電化學(xué)加固方法整治鐵路路基翻漿冒泥試驗(yàn)研究

肖芳炎 蘇謙 張棋 邵康 陳城 黃志超

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

我國(guó)超過(guò)16%的既有線路基基床存在各種類型的病害［1］。作為鐵路基床病害的常見(jiàn)類型之一，翻漿冒泥導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)影響列車運(yùn)行安全。

國(guó)內(nèi)外對(duì)路基翻漿冒泥整治措施進(jìn)行了廣泛研究，總結(jié)出多種整治方法，如換填路基土、鋪設(shè)砂墊層、加設(shè)排水盲溝等。這些傳統(tǒng)方法只從排水或改良基床力學(xué)性能等單方面著手進(jìn)行整治，效果不佳［2］。尋找新的整治技術(shù)以及相應(yīng)的工藝是近年來(lái)翻漿冒泥病害整治的新研究方向。電化學(xué)加固方法以施工便捷、能達(dá)到路基土體排水和化學(xué)膠結(jié)的雙重加固作用、處理成本低等優(yōu)勢(shì)而逐步受到關(guān)注。

電化學(xué)加固方法是一種在通電條件下將發(fā)生在土體中的電動(dòng)力效應(yīng)與化學(xué)注漿手段相結(jié)合、用于土體排水固結(jié)與強(qiáng)度提升的方法。文獻(xiàn)［3］利用電滲排水對(duì)挪威一處軟土地基進(jìn)行處理，證明了電滲在處理軟土地基上的有效性。文獻(xiàn)［4-5］對(duì)加拿大的軟土進(jìn)行過(guò)電化學(xué)加固處理。文獻(xiàn)［6］在新加坡填海工程中進(jìn)行了電化學(xué)加固現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在我國(guó)，文獻(xiàn)［7］最早對(duì)軟土的電化學(xué)加固進(jìn)行了探索。文獻(xiàn)［8］利用電化學(xué)聯(lián)合預(yù)壓的方法對(duì)新建鐵路路基進(jìn)行排水加固處理。文獻(xiàn)［9］對(duì)廣州地區(qū)某現(xiàn)場(chǎng)電化學(xué)排水施工實(shí)例進(jìn)行探究。文獻(xiàn)［10］對(duì)比了電化學(xué)注漿與電滲的效果。文獻(xiàn)［12-13］研究不同氯化鈣濃度對(duì)軟土加固效果的影響，得出氯化鈣溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在26%左右加固效果最佳。文獻(xiàn)［14］進(jìn)行了電化學(xué)加固軟土的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

電化學(xué)應(yīng)用于軟土地基處理方面的研究較多，但應(yīng)用于鐵路路基病害整治方面的研究較少，尤其是針對(duì)路基翻漿冒泥病害整治的研究幾乎沒(méi)有。本文從電化學(xué)加固土體的機(jī)理出發(fā)，運(yùn)用控制變量法設(shè)計(jì)電化學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)，從土體滲透性、強(qiáng)度和耗能方面研究通電方式、化學(xué)漿液注入量對(duì)翻漿冒泥土體加固效果的影響，并分析土體沉降特性，為電化學(xué)加固方法應(yīng)用于鐵路翻漿冒泥整治提供參考。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

在電化學(xué)加固過(guò)程中，土體中發(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)電力驅(qū)動(dòng)隨著土中陽(yáng)離子向陰極流動(dòng)排出，土體排水固結(jié)。電解作用使陽(yáng)極管發(fā)生化學(xué)腐蝕，生成氫氧化亞鐵膠體，該膠體在陽(yáng)極處膨脹氧化、擠密從而加固土體。注入氯化鈣溶液后，通過(guò)離子交換，高價(jià)鈣離子置換低價(jià)鈉離子，使水膜厚度變薄，從而增大土的密實(shí)度［13］。同時(shí)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，鈣離子與硅酸鹽、鋁酸鹽等發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠體，固結(jié)黏土顆粒從而提高土體強(qiáng)度，降低土體滲透性。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土體取自成都鐵路局一條既有鐵路現(xiàn)場(chǎng)的粉質(zhì)黏土。試驗(yàn)使用原狀土體重塑后的土樣，烘干、磨碎、篩分后將干燥粉末加適量水調(diào)勻，密閉靜置24 h以保持土樣含水率均勻。制備完成的重塑土樣參數(shù)見(jiàn)表1。重塑土樣含水率為45%，重度為18 kN/m3。

