電化學(xué)注漿加固軟土效果的試驗(yàn)研究

王寧偉，劉 鐵，于 輝，高井超

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168)

電化學(xué)注漿加固軟土效果的試驗(yàn)研究

王寧偉，劉 鐵，于 輝，高井超

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168)

利用自制的試驗(yàn)裝置做了四組軟土電化學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)加入四種等量的不同溶液(水玻璃溶液、氯化鈣溶液、水及氯化鈣聯(lián)合水玻璃溶液)來(lái)探討不同化學(xué)溶液對(duì)軟土電化學(xué)改性固結(jié)的影響。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的電流、排水量、單位時(shí)間排水速率、能耗以及試驗(yàn)后不同齡期加固強(qiáng)度的分析，得出以下結(jié)論：電化學(xué)雙液注漿能夠用較小能耗有效地提升土體的強(qiáng)度，并且隨著齡期的增長(zhǎng)，承載力不斷提升；水玻璃對(duì)陽(yáng)極區(qū)域土體加固效果較好，而氯化鈣對(duì)于陰極區(qū)域加固效果較好；電化學(xué)單位時(shí)間排水速率和排水量不光與電流和土體含水率有關(guān)，還與土體的膠結(jié)程度有關(guān)。

電化學(xué)；能耗；單位時(shí)間排水速率；承載力；膠結(jié)

電化學(xué)注漿是一種新型的注漿方式，將兩根金屬電極插入土中，用導(dǎo)線與直流電源相連，施加一個(gè)外加電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，水分子會(huì)從陽(yáng)極向陰極移動(dòng)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為電滲。注入漿液，漿液中的陽(yáng)離子會(huì)隨著電場(chǎng)從陽(yáng)極向陰極移動(dòng)，在土中發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成膠體，從而膠結(jié)了土體。由于外加電場(chǎng)的作用，電化學(xué)注漿方式往往能夠達(dá)到定向注漿的效果，具有能夠排出土壤中多余的水分、節(jié)約漿液材料、加固效果均勻等特點(diǎn)。然而現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)于電化學(xué)的研究不足，因此，有必要對(duì)于電化學(xué)注漿加固軟土的作用和機(jī)理進(jìn)一步研究。

關(guān)于電化學(xué)的研究，早在1948年，美國(guó)學(xué)者Preece E F等[1]發(fā)表了相關(guān)成果。1968年，Esring M[2]初步探討了電化學(xué)加固的反應(yīng)機(jī)理。1953年，日本、印度、印度尼西亞等國(guó)家也發(fā)表了相應(yīng)電化學(xué)研究成果[3-5]。前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn). Yu. Trushinskii也對(duì)電化學(xué)做出大量研究[6]。隨著我國(guó)巖土工程的發(fā)展，相關(guān)國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)電化學(xué)進(jìn)行了研究。Wang N S等[7]和曾國(guó)熙院士等[8]最早對(duì)軟土的電化學(xué)加固進(jìn)行了研究。王寧偉等[9]將電化學(xué)注漿與電滲的效果進(jìn)行了對(duì)比。韓艦輝等[10]、張雷等[11]、王寧偉等[12]研究了不同氯化鈣濃度對(duì)于軟土加固效果的影響。王寧偉等[13]進(jìn)行了電化學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。然而上述對(duì)于電化學(xué)的研究?jī)H僅限于單一漿液的注入，從而往往使得電化學(xué)注漿之后的土體強(qiáng)度分布不均，呈現(xiàn)陰極大于陽(yáng)極的狀態(tài)。本文通過(guò)對(duì)營(yíng)口地區(qū)某基坑內(nèi)的原狀軟黏土進(jìn)行室內(nèi)的電化學(xué)試驗(yàn)，證明了氯化鈣聯(lián)合水玻璃雙液注漿對(duì)于軟土加固效果的有效性，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象，各個(gè)試驗(yàn)參數(shù)以及試驗(yàn)后土體的承載力的分析，有助于加深理解電化學(xué)加固土體的原理和基本規(guī)律。

