿大Big Pic河大桥钢桩承载力1加固加拿大某敏感黏土铜（Cu）6.4修复新加坡Tuas海相黏土EKG1.8加固马来西亚Sarawak公路土体0.7 现行规范、标准对 EO 法而言，还只是技术方向或措施导引，需要相关学者与工程技术人员继续研发，建立系统、完备的 EO 法和“EO+其他处理技术”联合法技术体系，以充实丰富相应规范和标准。3.2 应用展望2019 年 2 月 18 日，粤港澳大湾区发展规划纲要80发布，规划范围包括广东珠江三角洲地区 9 市和 2 个特别行政区。实现规划的重点工作之一就是与工作息息相关的推进建设基础设施互联互通。珠江三角洲地区面积约 8600 km2，海相沉积软主要分布在东莞、广州、中山、珠海和江门等地区81，其地下包含厚度达几十米的海相淤泥层，土体性质软弱，影响工程建设81-82。张碧龙等832015 年对珠三角软土加固进行了“真空+EO”的试验研究，效果明显，具有工程实践意义。期待针对软土处理技术开展更多的深入研究，取得更多、更新科技成果，以适应时代发展需求。4 讨论：在建筑物纠偏中的应用 1977 年，J K Mitchell 在第九届 ICSMFE 上发表论文指出84，电渗产生的负孔隙水压力是 EO 固结土体的主要原因之一，并于 1991 年提出将 EO 法作为拯救比萨斜塔的一种较为实用的推荐办法85。袁建新86于 1994 年介绍了他与当时比萨斜塔整治委员会主席 Jamiolkowski 的通信情况，据 Jamiolkowski信中介绍，曾在塔基附近进行了 EO 法可行性现场试验，将 33 根 20 m 长的电极埋入土中，施加电压排水，以达到抑制沉降的目的。1992 年曾国熙考察比萨斜塔时把与斜塔整治相关技术文件带回，并于 1993 年发表87。西安建筑工程学院焦五一工程师认为，意大利整治斜塔的实施计划与他先前提出的“反压荷重矫正法”方案类似88-89。19902001 年，比萨斜塔关闭，进行了纠偏，此后开放。19811986 年，我国采用“围、灌、盖、调、换”的加固技术对虎丘塔进行了全面加固和修缮90。5 结语国家经济发展已经进入“十四五”时期，随着“一带一路”倡议构建的发展，对地基处理提出了新的发展要求。EO 法加固土体技术虽仅是土体固结技术之一，但在联合其他土体处理技术时，视情况选择其应用场景，势必会发挥其在缩短加固周期、提高固结度等方面的独特优势。建议进行“海相软土组成、特征及性质研究和大数据分析”、“创建多因素作用影响的实用 EO 固结模型”及“传导现象：从理论到岩土工程实践85（第 31 届“朗肯讲座”的题目）”等项目研究，形成土体处理+EO 的土体处理实用技术体系。“土力学是一门复杂的学科，因为所研究的土是如此的复杂，为了越来越深入地了解土的神秘性能，希望从事土力学工作的人不仅需要具有掌握材料性质、数学、弹性理论的基础，还需要有物理化学和地质学的知识，此外还能够构成土力学基础的一些全新概念和方法”85。A Casagrande 于 1938 年一次工程会议结束时的这一发言，至今对研究者仍有启发性。EO 法处理土体技术是一项涉及土力学、材料学和电化学等学科的工程技术，建议秉持跨专业共享发展理念，创新生态模式，提升技术理论基础及实用性，研制出土体处理+EO 的土体处理成套/关键技术及工程应用的创新型成果，使之在地基处理乃至环保领域得到广泛应用。参考文献 ASADI A，HUAT B B K，NAHAZANAN H，et al.Theory of electroosmosis in soilJ.International Journalof Electrochemical Science，2013，8：1016-1025.1 中交第一航务工程局有限公司.一航精神 谱系M.天津:中交第一航务工程局有限公司,2021:24-25.2 周纶.光辉的业绩 广阔的前景J.港口工程，1984，（4）：8-10.3 中国水力发电工程学会网.汪闻韶院士传略DB/OL.(2011-05-04)2022-07-01 http:/ 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