表1 重塑土樣基本物理指標(biāo)

陰陽(yáng)電極材質(zhì)均采用不銹鋼管，外徑20 mm，壁厚1.5 mm，如圖1 所示，沿管周均勻布設(shè)4 個(gè)孔，開(kāi)孔直徑5 mm，沿管長(zhǎng)每周孔間距為30 mm。

圖1 不銹鋼管電極（單位：mm）

1.3 試驗(yàn)裝置

土體試驗(yàn)箱的尺寸為600 mm（長(zhǎng)）×500 mm（寬）×160 mm（高），結(jié)構(gòu)如圖2所示。土樣厚度為80 mm，陰陽(yáng)極管垂直插入土中，陰極管下部開(kāi)有直徑為18 mm的排水孔，并將量杯放在下方收集試驗(yàn)過(guò)程中排出的水分。陰陽(yáng)電極間距520 mm，電極對(duì)間距為400 mm，其中 a，b，c 為土體沉降測(cè)點(diǎn)。a，c 位于電極對(duì)中部，b位于土樣中心。

圖2 試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

陽(yáng)極區(qū)域（陽(yáng)極管附近）表面設(shè)有抗剪強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)1#，3#。中部區(qū)域（電極對(duì)中部）表面設(shè)有抗剪強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)a，c。陰極區(qū)域（陰極管附近）表面設(shè)有抗剪強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)2#，4#。采用50 V直流電源供電。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為2個(gè)階段，見(jiàn)表2。各階段均采用控制變量法，試驗(yàn)土樣初始含水率均為45%，電壓均為50 V，電勢(shì)梯度均為0.96 V/cm。

表2 試驗(yàn)方案

6 組試驗(yàn)均在開(kāi)始通電前安裝好土體沉降測(cè)量裝置，并測(cè)定各測(cè)點(diǎn)土體表面初始抗剪強(qiáng)度。開(kāi)始通電后實(shí)時(shí)觀察記錄電流值以及測(cè)量排水體積，通電結(jié)束后再次測(cè)定各測(cè)點(diǎn)位置土體表面最終抗剪強(qiáng)度。第1階段有A，B，C 共3 組試驗(yàn)。其中間歇通電為每通電2 h斷電10 min，反轉(zhuǎn)電極在實(shí)際通電25 h后進(jìn)行正負(fù)極反轉(zhuǎn)。連續(xù)通電為一直通以定向電流至結(jié)束。第2階段在第1 階段的基礎(chǔ)上選出最優(yōu)通電方式，并在該通電方式下進(jìn)行D，E，F(xiàn) 共3 組試驗(yàn)（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)26%的氯化鈣漿液注入量分別占待處理土體體積的0.5%，1.5%，2.5%）。根據(jù)試探性試驗(yàn)，以上6組試驗(yàn)實(shí)際通電時(shí)長(zhǎng)均定為50 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 通電方式對(duì)土體加固效果的影響

試驗(yàn)第1 階段在各通電方式下先通電1 h，之后每隔1 h分2次注入氯化鈣溶液，單次注入量均為60 mL。通電前3 h每隔1 h測(cè)定1次排水量，之后每隔2 h測(cè)定1次。根據(jù)所測(cè)排水量及間隔時(shí)間推算排水速率。

