基于杭州軟土的電滲遷移過程試驗研究

陶燕麗，周建，龔曉南，祝行

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基于杭州軟土的電滲遷移過程試驗研究

陶燕麗1, 2, 3，周建2，龔曉南2，祝行1

(1. 浙江科技學院 土木與建筑工程學院，浙江 杭州，310023；2. 浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州，310058；3. 浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州，310058)

為研究電滲遷移過程，進一步揭示電滲機理，基于杭州軟土和自制電滲模型箱，分別采用鐵和石墨電極開展室內電滲試驗，監測重力排水、電滲排水以及電滲前后土壤中多種金屬元素含量的變化；監測電流和排水量數據并據此計算電滲運移量。研究結果表明：在電滲排水過程中，鈉離子和鉀離子質量濃度比重力排水過程中的大得多，鎂離子和鈣離子質量濃度則比重力排水過程中的小得多，說明電滲法依賴雙電層中低階、小原子量反離子對水分的轉移作用，土壤本身物理力學性質對電滲過程的影響主要通過雙電層體現。電滲運移量對土壤含水率的敏感性與土壤類型密切相關，而對同一類土壤，其敏感性也可能會隨著含水率范圍的不同而呈現較大差異。在1.58 V/cm的電勢梯度下，杭州軟土電滲處理后的最終含水率為35%左右，說明對于含水率小于35%的杭州軟土，電滲法效果不明顯，不推薦采用電滲法進行處理。

杭州軟土，重力排水；電滲排水；離子遷移；電滲運移量；含水率

電滲法是通過在插入土體的電極上施加低壓直流電，使得土體滲透排水、加速固結的一種地基處理方法[1?2]。電滲法中排水速率與土顆粒粒徑無關，相對傳統的地基處理方法，對于滲透性較小的軟土地基可在短時間內達到較好的處理效果，因此，電滲法曾一度引起人們的廣泛關注和研究，但其至今仍未得到推廣應用。分析其原因，可能是對電滲加固機理研究不夠深入，導致該方法耗能較高，實踐效果不理想[3]。關于電滲機理，目前公認的觀點是：離子在電場作用下拖拽周圍水分子定向移動，黏土顆粒負電性使得雙電層中陽離子占多數，這就意味著黏土中陽離子轉移的水分子比陰離子要多，宏觀上表現為在陽離子遷移方向產生凈滲流，即電滲[4?5]。不同土壤類型含有不同的離子成分，不同離子的遷移過程和對水分子的拖拽能力也可能千差萬別[6]，這些都會對電滲效果產生較大影響，也意味著應用電滲法時應根據場地土壤類型因地制宜，區別對待。因此，有必要對電滲中離子的遷移過程并進而對電滲機理展開深入研究，但目前這方面的文獻報道較少。GRAY 等[4]指出電滲運移量(即單位電荷移動時所轉移水的體積)是決定電滲效率和經濟成本以及電滲適宜性評價的關鍵因素，并通過對室內試驗和已有文獻成果的分析總結得到不同土壤類型和電解質濃度下電滲運移量與含水量的關系曲線，進而提出可根據土壤含水量、離子交換力和孔隙水電解質濃度開展電滲適宜性評價。LOCKHART[7]分別采用鋁質黏土和鈉質黏土在不同電源電壓下開展電滲試驗，結果表明黏土顆粒對高階陽離子的約束更強，也就是說電滲中高階陽離子的遷移能力較弱。SHANG[8]通過室內試驗監測了電滲排水中離子成分的變化，發現電滲后Na+，K+和Ca2+的濃度明顯升高，SO42?和Cl?的濃度降低，其試驗結果進一步證實了上述電滲中離子的定向移動規律。王協群等[9]監測了電滲處理前后排出的水中Fe2+/Fe3+，Ca2+，SO42?和CO32?的含量變化，其結果表明電滲處理后陰極排水中各種金屬離子的濃度均比處理前的高。TUAN等[10]監測了電滲中Na+和K+濃度變化，發現在電滲初期二者濃度不斷上升，到達峰值后下降直至試驗終止。WU等[11]通過試驗發現電滲后采用銅電極時的陽極土壤中的銅元素質量濃度和采用鐵電極時鐵元素質量濃度均比電滲前的顯著提高。WU等[6]指出Na+遷移是電滲排水的主要原因。前期研究[12?13]表明，不同電極材料的電滲效果會因采用土樣的不同而存在差異，這是不同的土樣礦物成分或離子組分不同所造成的，但其具體影響過程及作用機理還有待進一步研究。以上研究表明，人們對電滲中離子遷移過程的研究還不夠深入。為此，本文作者分別采用金屬電極(鐵)和惰性電極(石墨)開展室內電滲試驗，研究電滲中多種金屬離子的遷移過程，以期進一步揭示電滲機理，為不同類型土壤的電滲適用性評價和設計施工提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

