基本介紹
- 中文名：電滲力
- 外文名：Electroosmotic force
- 方法：在土中插入金屬電極通電
- 目的：降低含水率或地下水位
- 作用：改善土性的加固方法
- 領域：能源
簡介,電滲力加固機理,影響因素,土體種類,電壓梯度,電極腐蝕,最新研究動態,改變電滲條件,加入其它物質,
簡介
電滲力是一種利用電能對地基進行加固的地基處理方法，電滲力的歷史可以追溯至 1809 俄國學者 Reuss 的研究工作，後來各國學者在其加固機理與套用方面開展了大量的研究工作。電滲力具有加固速度快，對細顆粒、低滲透性土有良好的加固效果等優點。由於電滲力需要消耗大量的電能，因此，在很長一段時間內，對電滲力的研究是以室內實驗研究為主，而現場套用卻不多見。隨著我國港口建設的飛速發展，利用港池和航道疏浚土吹填造陸工程如雨後春筍般地不斷湧現。疏浚土往往具有細顆粒、高塑性、低滲透等特性，採用常規排水固結法加固這種地基時，初期效果比較顯著，但後期加固效果明顯下降，表現為後期沉降緩慢，加固後的強度值較小，加固效果並非十分理想。電滲加固效果對土顆粒大小並不敏感，而且隨著經濟的發展和技術水平的提高，電滲力很可能成為此類土的一種高效且造價可以承受的地基加固方法。
電滲力加固機理
電滲加固機理要從土的微觀結構說起。土是固—液—氣三相分散系。土的固相即土顆粒，其表面通常帶有負電荷，在外加電場作用下，向電勢高處運動，此現象稱為電泳；土的液相即土中水，它極易和被溶解的物質如水中的陽離子結合成水化陽離子，在外加電場作用下，向電勢低處運動，此現象稱為電滲。土中水分為結合水和自由水。自由水是指在雙電層影響以外的水，排水固結法排出的的水是自由水。結合水是受雙電層影響， 吸附於土粒表面的水，可分為強結合水和弱結合水。強結合水很難排出， 但其性質已接近固體，因此不對土體加固產生影響；弱結合水因為受土粒靜電場的影響，一般的排水固結法很難將其排出，但在外加直流電場的作用下，部分弱結合水可以擺脫靜電場的束縛被排出，這是電滲力的優勢所在，即電滲不僅可以排出自由水，還可以排出弱結合水。
影響因素
土體種類
由電滲加固機理可知，電滲水流速度主要由電滲係數決定，與土體顆粒大小無關，而電滲透係數受到土體礦物種類、土體中離子的含量、土體含水量及土體固液交界面的動電電位等因素的影響。不同種類的土體電滲係數也不同。
電壓梯度
1996 年shang和 Dunlap研究發現，電流是電滲排水固結的驅動力，單位土體界面上電流的大小直接決定了電滲加固效果的好壞。2011 年國內焦丹和龔曉楠等人在不同初始條件及通電條件下進行電滲試驗發現：高電壓下土體排水量大於低電壓，用時也比低電壓短;增大電壓可以提高電滲加固效果，電壓增高也會導致能耗增大、電極腐蝕嚴重等問題。如何合理地提高電壓，李瑛等在綜合考慮電滲耗能、電極腐蝕等因素，得出最佳的電勢梯度為1.25 V/cm。
電極腐蝕
隨著電滲固結的進行，電極的腐蝕程度逐漸加重，造成電極材料腐蝕剝落，降低了電極與土體的接觸面積；再者，腐蝕生成了新的物質附著在電極表面，形成了新的電阻層，不利於土體的電滲排水固結。除此之外，電滲加固效果還與通電方式(如間歇通電、電極反轉等)、電極材料(如銅、鐵 EKG等)、電極布置形式(如梅花形、平行錯位、1根陰極多根陽極等)及是否與其他工法結合等因素有關。
最新研究動態
針對現今電滲力所存在的若干問題，許多學者進行了相關的研究。主要分為兩個方面：一是改變電滲條件，二是加入其它物質。
改變電滲條件
針對傳統電滲固結理論與實際工程相差較大的問題， 2010 年胡黎明根據相關理論綜合考慮了位移場、滲流場和電場的多場耦合作用下建立了電滲固結過程多場耦合控制方程，開發了有限元軟體，並與理論結果進行對比分析，試驗結果比較吻合。電滲加固過程中，前期加固效果顯著，隨著土體中水的排出，土體電阻增大，電滲加固效果越來越小，為解決這個問題，2014 年劉飛禹採用陽極跟進的技術進行電滲試驗，發現陽極跟進辦法能夠降低陽極區的電阻，提高了電滲加固效果，且第 1 次陽極跟進作用效果最明顯。陽極跟進技術能夠在一定程度上提高電滲加固效果，但對實際工程的環境條件要求較高，不易操作，如何才能套用於實際工程，還要繼續探索。大連理工大學的萬勇等人以海相淤泥為試驗對象，研究電勢梯度對電滲效果的影響，發現高電勢梯度電滲加固效果較好，但電滲耗能增加，電極腐蝕嚴重。劉飛禹等人則採用逐級增加電壓的方式進行電滲試驗，試驗表明合理的逐級增加電壓能夠降低電能消耗，提高電滲排水效率。
加入其它物質
電滲後期土體開裂，電阻增大，導致電滲耗能增加，增大了工程成本。宋忠強和閆雪梅等人 對電滲過程中形成的裂縫採用活性炭進行處理，提高了土體的排水量，減輕了電極的腐蝕程度，這也為提高電滲效率提供了一種新的思路。李聰等人將納米蒙脫土拌入土體中進行電滲試驗， 結果發現納米蒙脫土可以提高土體抗剪強度， 但不利於土中水的排出，可能是由於蒙脫土遇水膨脹，堵塞了土中的排水孔道。拌入納米蒙脫土的方式難以套用於實際工程，其可行性需要進一步的研究。另一方面，電場驅動納米材料修復混凝土的報導對岩土工程很有啟發意義，由於土體和混凝土一樣都是多相多孔介質，如果往土體中注入帶電的納米材料，應該可以降低土體電阻，增大電流，加快土中水的排出速率。