1 試驗(yàn)原理

在電化學(xué)過(guò)程中，土中會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，包括電滲、電泳、電解、離子沉淀、離子交換、化學(xué)膠結(jié)等。土壤中的水經(jīng)過(guò)電滲作用從陰極排出，土體含水率減少，土體固結(jié)。電解作用使得陽(yáng)極鐵電極發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生大量的氫氧化鐵膠體，該膠體在陽(yáng)極處膨脹，擠密土體，從而加固土體。注入氯化鈣溶液后，通過(guò)離子交換，高價(jià)的鈣離子置換了低價(jià)的鈉離子，使水膜厚度變薄，從而增大了土的密實(shí)度[12]。氯化鈣固化土的作用機(jī)理是由于土體中注入高價(jià)陽(yáng)離子(Ca2+)鹽溶液后，軟黏土礦物在電解產(chǎn)生的堿性或酸性環(huán)境下，鈣離子、硅酸鹽及鋁酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣CSH和水化鋁酸鈣CAH兩種膠體，固結(jié)了黏土顆粒，改變了土的結(jié)構(gòu)性，從而提高了土體強(qiáng)度。水玻璃固化土的作用機(jī)理是水玻璃遇到黏土中的高價(jià)金屬離子或孔隙水便生成硅酸鈣或硅膠顆粒,填塞黏土顆粒間的孔隙，從而提高土體強(qiáng)度。水玻璃與土之間除了生成沉淀填塞之外,還有水玻璃在黏土顆粒間的化學(xué)膠結(jié)作用[14]。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣為營(yíng)口地區(qū)某基坑內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)采集的原狀軟黏土，其基本物理指標(biāo)如表1所示。本次試驗(yàn)采用重塑土樣，將原狀土進(jìn)行烘干，研磨等處理，經(jīng)計(jì)算加適量水調(diào)勻，按照實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)含水率配置成均勻含水率的土。待靜置48 h后，清除表面積水。經(jīng)測(cè)定，試驗(yàn)土體的初始承載力為20 kPa。

表1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)指標(biāo)

3 試驗(yàn)方案及方法

如表2所示為本次試驗(yàn)方案。本次試驗(yàn)共分為四組。試驗(yàn)A、試驗(yàn)B、試驗(yàn)C為電化學(xué)單液注漿，試驗(yàn)D為電化學(xué)雙液注漿。

表2 電化學(xué)注漿試驗(yàn)方案

如圖1所示，為自行設(shè)置的電化學(xué)試驗(yàn)裝置。其中包括：土體試驗(yàn)箱、電極、注漿管、電流表、穩(wěn)壓直流電源、量筒。

圖1試驗(yàn)裝置示意圖

土體試驗(yàn)箱的尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=28 cm×21 cm×16 cm。土樣高度為12 cm。陰極和陽(yáng)極均采用長(zhǎng)20 cm，直徑5 mm的光圓不銹鋼鋼筋。分別垂直放置在距離寬邊4 cm的中心位置處。陰極底部開(kāi)有一個(gè)直徑1 cm的小孔作為電滲過(guò)程中的排水口，并將量筒放在排水口下方用以收集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中排出的水分。注漿管采用直徑22 mm，長(zhǎng)20 cm，管底封閉，管壁部滿(mǎn)5 mm小孔的不銹鋼管，為了防止土體進(jìn)入注漿管，用潤(rùn)濕的土工布將管壁外側(cè)緊緊包裹。為了避免與陽(yáng)極接觸發(fā)生腐蝕，將注漿管垂直放置于距離陽(yáng)極1 cm處。電源采用穩(wěn)壓直流電源，電源的輸出電壓為0 V～100 V，輸出電流為0 A～30 A。

21mm]四組試驗(yàn)在開(kāi)始通電后每隔0.5 h觀察電流表和量筒，用以記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的電流和排水量。A組、B組、C組試驗(yàn)在累計(jì)通電第3 h開(kāi)始注漿，每次間隔2 h注漿20 ml；D組試驗(yàn)和前三組試驗(yàn)注漿方式相同，從累計(jì)通電11 h開(kāi)始，將之后的注入漿液由濃度為26%的氯化鈣溶液換為濃度為26%的水玻璃溶液。累計(jì)通電14 h后間斷10 h再次通電8 h，試驗(yàn)結(jié)束，總累計(jì)通電時(shí)間為22 h。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 電流變化分析

