軟土電動化學注漿加固技術室內試驗研究

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(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

電動法加固軟土地基是在土體中通以直流電，在電場作用下使土體排水固結，以提高土體強度的一種地基處理方法。電動法包括電滲法和電動化學注漿法。電滲法主要是以電滲排水固結為主；電動化學注漿法是在土體中注入化學漿液，對土體進行改性，從而提高土體強度和耐久性的一種加固方法。電動化學加固的主要原理是在電極附近注入漿液，漿液中的陽離子會隨著電場從陽極向陰極移動，在土中發生一系列的化學反應生成膠體，從而膠結了土體。由于外加電場的作用，電動化學注漿方式往往能夠達到定向注漿的效果，具有能夠排出土壤中多余的水分、節約漿液材料、加固效果均勻等特點。但目前電動化學注漿加固法作為一種極具潛力的地基、路基處理方法其研究略顯不足。

土中的電滲現象發現于1809年，Reuss通過向土體施加直流電，發現土中的孔隙水在電場作用下發生移動[1]；1939年，Casagrand[2]首次將電滲法應用到實際工程，他利用電滲處理某邊坡挖方工程；Gassen等[3]在凍結土壤中開展了電滲試驗；1973年，Lewis等[4]在已有研究的基礎上，給出電滲固結方程的解析解。1993年，Trushinskii[5]通過電滲化學加固分別對砂土與軟黏土進行試驗，結果表明砂土地區的加固效果差于軟黏土，強度提高幅度較低。2004年，Alshawabkeh等[6]對土體的物理、化學、力學指標等進行非線性分析，發現在直流電場作用下，注入離子后土體的不排水抗剪強度因土顆粒膠結而增大，且伴隨土體的固結、隆起現象。2017年，Tang等[7]對大連海相土進行一系列電滲試驗，評價了處理后土壤試樣的含水率、抗剪強度等指標。

近年來，電動加固法與注漿的聯合使用，使電動加固法的應用更具工程利用價值，不僅在短時間內能夠提高土體強度，而且加固后的土體承載力分布相對比較均勻[8]。簡紹綺[9]研究了電滲化學加固在地基處理方面的應用并討論了注入鹽溶液對電滲加固的影響。王寧偉等[10]通過自制電動注漿加固設備研究不同化學溶液對軟土的改性加固效果。本文針對濱綏鐵路地基中的軟黏土，開展電動化學加固室內試驗，對其效果和機理做進一步的研究。

1 電動化學注漿試驗原理

在電滲過程中，土中的滲流包括電滲流和水力滲流。電滲流是由于電場力引起水的流動，而水力滲流則是由于水壓力差引起的。相關試驗證明，一種類型的滲流均能引起另一種類型的滲流，因此電滲過程是電滲流和水力滲流耦合作用的結果。Esrig等[11]根據電滲引起的電位差以及由土中水頭壓力差所引起流動可以疊加這一假定，推導出了單向度排水電滲流量qh公式為

式中：kh為水力滲透系數；γw為水的重度；u為孔隙水壓力；x為沿滲透方向的距離；ke為電滲透系數；V為電位差。

電滲透系數和水力滲透系數影響著電滲排水以及注漿漿液流動過程。最早推導出電滲透系數的是Helmholtz-Smoluchowski理論，該理論通過多毛細孔模型證明了電滲透系數與土體的毛細管直徑無關，僅僅與電滲過程中電位的大小以及孔隙率的大小有關。

電動化學注漿加固土體主要有2方面作用：

圖1 離子遷移與鹽的沉淀

圖2 土顆粒膠結硬化過程原理示意

2 試驗方案及方法

選取濱綏鐵路凍脹嚴重的典型地段土樣作為試驗用土，進行電動化學注漿試驗。通過注入不同化學漿液，觀察試驗后的結果和現象，分析電動化學注漿對該土樣加固效果的影響。通過查明電流通電時間以及能耗量，確定電化學加固后承載力以及抗剪強度與含水率之間的變化關系。試驗后通過排水量、電流、含水率以及土體承載力和土體抗剪強度之間的對比分析結果確定對土體的加固效果，解決病害問題。

2.1 試驗土樣

試驗土樣(如圖3所示)共分3層，其中上層土為埋深0～0.4 m的粉質黏土，灰褐色，顆粒較小，土中有碎石塊，初始含水率為15.4%；中層土為埋深0.4～1.0 m 的渣土，呈灰黑色，顆粒較大，初始含水率為17.4%；下層土為埋深1.0～1.5 m的黏土，呈黑色，顆粒中等，初始含水率為18.3%。

圖3 不同埋深的試驗土樣

2.2 試驗裝置

試驗裝置由試驗主體裝置、穩壓直流電源、測量儀器等構成。本次多電極電滲和電動化學注漿試驗的試驗裝置如圖4所示。

圖4 試驗裝置立面示意

室內試驗采用定制穩壓直流電源，輸出電壓為0～100 V，輸出電流為0～20 A。能夠顯示電壓及瞬時電流數值，確保長時間連續通電和穩壓輸出，與此同時具有漏電保護功能。