圖1所示為試驗裝置圖。試驗模型箱主要由試樣槽和集水槽組成。試樣槽用于裝載土樣，其長×寬×高分別為190 mm×100 mm×100 mm，集水槽底部中央有1個小孔，匯聚在陰極的水通過該孔流到下面燒杯中，稱燒杯質量即可得到排水量隨時間的變化情況。其他試驗裝置還有：穩壓直流電源GW SPD?3606；電感耦合等離子質譜儀(Agilent 7500a型，美國安捷倫公司生產，相對標準偏差小于5%)，用于測量土壤和排水中金屬元素的質量濃度(g/L)及質量分數(g/kg)，其中土壤需用標定溶液稀釋后測量；電極板(厚度為 3 mm，長×寬分別為100 mm×98 mm)，用作電勢的傳導體；土工布，用于過濾陰極排水。

試驗土樣取自杭州董家路某一基坑工程，為典型杭州地區淤泥質黏土。原狀土的基本物理力學性質如表1所示。將原狀土與水充分拌合，制成試驗所需含水量約為100%的飽和重塑土樣。

(a) 剖面圖；(b) 平面圖

表1 原狀土的基本物理參數

1.2 試驗設計

本試驗采用穩壓輸出模式，電源、電壓參考文獻[6?14]，取值為30 V(電勢梯度為1.58 V/cm)。為確定合理的通電時間，本文作者開展了預試驗，發現通電26~29h時每小時排水量低于總排水量的3%，故設置本試驗通電時間為29 h。另外，為從離子遷移角度比較金屬電極和惰性電極電滲過程的差異并驗證本試驗規律的可重復性，分別采用鐵板(金屬電極)和石墨板(惰性電極)作為電極材料開展2組電滲試驗。

試驗時，先取適量原狀土和水用電動攪拌機充分攪拌均勻，制成重塑土樣，連接導線、電流表、電源和電極，在陰極包裹土工布，并且將兩電極適當潤濕后放入模型箱兩端，然后分層裝填土樣以消除土樣中的氣泡。將已裝填好的模型箱靜置24 h，讓土樣在自重下排水。24 h后，調節電源輸出至30 V，接通電路。此時稱空燒杯質量后將其置于集水槽出水口下，之后每隔1 h讀取電流表讀數并稱量燒杯總質量，每隔一定時間從燒杯中取適量水進行元素質量濃度測試。通電29 h后，停止試驗，斷開電源，分別在陰極和陽極附近取適量土壤烘干后進行元素質量濃度測試。另外，還設置1組控制試驗，其中土體僅在重力作用下排水，收集重力排水，并對其中的元素質量濃度進行測試。

2 試驗結果及分析

土壤中常見的金屬陽離子有Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Fe3+/Fe2+，Al3+和Cu2+，測量排水和土壤中這些元素的質量濃度變化，而元素質量濃度的變化即為離子遷移的結果，據此可分析相應離子在電滲過程中的遷移規律，從而進一步揭示電滲機理。