如圖2所示為本次試驗(yàn)的電流曲線，出現(xiàn)尖角的位置表明注入漿液。累計(jì)通電3 h，四組試驗(yàn)的電流曲線變化規(guī)律基本相同，呈先上升后下降趨勢(shì)。注入漿液后，發(fā)現(xiàn)全程注入水玻璃的A組試驗(yàn)，電流全程呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，幾乎沒(méi)有因?yàn)闈{液的注入而出現(xiàn)較大的電流波動(dòng)。而B(niǎo)組、C組、D組試驗(yàn)電流均在短時(shí)間內(nèi)上升，并在通電9 h之前一直維持緩慢下降趨勢(shì)。9 h之后，由于D組試驗(yàn)也開(kāi)始注入水玻璃，電流也呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)。而B(niǎo)組試驗(yàn)因?yàn)槔^續(xù)注入氯化鈣溶液，電流仍舊保持較高趨勢(shì)。這是因?yàn)殁}離子的離子交換能力要大于鉀離子，能夠置換土顆粒表面如鈉離子、鉀離子等低價(jià)離子，使得水化離子半徑減小促進(jìn)水分排出，提高了土體的排水速率和導(dǎo)電性。而水玻璃溶液中也存在因?yàn)楣杷徕c水解而產(chǎn)生能夠降低溶液導(dǎo)電性的硅膠，因此電流比注水的C試驗(yàn)低20%左右。累計(jì)通電14 h間斷10 h后繼續(xù)通電，四組試驗(yàn)電流均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。再次注漿之后，B組試驗(yàn)電流能夠維持較高趨勢(shì)，而D組試驗(yàn)電流卻急速下降。累計(jì)通電22 h，四組試驗(yàn)電流均已達(dá)到初始電流的二分之下以下，且排水口不再有水分排出。因此停止通電。

在現(xiàn)場(chǎng)利用電化學(xué)注漿對(duì)軟土地基進(jìn)行加固時(shí)，由于土體排水條件不易觀察測(cè)量，因此參考電流的數(shù)值和變化規(guī)律進(jìn)行電化學(xué)過(guò)程的分析?？傮w而言，當(dāng)電滲過(guò)程中電流達(dá)到初始狀態(tài)電流的二分之一時(shí)，認(rèn)為土體中的漿液在電滲過(guò)程中已經(jīng)充滿(mǎn)土體并開(kāi)始發(fā)生膠結(jié)硬化，此時(shí)通電已不經(jīng)濟(jì)，應(yīng)結(jié)束通電。

圖2電流曲線

4.2 排水量和排水速率變化分析

如圖3、圖4所示，為試驗(yàn)的排水量和排水速率曲線。圖4中的尖角所對(duì)應(yīng)時(shí)刻即為注漿時(shí)刻。排水速率曲線隨著排水量的增加與四組試驗(yàn)電流變化規(guī)律一致，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與此同時(shí)土體含水率減小，表明排水速率與電流和含水率有關(guān)[4]。累計(jì)通電3 h，四組試驗(yàn)由于漿液的注入，排水速率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，達(dá)到最大排水速率，之后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。但試驗(yàn)A的排水速率并沒(méi)有因?yàn)樗Ａ芤旱募尤攵霈F(xiàn)較大峰值，試驗(yàn)D在通電11 h也由于加入了水玻璃而導(dǎo)致排水速率開(kāi)始急劇減小并逐漸至0的情況。這是因?yàn)樗ＡУ募尤胍肓斯枘z和硅酸根離子硅膠能夠快速固結(jié)土體，硅酸根離子能夠和土體中的鈣離子和氫氧根離子發(fā)生膠結(jié)硬化，固結(jié)土體，阻礙排水通道。

圖3累計(jì)排水量曲線

試驗(yàn)B、試驗(yàn)D加入氯化鈣溶液，均有較高峰值，試驗(yàn)D的峰值大于注水的C試驗(yàn)，說(shuō)明鈣離子的注入的確能夠提升土體的排水速率。累計(jì)通電6.5 h，試驗(yàn)A、試驗(yàn)B、試驗(yàn)D的排水速率曲線下降幅度逐漸增大，但小于注水的試驗(yàn)C。表明電滲6.5 h，所注漿液與土體已發(fā)生膠結(jié)硬化，阻礙排水通道，導(dǎo)致排水速率降低。而試驗(yàn)C的土體中發(fā)生的膠結(jié)硬化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他注漿試驗(yàn)。

圖4單位時(shí)間排水速率曲線

如圖3可得，注水試驗(yàn)C的排水量最多，其次為雙液注漿試驗(yàn)D，試驗(yàn)A、試驗(yàn)B的排水量大致相等。根據(jù)以上分析可得，說(shuō)明土體的膠結(jié)程度也影響著電滲過(guò)程中的排水量和排水速率。

4.3 累計(jì)能耗分析

四組試驗(yàn)穩(wěn)壓輸出20 V，根據(jù)三組試驗(yàn)的電流數(shù)據(jù)，電化學(xué)作用的能耗表達(dá)式為[15]：

(1)

式中：U為電源的輸出電壓，V；It為在t1、t2的時(shí)間段內(nèi)某時(shí)刻t的電路電流，A；Ct1和Ct2分別是t1時(shí)刻與t2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的能耗值。