量測儀器采用電流表、量筒、烘干箱以及微型貫入儀。1,2 A量程的電流表各3個，根據不同的試驗組別選取不同量程的電流表，串聯于電路中用以記錄試驗過程中瞬時電流的大小。50 mL量筒共10個，用以收集和測量每30 min電滲過程中陰極的排水量，在電動化學注漿試驗中還用以量取相應漿液注入注漿管。烘干箱選用CJ-73型紅外線快速干燥箱，用以烘干電滲后選取的試驗土樣以便計算含水率；貫入儀選用PS-MPT-A型的微型貫入儀，測量試驗后土體表面的承載力，用以評判電滲或電動化學注漿試驗對軟土的加固效果。

2.3 試驗步驟

按照SL 237—1999《土工試驗規程》基本要求，進行電動化學注漿試驗。試驗步驟如下：

1)將原狀土剔除砂石后進行烘干、篩分、磨細、加適量水調勻，配制成目標含水率的軟土，靜置48 h后清除表面積水。

2)制備砂槽。砂槽內采用中砂，用清水過濾掉灰塵、泥塊等雜質，并將潤濕后的中砂分層裝填于砂槽中，邊裝填邊用攪拌棒擠壓密實。裝填完畢后，在砂槽邊緣放一層紗布用以隔絕試驗土樣。

3)將塑料箱表面潤濕，試驗土樣分層均勻放置于試驗箱中，確保其含水率均勻。

4)在排水孔處放置量筒，用以測量和記錄電滲過程中所排出的水量。

5)將上述裝置靜置24 h，直至量筒中不再出現因重力作用從砂槽中滴落的水。

6)連接電路，設置電源電壓。開始通電后，每隔30 min 測量1次電流和排水量；電動化學注漿試驗按照試驗要求每隔固定時間用量筒量取相應的漿液并注入相應的注漿管。

7)當每30 min的排水量為0時，試驗結束，斷開電源。

8)用微型貫入儀在電滲后的土體表面每隔2 cm處選取檢測點進行承載力的測量和記錄，注漿試驗在一定的齡期后進行承載力的測量和記錄。

9)按照試驗要求取土樣，采用烘干法測量含水率。稱腐蝕后的陽極重量，計算電極腐蝕重量。

10)清理試驗裝置，分析數據。

3 試驗結果分析

試驗向上層和下層土體中分別注入濃度為30%的CaCl2溶液，電勢差為30 V，采用微型觸探儀測試電滲后巖土樣的承載力。試驗后對得出的試驗數據進行分析，總結試驗中各參數隨時間的變化規律，通過計算得出能耗、排水量等參數的變化情況。

通電直至排水量不再增加時，即從試驗的第6 h開始，每隔1 h注入10 mL濃度為30%的CaCl2溶液的方法來進行注漿；上層黏土、中層渣土、下層黏土的試驗初始含水率分別為49%，26%，37%。由于在試驗過程中，中層渣土采用另一種方式進行隔水處理，故在以下試驗結果的分析中，未對其進行討論。

圖5 上下層黏土電流變化曲線

上下層黏土電流變化曲線見圖5。可知，上層黏土試驗的電流不大，在通電的前6 h(即注入CaCl2溶液前)，電流在0.06 A上下波動；注入CaCl2溶液后，電流逐漸增大，直至第12 h達到峰值，之后又迅速減小恢復初始電流。下層黏土在注入CaCl2溶液前，試驗電流始終為0.06 A；注入CaCl2溶液后，電流迅速增大為原來的2倍，隨著通電時間的增加，電流逐漸下降，直至試驗結束。

上下層黏土的試驗總排水量變化曲線見圖6。可知，試驗的排水量變化曲線大致走向與文獻[10]的試驗結果基本一致。在通電開始之后的一段時間內，排水量呈線性增加，加入CaCl2溶液之后排水量增加得更快，進入大量排水過程，直至試驗結束。

圖6 上下層黏土排水量變化曲線

上下層黏土能耗變化曲線見圖7。可知，試驗的能耗變化量基本隨時間呈線性增加的趨勢。

圖7 上下層黏土能耗變化曲線

試驗土樣的初始承載力約為40 kPa。土體的表層強度定義為表層各測試點的強度平均值。試驗后用微型觸探儀對加固后的表層土體承載力進行分析。根據試驗中電極的分布情況，將加固區域按陰陽極距離三等分，從陽極至L/3區域的土體定義為陽極區域，中間區域為L/3～2L/3，其余部分定義為陰極區域，L為陰、陽電極之間距離。試驗后土體上層黏土不同齡期的承載力見表1。

表1 電動化學注漿加固后不同區域平均承載力 kPa

由表1可知，上層黏土3個區域的承載力隨著齡期的增加都有明顯提高，但在5 d齡期之后，土體的承載力幾乎不再發生變化。陽極區域承載力提高主要由離子交換及土體含水率的降低引起，而陰極區域的承載力提高主要由鈣離子沉淀及土壤膠結導致。

4 結論

1)上下層黏土的排水量不僅受土體含水率和電流的影響，還與土體的膠結程度有關。隨著土體的膠結范圍不斷擴大，電流不斷減小，排水速率不斷降低。

2)CaCl2溶液中的Ca2+在電勢梯度的作用下發生膠化作用，加固了陰極區域的土體。

3)根據電流的發展趨勢，宜在電流衰減到L/3時結束試驗或增加溶液，避免浪費。

4)電動化學注漿能夠以較小的能耗有效地提升土體的承載力，并且隨著齡期的增長，承載力不斷提高。