2.1 電滲排水與重力排水

為揭示電滲法和傳統地基處理方法所能轉移的土壤水類型，又因試驗中2種電極材料各時刻的元素質量濃度在數量級上呈現出較好的一致性，故選取石墨電極通電6 h時測得的電滲排水中各元素質量濃度與重力排水中的進行比較，如圖2所示。從圖2可以看出：電滲排水中Na和K質量濃度比重力排水中的大，其中前者的Na質量濃度為后者的7.3倍，而電滲排水中的Mg和Ca質量濃度與重力排水中的相比小3個數量級；對于Fe，Al以及Cu，在電滲和重力排水中三者的質量濃度均很少。可見，電滲排水和重力排水中各離子質量濃度差異較大，電滲排水中Na+和K+質量濃度比重力排水的大得多，Mg2+和Ca2+質量濃度則比重力排水的小得多，但整體來看，電滲排水中總陽離子質量濃度比重力排水的要高。

上述試驗結果可用黏土的雙電層結構解釋。黏土顆粒的負電性使得極性水分子和反離子(如Na+，K+，Mg2+和Ca2+等)吸附在其周圍并定向排列，形成雙電層結構；越靠近土顆粒表面，水分子和反離子(陽離子)排列得越緊密和整齊，活動性也越小[2]，使得強結合水和弱結合水中的反離子濃度比重力水以及毛細水中的要高。重力式排水只能排出土壤中的重力水和少量毛細水，無法排出結合水，因而其離子質量濃度較低。在電滲過程中，電場作用打破了雙電層的既有平衡，使得反離子發生重分布運動，并拖拽周圍的水分子產生定向遷移，因而電滲排水中勢必存在較多的反離子。這些試驗結果從微觀離子遷移角度有力地驗證了電滲機理，即電滲法依賴雙電層中反離子對水分的轉移 作用。

圖2 排出的水中各元素質量濃度

圖3 電滲后土壤中Mg質量分數

圖4 電滲后土壤中Ca質量分數

另外還需指出的是，雙電層中陽離子原子階和原子量越高，它與土顆粒之間的靜電引力越強，就越不易移動，因而階數較低、原子量較小的離子遷移能力較強。程程[15]的研究結果表明黃棕壤膠體表面電導率隨陽離子的變化由大至小為單價離子、二價離子、三價離子(Cu2+除外)。本文試驗結果也顯示，電滲排水中Na+和K+質量濃度大幅度增加。圖3~4所示分別為電滲試驗后土壤中Mg和Ca的質量分數。從圖3~4可以看出：鐵和石墨陰極附近土壤中Mg質量分數分別是陽極的5.2和1.6倍，相應Ca的質量分數分別為陽極的4.1和1.9倍。不管是在電滲排水還是陰極附近土壤中其他元素(如Fe，Cu和Al)含量并未顯著增加，這說明對于杭州軟土，電滲排水主要依賴于Na+，K+，Mg2+和Ca2+等離子，尤其是Na+和K+，而Fe3+/Fe2+，Cu2+和Al3+遷移能力較弱，對電滲效果貢獻較小。由此可見，低階、小原子量離子帶動水分子的遷移是決定電滲法效果的關鍵。

關于Mg2+和Ca2+的試驗結果，是因為陰極反應形成的堿性環境使得其生成沉淀滯留在陰極，無法隨水排出，這一點從圖3~4也可以看出，即陰極附近土壤的Mg和Ca的質量分數均比陽極附近的高。

2.2 電滲運移能力

由前述分析可知，電滲排水主要依賴于Na+和K+等低階、小原子量離子帶動水分子遷移。為研究電滲中離子對水分的運移能力，測量電滲排水中Na和K元素質量濃度隨時間的變化，如圖5所示。其中鐵電極部分Na質量濃度太高，超出儀器的最大限值 (800 g/L)，故只作超限說明，并未標示。從圖5可以看出：在初始階段，Na和K質量濃度迅速上升，之后基本維持在恒定值，最后略有上升。Na和K質量濃度初始迅速增加是因為排出的水中殘留有部分重力排水，之后維持恒定則表明電滲排水中Na+和K+質量濃度基本不變，也就意味著單位離子轉移的水分子數相當，電滲后期Na+和K+對水分的運移能力減弱，但減弱并不顯著。