如圖5所示為四組試驗(yàn)的累計(jì)能耗曲線。累計(jì)通電6.5 h，四組試驗(yàn)的能耗相等。6.5 h之后，試驗(yàn)A能耗的上升速率開(kāi)始減緩，這是由于加入的水玻璃溶液降低了土體中的導(dǎo)電性，電流下降，排水速率下降幅度增大， 陽(yáng)極區(qū)域土體開(kāi)始發(fā)生膠結(jié)硬化。因此試驗(yàn)D在11 h加入水玻璃溶液后也開(kāi)始導(dǎo)致電流下降，并在累計(jì)通電14 h，試驗(yàn)D的能耗增長(zhǎng)速率開(kāi)始減小。說(shuō)明水玻璃溶液在注入3 h左右土體就已開(kāi)始發(fā)生膠結(jié)硬化。試驗(yàn)B和試驗(yàn)C由于氯化鈣溶液和水的加入，電流保持升高趨勢(shì)而導(dǎo)致能耗上升。電滲過(guò)程停止后，總累計(jì)能耗的關(guān)系為：試驗(yàn)B>試驗(yàn)C>試驗(yàn)A>試驗(yàn)D。

圖5累計(jì)能耗曲線

4.4 承載力分析

通電停止后，土體中的電解、電滲排水、離子遷移、離子交換等作用停止，然而離子沉淀、二次礦物結(jié)晶等過(guò)程隨著齡期的增加一直進(jìn)行，因此對(duì)四組試驗(yàn)的不同齡期承載力用袖珍貫入儀進(jìn)行了測(cè)量。定義距離陽(yáng)極0 cm～5 cm區(qū)域?yàn)殛?yáng)極區(qū)域，5 cm～15 cm為中間區(qū)域，15 cm～20 cm為陰極區(qū)域。

圖6為四組試驗(yàn)的0 d期齡的表面承載力曲線。由于漿液的注入引入大量水分從而導(dǎo)致陽(yáng)極區(qū)域土體的含水率上升，所以四組試驗(yàn)的陽(yáng)極區(qū)域承載力均低于陰極區(qū)域承載力。試驗(yàn)A由于從試驗(yàn)開(kāi)始于陽(yáng)極區(qū)域注入水玻璃，所以在電滲過(guò)程中陽(yáng)極區(qū)域早早發(fā)生膠結(jié)硬化，導(dǎo)致其陽(yáng)極區(qū)域承載力在四組試驗(yàn)中最高。試驗(yàn)C在整個(gè)電滲過(guò)程中僅注入不能使土體發(fā)生膠結(jié)硬化的純水，因此其排水量最多，陰極區(qū)域承載力最高。

圖6試驗(yàn)土體0 d齡期承載力

圖7為四組試驗(yàn)的3 d期齡承載力曲線。試驗(yàn)A注入了大量能在陽(yáng)極區(qū)域堆積的水玻璃，隨著齡期的增長(zhǎng)，土體中的硅膠逐漸硬化并且膠結(jié)硬化反應(yīng)也一直進(jìn)行，所以陽(yáng)極區(qū)域土體承載力增加約58 kPa，呈現(xiàn)較高承載力。而試驗(yàn)B、試驗(yàn)C、試驗(yàn)D平均承載力也均呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，試驗(yàn)B陽(yáng)極區(qū)域增長(zhǎng)約5 kPa，陰極區(qū)域增長(zhǎng)約12 kPa，承載力提升范圍小，可能是由于灌入氯化鈣溶液過(guò)多，在電化學(xué)過(guò)程中存在最佳注漿量。試驗(yàn)C陽(yáng)極區(qū)域增長(zhǎng)約5 kPa，陰極區(qū)域增長(zhǎng)約15 kPa。試驗(yàn)D的承載力由于在陽(yáng)極陰極均有膠結(jié)硬化反應(yīng)所以增長(zhǎng)幅度最大，陽(yáng)極區(qū)域平均增長(zhǎng)約17 kPa，陰極區(qū)域平均增長(zhǎng)約20 kPa。

