第1章 绪论
1.1 软土电渗加固原理
我国软土主要分布在东南沿海地区，如渤海、黄海、东海、南海等；除此之外，河湖淤泥主要集中在河流中下游平原河网地区，如长江中下游平原、黄淮海平原、宁夏平原、杭嘉湖平原等。滨海地区软土的黏土矿物组成以伊利石和蒙脱石为主，淡水地区软土则是以伊利石和高岭石为主。软土基本物理力学特性包括含水率高、孔隙比大、可压缩性大、强度低等，天然软土作为地基无法满足或低于地上构筑物的承载要求时，需进行地基处理。
电场作用下，带电粒子有向着相反符号电极运动的趋势。俄国科学家Reuss于1807年发现电渗现象：电场作用下，多孔介质会吸附溶液中的正负离子，溶液相对带电并朝一定方向运动。软土电渗原理如图1-1-1所示。
图1-1-1 软土电渗原理示意图
20世纪30年代，Casagrande［1，2］将电渗应用于实际加固工程后，电渗法的室内试验、现场试验和工程实例不断得到丰富和发展。电渗法是利用埋置在土中的电极通以直流电来加速排水固结，在直流电场作用下，吸附阳离子的极性水分子形成水流并从阴极排出，完成从阳极到阴极的运移过程。
电渗法对软土的加固作用主要包括：
（1）加速土体孔隙水的排出；
（2）阳极附近土颗粒的聚集加密；
（3）胶体产物对孔隙的填充密实。
电渗排水对软土加固起到大部分作用，土体含水率的减少使抗剪强度和黏聚力提高，这是电渗处理后软土强度提升的主要原因。Wan等［3］、申春妮等［4］认为土体含水率的减少使其抗剪强度和黏聚力提高，这是电渗处理后地基强度提升的主要原因，Micic等［5］、Glendinning等［6］、Fourie等［7］的研究均表明土体的不排水剪切强度与含水率常呈负指数关系。
除电渗引起的水流运动以外，带负电荷的土颗粒在电泳作用下向阳极方向运动，使阳极附近土体的密实度和强度提高。同时，电渗过程中阳极附近产生一系列化学反应。以铁电极为例，阳极生成的Fe3+向阴极移动并与阴极生成的OH-作用形成Fe(OH)3胶体。液体中形成的氢氧化铁水溶胶体积远超过其干物质形态，对阳极附近的土体孔隙有较好的填充加固作用，同时向阴极方向扩散［8］。此外水的电解、产热、产气等因素对软土的电渗加固效果也有一定影响。
因此，电渗是水力渗流、热力渗流、化学渗流、电力流（包括电流和电渗流）的多场耦合行为。对于长度为L、横截面面积为A、孔隙率为n的土体，水流速率与不同的驱动力呈线性关系：
(1.1.1)
(a)即水力渗流，服从达西(Darcy)定律；
(b)即热力渗流，服从傅里叶(Fourier)定律；
(c)即化学渗流，服从菲克(Fick)定律；
(d)即电流，服从欧姆(Ohm)定律；
(e)即电渗流，与达西定律的形式相似。
式中，qh为水力渗流流量；qt为热力流流量；JD为化学流流量；I为通电电流；qe为电渗流流量；kh为水力渗透系数；kt为热力渗透系数；D为扩散系数；σe为电导率；ke为电渗透系数；ΔH为水头差；ΔT为温度差；ΔC为浓度差；ΔE为电势差；ih为水力梯度；it为热力梯度；ic为化学梯度；ie为电势梯度。
Mitchell［9］指出，大部分土体的电渗透系数范围处于1×10-9～1×10-8m2/(s？V)，同时提供了水力渗透系数的典型试验值或参考值，如表1-1-1所示。
表1-1-1 不同土的电渗透系数和水力渗透系数
Jones等［15］绘出了细砂、淤泥、钠基膨润土等不同类型土的水力渗流与电渗流速率的对比*线，更直观地展示了不同类型土水力渗流与电渗流在速率上的区别，如图1-1-2所示。
图1-1-2 水力渗流与电渗流速率对比
在土样横截面积和长度确定的情况下，电渗透系数可通过测量给定电势梯度下的流速来确定。均匀电场作用下，电渗排水速率可表述为
(1.1.2)