由此可見，電滲過程中Na+和K+對水分的遷移能力變化較小，但這僅是基于單個離子的分析結果，不能完全代表總的電滲運移情況。電滲運移量是單位電荷移動時所轉移水的體積，反映電滲過程中總的電滲運移情況，宏觀上表現為排水速率與電流的比值。圖6所示為排水速率隨電流的變化情況，其中各點縱、橫坐標的比值即為電滲運移量。由圖6可知：試驗前半段(＜17 h)，排水速率隨電流呈線性變化(圖中也給出了擬合直線，其斜率約為0.42 mL/(mA?h))，后半段(≥17 h)排水速率迅速下降。排水量的試驗結果表明前半段鐵和石墨電極排水占總量分別為85.2%和81.9%，也就是說，在電滲效果最為顯著的前半段，土體中的水不斷被排出，而其電滲運移量并未隨之發生較大變化，反而在電滲效率較低的后半段電滲運移量下降顯著。

1—石墨電極，Na；2—鐵電極，K；3—石墨電極，K。

圖6 排水速率隨電流的變化

不管是單個離子還是總的電滲運移量的分析結果均表明，在排水效率和含水率較高的電滲主體階段，單個電荷對水分的轉移能力變化不大，而排水速率和含水率較低的后期階段電滲運移量顯著下降。

3 討論

比較電滲排水和重力排水中離子濃度可知電滲法依賴于擴散層中反離子對水分的轉移作用，而反離子存在于雙電層中，因此，可認為對于特定土壤，其雙電層結構是決定電滲法效率和最終效果的本質因素，土壤本身工程性質對電滲過程的影響也是通過雙電層結構體現。例如土壤pH的降低會導致電動電位絕對值減小[17]，意味著擴散層厚度減少，因而，低pH環境不利于電滲開展。再如黏土礦物類型，3種常見黏土礦物陽離子交換容量(表示黏土礦物帶電性)排序由大至小依次為蒙脫石、伊利石、高嶺石，蒙脫石所帶負電荷最多，吸附較多陽離子，雙電層中陽離子濃度最大，因而，蒙脫土電滲運移量最小。

另外，在排水效果最為明顯的試驗前期，土體含水率較高，隨著電滲的開展，土體含水率勢必不斷減少，其電滲運移量變化較小；而在試驗后期，土體含水率較低，排水量也很少，電滲運移量顯著下降。分析其原因，可能是在不同含水率范圍下，杭州軟土電滲運移量對含水率變化的敏感性存在差異。在本試驗前期土體含水率下，電滲運移量對含水率的變化不太敏感，而當含水率小于某一限值時，電滲運移量會因含水率的降低而大幅度減少。GRAY等[4]還發現電滲運移量對含水率變化的敏感性會因土壤類型的不同而不同，例如對于同樣的含水率增量，伊利黏土的電滲運移量增幅要比蒙脫土的大得多。由此可見，電滲運移量對土壤含水率變化的敏感性與土壤類型密切相關，對同一類土壤，其敏感性也可能會隨著含水率范圍的不同而呈現較大差異。

圖7所示為軟黏土的導電機制[17]。采用土壤的導電機制可解釋電滲運移量與含水率之間的關系。FRIEDMAN[17]提出軟黏土的導電路徑主要有3種(見圖7)：固?液串聯而成(途徑1)、孔隙水(途徑2)以及土顆粒(途徑3)。在電滲初期，土體含水率較高，處于飽和狀態或接近飽和狀態，主要通過途徑2傳遞電荷，水分相對移動電荷是充足的，即各移動電荷都能物盡其用；而隨著排水量增大，土體含水率不斷下降，電荷逐漸依賴土?水體系共同傳遞(途徑1)，其攜帶水分的能力下降，導致通電后期電滲運移量降低。不同土壤類型中途徑2與途徑1的分界含水率不一致。本文試驗結果表明：在1.58 V/cm的電勢梯度下，電滲后土體平均含水率約為35%。在此含水率下，杭州黏土由途徑2轉為途徑1導電，繼續通電時土體幾乎不再有水排出，電滲運移量較低。因此，可認為杭州軟土的分界含水率約為35%。而對于含水率小于35%的杭州黏土，不宜采用電滲法進行處理。