圖8為四組試驗(yàn)的7 d期齡承載力曲線。從陽(yáng)極區(qū)域承載力來(lái)看，試驗(yàn)A繼續(xù)保持領(lǐng)先增長(zhǎng)趨勢(shì)并達(dá)到四組試驗(yàn)的最高承載力180 kPa，陰極區(qū)域增長(zhǎng)緩慢僅為5 kPa。試驗(yàn)B注入了氯化鈣漿液，陰極承載力開(kāi)始迅速增長(zhǎng)達(dá)到110 kPa，而陽(yáng)極區(qū)域增長(zhǎng)緩慢僅為5 kPa。試驗(yàn)C相對(duì)于3 d齡期承載力，陽(yáng)極和中間區(qū)域增長(zhǎng)迅速平均達(dá)到30 kPa，而陰極增長(zhǎng)緩慢，說(shuō)明陰極區(qū)域并沒(méi)有膠結(jié)硬化或離子沉淀現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)D陽(yáng)極區(qū)域增長(zhǎng)約35 kPa最高達(dá)到140 kPa，僅次于純注水玻璃的試驗(yàn)A，陰極區(qū)域增長(zhǎng)約15 kPa最高達(dá)到146 kPa，在四組實(shí)驗(yàn)中承載力最高。試驗(yàn)C、試驗(yàn)D的中間區(qū)域僅相差約5 kPa，從齡期增長(zhǎng)強(qiáng)度來(lái)看，試驗(yàn)D中間區(qū)域承載力隨著齡期的增長(zhǎng)還會(huì)不斷增長(zhǎng)。

圖7 試驗(yàn)土體3 d齡期承載力

圖8試驗(yàn)土體7 d齡期承載力

綜上所述，試驗(yàn)A和試驗(yàn)D均注入水玻璃溶液，由于注入量不同，導(dǎo)致陽(yáng)極區(qū)域不同齡期承載力不同，可見(jiàn)在一定范圍內(nèi)注入量越多，陽(yáng)極承載力越高，而水玻璃溶液對(duì)于陰極區(qū)域承載力的提升作用很小。試驗(yàn)B和試驗(yàn)D均注入氯化鈣溶液，由于注入量不同，導(dǎo)致陰極不同齡期承載力不同，氯化鈣溶液的注入并非越多越好，存在最佳注入量，氯化鈣溶液對(duì)于陽(yáng)極區(qū)域承載力的提升作用很小。因此，電化學(xué)雙液注漿，能夠以最小能耗較大的提升土體陽(yáng)極區(qū)域和陰極區(qū)域的承載力。

5 結(jié) 論

(1) 電化學(xué)雙液注漿相比較電化學(xué)單液注漿，能夠以較小的能耗有效的提升土體的承載力。并且隨著齡期的增長(zhǎng)，承載力不斷提高。

(2) 水玻璃溶液中存在硅膠，在電場(chǎng)作用下不易遷移，對(duì)于陽(yáng)極區(qū)域土體的加固效果較好；而氯化鈣溶液中的鈣離子可以在電場(chǎng)作用下遷移到陰極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膠體，對(duì)于陰極區(qū)域土體的加固效果較好。

(3) 排水速率和排水量不僅受電流和土體含水率的影響，還與土體的膠結(jié)程度有關(guān)，隨著電化學(xué)過(guò)程的進(jìn)行，土體的膠結(jié)范圍不斷擴(kuò)大，排水速率不斷降低，電流不斷減小。

(4) 通過(guò)對(duì)比四組試驗(yàn)的電流曲線，建議在使用電化學(xué)注漿對(duì)軟土地基加固時(shí)采用電流衰減到初始電流三分之一時(shí)作為結(jié)束條件，避免造成電能和漿液的浪費(fèi)。

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ExperimentalStudyontheEffectofElectrochemicalGroutingforSoftSoil

WANG Ningwei, LIU Tie, YU Hui, GAO Jingchao

(SchoolofCivilEngineering,ShenyangConstructionUniversity,Shenyang,Liaoning110168,China)

By using a self-made test device, four electrochemical tests were carried out to explore the application effect of the different chemical solutions by adding four different equal solution (sodium silicate solution, calcium chloride solution, water and calcium chloride solution combined with sodium silicate solution). Based on the analysis of the current, drainage, drainage rate of unit time, energy consumption and reinforcement strength of different ages after the experiment, the following results are derived, the electrochemical double liquid grouting can improve the maximum strength of the soil with little energy consumption, with the continuous extension of age the bearing capacity of the test soil mass is improved continually, sodium silicate can strengthen the anode area of the test soil better while calcium chloride can strengthen the cathode area of the test soil better, the electrochemical drainage rate of unit time and cumulative drainage are not only related to the current and water content of the soil, but also to the degree of cementation.

electrochemistry;energyconsumption;drainagerateofunittime;bearingcapacity;cementation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.002

2017-06-30

2017-07-29

TU447

A

1672—1144(2017)06—0007—05