2.1.1 通電方式對(duì)土體滲透性的影響

通電完畢后試驗(yàn)A，B，C 排水速率見(jiàn)圖3?？芍? 組試驗(yàn)在加入化學(xué)漿液后其排水速率有所增加；隨著水分排出土體含水率下降，排水速率也隨之下降。試驗(yàn)C 在電極反轉(zhuǎn)后，排水速率急劇下降至0。這是由于在通電一段時(shí)間后陽(yáng)極水分向陰極遷排，陽(yáng)極區(qū)域首先變干，電阻增大，將電極反轉(zhuǎn)后50 V 電壓提供的電動(dòng)力不足以再將之前陰極水分向陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)，所以排水速率下降至0。試驗(yàn)B 在后期排水速率一直呈下降趨勢(shì)，且在50 h 實(shí)際通電時(shí)長(zhǎng)后每小時(shí)排水量低于總排水量的1.5%，此時(shí)可認(rèn)為電化學(xué)通電已經(jīng)失去效果。試驗(yàn)A 排水速率在下降一段時(shí)間后又呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)，且在實(shí)際通電50 h 后，其每小時(shí)排水量不低于總排水量的1.5%，說(shuō)明其后續(xù)還有一段時(shí)間處于有效通電范圍內(nèi)，還可以遷排出更多水分。

圖3 第1階段各通電方式下排水速率

根據(jù)積分計(jì)算得出，在相同通電時(shí)長(zhǎng)和化學(xué)漿液注入量的情況下試驗(yàn)A排水量最多，試驗(yàn)B次之，試驗(yàn)C排水量最少。

2.1.2 通電方式對(duì)土體強(qiáng)度的影響

通電開(kāi)始前試驗(yàn)A，B，C 的土樣呈流塑狀態(tài)，采用微型十字板剪切儀對(duì)各土樣表面測(cè)點(diǎn)（參見(jiàn)圖2）進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，得到的土樣表面各處初始抗剪強(qiáng)度均非常接近0.75 kPa。通電結(jié)束后對(duì)土樣表面各處再次進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)定，并對(duì)同一區(qū)域測(cè)點(diǎn)取平均值，結(jié)果見(jiàn)表3?？芍?，各試驗(yàn)中陽(yáng)極區(qū)域加固效果比陰極區(qū)域和中間區(qū)域好，說(shuō)明陽(yáng)極管發(fā)生電化學(xué)腐蝕，生成氫氧化亞鐵膠體進(jìn)一步加固土體，同時(shí)陰極為富水區(qū)域，含水率較大水分不能及時(shí)排出導(dǎo)致其土體抗剪強(qiáng)度低于陽(yáng)極。試驗(yàn)A各處抗剪強(qiáng)度值均比試驗(yàn)B，C要大。通過(guò)計(jì)算，試驗(yàn)A 土體表面平均抗剪強(qiáng)度增大6倍左右，效果最佳。

表3 不同通電方式下土樣表面抗剪強(qiáng)度 kPa

2.1.3 通電方式對(duì)耗能的影響

試驗(yàn)A，B，C 電流隨實(shí)際通電時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4?？芍喝咴谧⑷霛{液后電流均上升，其中試驗(yàn)A 在電流上升之后隨著含水率下降電流變化不大，說(shuō)明間歇通電下在斷電期間水的滲流作用使得水分又在土體中均勻分布，防止了局部土體由于水分過(guò)少引起的電阻增大；試驗(yàn)B 由于連續(xù)通電下水分不斷排出電流在后期呈逐步下降態(tài)勢(shì)；試驗(yàn)C 在電極反轉(zhuǎn)后電流急劇下降接近于0，這是由于電極反轉(zhuǎn)后，之前陽(yáng)極區(qū)域電阻增大，電動(dòng)力不足以讓之前陰極水分向陽(yáng)極遷排導(dǎo)致電流回路接近斷路。

圖4 第1階段電流隨實(shí)際通電時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)