式中，ke为土体电渗透系数；ΔE为施加在阴阳极之间的电势差；L为电极间距；A为土体横截面面积。
用简易算例来说明水力渗流与电渗流的区别：假设细砂和黏土的水力渗透系数kh分别为1×10-5m/s和1×10-10m/s，而电渗透系数ke均为5×10-9m2/(s？V)，为获得相同的水流速度，有
(1.1.3)
如果以采用电势梯度为20V/m的电渗流速作为参照，为了获得相同的水流速度，细砂所需水力梯度为0.01，而黏土则需要水力梯度达到1000。由于电源要求、能耗损失的影响，以上分析仅为理想化的分析，但也能够说明：相对于水力渗透系数较高的细砂，对水力渗透系数较低的黏土采用电渗法进行处理更具优势。
为了定量描述电渗流速，有以下几种被广泛接受的基础理论：
1） Helmholtz-Smoluchowski(H-S)理论
该理论由Helmholtz［16］提出，并由Smoluchowski［17］改进，是*早提出且当前应用*广泛的一种。H-S理论*初应用在描述充满液体的毛细管中，液体受电动力驱动的运动现象，如图1-1-3所示。电渗是在外加电场的作用下，液相流动而固相不动的现象。流动电位是在外力作用下，液相和固相产生相对位移，由此而产生的电位。
图1-1-3 毛细管电渗模型示意图
由图1-1-3可见，机构由两个相互平行的玻璃毛细管组成，上面的毛细管中有一气泡，用来观察液体的流动。测定的毛细管两端装上两个可逆电极，整个体系是密封的，通电时电极表面不能有气泡产生。在毛细管两端加上电场后，电场力与黏滞力达到平衡时，扩散层的离子迁移速率就达到稳定［16］。毛细管圆柱体的半径为a，它比κ-1值大得多，在κa值大于100时符合H-S模型的要求。
充满液体的毛细管可简化为平行板电容器，电荷位于板表面或附近，反向电荷集中在离板较短距离的液体中，从而通过形成的栓塞流（plug flow）拖曳水分通过毛细管，如图1-1-4所示。
图1-1-4 H-S模型示意图
在电场力和液壁间摩阻力的平衡下，电渗流速达到稳定。假设v为电渗流速，δ为移动电荷与壁面的距离，ΔL为阴阳极之间的距离，它们之间的电场强度为ΔE，单位面积的拖曳力为ηdv/dx=ηv/δ，其中η为黏度系数；单位面积的电场力为σΔE/ΔL，其中σ为表面电荷密度。
(1.1.4)
根据静电学概念，电容器两端的电位势可表达为
(1.1.5)
式中，ε为孔隙流体的介电常数。
从而
(1.1.6)
式中，ζ为Zeta电势，土体的典型值在0～50mV范围，孔隙水含盐量越高则Zeta电势值越低。
因此，对于过水断面面积为a的毛细管柱，流量（与排水速率量纲相同）
(1.1.7)
对于N个毛细管柱，总过水断面面积A=Na，流量
(1.1.8)
孔隙率以n表示，实际过水断面面积为nA=Na，因此土体电渗排水速率可写为
(1.1.9)
可写成类似Darcy定律的形式
(1.1.10)
式中，ie=ΔE/ΔL，即电势梯度；ke=ζDηn，即电渗透系数。
根据H-S理论的基本概念和公式描述，可认为电渗透系数、电渗排水速率与土体孔隙大小无关。一般来说，大部分黏土在微结构上是簇结构或团聚体结构，大孔隙比簇内孔隙更多，H-S理论（大孔隙模型）适用于解释土体的电渗现象，是应用*广泛的一种理论模型。
2）Schmid理论
由于H-S理论假定平衡离子层的延伸，可忽略且不考虑平衡表面电荷所用的附加离子，本质上是一种大孔隙模型。因此Schmid［18，19］提出了考虑以上因素的小孔隙模型。
假定平衡离子均匀分布在土体的孔隙水中，电场力在整个孔隙通道中提供相同的速度剖面。根据泊肃叶（Poiseuille）定律，对于半径为r的毛细管，流量
(1.1.11)
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