圖7 軟黏土的導電機制[17]

4 結論

1) 電滲排水中各元素質量濃度遠比重力排水中各元素質量濃度高，說明電滲排水依賴擴散層中反離子(主要為低階、小原子量離子)對水分的轉移作用，雙電層結構是決定電滲法效率和最終效果的本質因素，土壤本身工程性質對電滲過程的影響也是通過雙電層結構體現的。

2) 在一定含水率范圍內，杭州黏土電滲運移量對含水率的變化并不敏感。電滲運移量對土壤含水率變化的敏感性與土壤類型以及含水率范圍密切相關。

3) 在1.58 V/cm的電勢梯度下，杭州軟土電滲處理后的最終含水率為35%左右，說明當杭州黏土含水率小于35%時，電滲法幾乎沒有效果。對于含水率小于35%的杭州黏土不宜采用電滲法進行處理。

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(編輯 伍錦花)

Experimental study on transport process of electro-osmosis based on Hangzhou soft soil

TAO Yanli1, 2, 3, ZHOU Jian2, GONG Xiaonan2, ZHU Hang1

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China;2. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 3. MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

To study transport process of electro-osmosis and reveal electro-osmotic mechanism, laboratory electro-osmotic tests were conducted using a self-made model box and Hangzhou soft soil, with ferrum and graphite being the electrode materials. Mass concentrations of selected elements in the electro-osmotic drainage, gravity drainage as well as soil mass were monitored. Current and electro-osmotic dewatering were also monitored during the experiments to calculate electro-osmotic water transport per unit charge. The results show that mass concentrations of Na and K ions are much higher in electro-osmotic drainage than those in gravity drainage, while opposite results are obtained for Mg and Ca ions, which indicates that electro-osmosis technique has a dependency on the transferring of water by counters of low order and small atomic mass. Double layer constitutes the primary refection of the influence of soil physical and mechanical properties on electro-osmotic process. Sensitivity of the electro-osmotic water transport per unit charge to water content is closely related to the soil type, while for a given type of soil, this sensitivity may differ for varied range of water content. Under the potential of 1.58 V/cm, the ultimate water content of the deposed Hangzhou soft soil is 35%, indicating that the electro-osmosis technique is ineffective for Hangzhou clay with water content below 35%. It is thus not recommended to adopt the above technique to dispose Hangzhou clay with water content lower than 35%.

Hangzhou soft soil; gravity drainage; electro-osmotic drainage; ion migration; electro-osmotic water transport per unit charge; water content

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.02.025

TU411

A

1672?7207(2018)02?0448?06

2017?03?25；

2017?05?28

國家自然科學基金資助項目(41427802，41572299，51478425，41602308，51708507)；浙江省自然科學基金資助項目(LQ17E090001，LZ13D020001，LQ13D020001)；教育部新世紀優秀人才支持計劃項目(NCET-11-1080)；浙江省“新世紀151人才工程”資助項目(12-1-076)；浙江省交通規劃設計研究院資助項目(2013W03)；軟弱土與環境土工教育部重點實驗室(浙江大學)開放基金資助項目(2016P01)；浙江科技學院人才建設經費資助項目(F701104F05)(Projects(41427802, 41572299, 51478425, 41602308, 51708507) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(LQ17E090001, LZ13D020001, LQ13D020001) supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province; Project(NCET-11-1080) supported by the Program for New Century Excellent Talents in University; Project(12-1-076) supported by the “Program for 151 New Century Excellent Talents” in Zhejiang Province; Project(2013W03) supported by the Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design & Research; Project(2016P01) supported by the Open Fund of MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering; Project(F701104F05) supported by the Scientific Research Staring Foundation of Zhejiang University of Science and Technology)

周建，博士，教授，從事軟黏土力學及地基處理等研究；E-mail：zjelim@zju.edu.cn