消耗總電能w= ∫UIdt，其中U為通電電壓，I為通電電流，t為通電時(shí)長(zhǎng)。按照交流轉(zhuǎn)直流85%的效率計(jì)算，試驗(yàn)A 耗電量為0.286 kW·h，試驗(yàn)B 耗電量為0.313 kW·h，試驗(yàn)C 耗電量為0.180 kW·h。在實(shí)際通電時(shí)長(zhǎng)和化學(xué)漿液注入量相同的情況下，3 種通電方式耗能相差不大，均較小且滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

2.2 氯化鈣漿液注入量對(duì)土體加固效果的影響

由第1階段試驗(yàn)知間歇通電方式處理土體效果最好，故采用間歇通電方式進(jìn)行第2 階段的3 組試驗(yàn)，探究氯化鈣漿液注入量對(duì)試驗(yàn)土體加固效果的影響。

2.2.1 漿液注入量對(duì)土體滲透性的影響

試驗(yàn)D，E，F(xiàn) 排水速率隨實(shí)際通電時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。可知，試驗(yàn)D 在注入0.5%漿液量后帶入陽(yáng)離子和水分，導(dǎo)致電流和電動(dòng)力增大，所以排水速率先增大，之后隨著水分加速排出含水率下降以及陽(yáng)離子向陰極匯集，電流帶動(dòng)水分遷移能力減弱故排水速率減小并趨于不變；試驗(yàn)E 注入1.5%漿液量后排水速率先增大再減小之后趨于不變，且在通電28 h 后其每小時(shí)排水量連續(xù)小于總排水量的1.5%，再通電已不經(jīng)濟(jì)；試驗(yàn)F在注入2.5%漿液量后排水速率先急劇增大之后急劇減小至趨于0。這是由于漿液注入過(guò)多在滲透作用和電動(dòng)力作用下迅速?gòu)年帢O排出，且將土體中帶電陽(yáng)離子一并帶出，故在后期雖含水率很高，電流較大，但缺少陽(yáng)離子的帶動(dòng)作用，水分難以遷出，排水速率急劇降低，且在通電11 h后其每小時(shí)排水量連續(xù)小于總排水量的1.5%，再通電已不經(jīng)濟(jì)。

圖5 第2階段各漿液注入量下排水速率

根據(jù)圖5可計(jì)算出在實(shí)際通電50 h后試驗(yàn)D，E，F(xiàn)排水總量分別為 924.5，821.4，702.1 mL，其中試驗(yàn)D，E，F(xiàn)注入漿液后帶入的水量分別為120，360，600 mL。將排水總量減去注入漿液帶入的水后，試驗(yàn)D 從土中排出的水最多，處理效果最好。

2.2.2 漿液注入量對(duì)土體強(qiáng)度的影響

通電開(kāi)始前，采用微型十字板剪切儀對(duì)試驗(yàn)D，E，F(xiàn) 土樣表面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，可得初始土樣表面抗剪強(qiáng)度均較接近0.75 kPa，實(shí)際通電結(jié)束后對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行最終抗剪強(qiáng)度測(cè)定，并對(duì)同一區(qū)域測(cè)點(diǎn)取平均值，結(jié)果見(jiàn)表4?？芍囼?yàn)D，E 土樣抗剪強(qiáng)度均為陽(yáng)極區(qū)域改善最明顯，中部區(qū)域次之，陰極區(qū)域最差。這是由于水分向陰極遷排，陰極為富水區(qū)域，故土體表面抗剪強(qiáng)度較小，同時(shí)陽(yáng)極管的電化學(xué)腐蝕進(jìn)一步膠結(jié)附近土體，故陽(yáng)極區(qū)域土體表面抗剪強(qiáng)度較大。試驗(yàn)F 由于注入漿液量過(guò)大，土體中反而帶入漿液中水分，土體含水率較高，雖有氯化鈣溶液膠結(jié)固化，但土體表面各處抗剪強(qiáng)度均提高不大。表4 中試驗(yàn)D 土體各處表面抗剪強(qiáng)度改善最明顯，土樣承載力提高最多。

表4 不同漿液量下土樣表面抗剪強(qiáng)度 kPa

2.2.3 漿液注入量對(duì)耗能的影響

試驗(yàn)D，E，F(xiàn) 電流隨實(shí)際通電時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6?？芍咴谧⑷霛{液后電流均上升，試驗(yàn)D 在漿液注入后電流小幅上升，后呈現(xiàn)不變的趨勢(shì)，說(shuō)明間歇通電使水分不斷重新分布和排水速率較小導(dǎo)致含水率變化不大從而使電流變化不明顯；試驗(yàn)E 在漿液注入后電流增幅較大，且在漿液注入完畢后呈急劇下降的態(tài)勢(shì)，這是由于漿液注入相對(duì)較多，電流幅值高，之后排水速率較大水分迅速?gòu)年帢O流出導(dǎo)致電流急劇下降；試驗(yàn)F在漿液注入后電流增幅巨大，且在漿液注入完畢后呈急劇下降的趨勢(shì)，這是由于漿液注入過(guò)多，土體水分急劇增大導(dǎo)致電流增幅較大，之后由于土體過(guò)飽和導(dǎo)致部分漿液在注入后直接從陰極流出以及電流較大使水分迅速?gòu)年帢O排出從而使電流急劇下降，后期因排水緩慢故電流也呈緩慢下降趨勢(shì)。

圖6 第2階段電流隨實(shí)際通電時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)

根據(jù)能耗公式并按照交流轉(zhuǎn)直流85%的效率計(jì)算，試驗(yàn) D 的耗電量為 0.286 kW·h，試驗(yàn) E 的為0.768 kW·h，試驗(yàn)F 的為0.875 kW·h。后二者均要比試驗(yàn)D的耗能要多。

2.3 土體沉降分析

為分析在最佳通電方式與漿液注入量下的土體沉降特性，在圖2中a，b，c處安裝百分表對(duì)土體沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)D 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7?？芍鳒y(cè)點(diǎn)土體沉降隨試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)逐步增大，其中土樣中心（b 處）在通電初期還有微小膨脹，原因在于電解作用使得陽(yáng)極鐵電極發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生大量的氫氧化亞鐵膠體。該膠體在陽(yáng)極處膨脹并氧化，擠密土體。

圖7 土體沉降隨試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)

因此陽(yáng)極管可看作一根化學(xué)樁體，在通電過(guò)程中不斷膠結(jié)固化周圍土體，但隨著陽(yáng)極腐蝕，電極管質(zhì)量減輕影響其重復(fù)利用，同時(shí)陽(yáng)極管與土體接觸的界面電阻增大，造成一定程度的電能損耗，增加處理成本。

在試驗(yàn)結(jié)束后，a，b，c 處土體沉降分別為2.63，2.44，2.55 mm，平均值為2.54 mm。8 cm 厚土體在電化學(xué)加固后平均固結(jié)沉降在2.54 mm 左右，此數(shù)值可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

3 結(jié)論

1）綜合試驗(yàn)土樣加固效果，采用間歇通電方式要優(yōu)于連續(xù)通電和電極反轉(zhuǎn)。

2）加入的氯化鈣漿液質(zhì)量百分?jǐn)?shù)宜為26%，且當(dāng)其漿液注入量占比試驗(yàn)土體體積的0.5%左右時(shí)，試驗(yàn)土樣加固效果最佳。

3）當(dāng)試驗(yàn)采用間歇通電，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%的氯化鈣漿液注入量占試驗(yàn)土樣體積的0.5%時(shí)，8 cm 厚的土體處理后平均沉降為2.54 mm。

4）隨著試驗(yàn)進(jìn)行，陽(yáng)極管發(fā)生電腐蝕，腐蝕產(chǎn)生的膠體會(huì)進(jìn)一步固結(jié)土體，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電能損耗，增加處理成本。