電勢梯度對電化學加固軟土影響的試驗研究

劉義華，才東祎

(1.贛州建工集團有限公司，江西 贛州 341000; 2.贛州城市開發投資控股有限責任公司，江西 贛州 341000)

1 概述

在我國的東南沿海地區，廣泛分布著軟黏土層，這些軟黏土存在含水量高、強度低、壓縮性高、透水性差等特性，不能滿足工程需求，需要對其進行加固處理。傳統的軟土地基加固方法如真空預壓法、堆載預壓法等，常因為軟土中的細顆粒較多而產生排水體淤堵，往往達不到預期的加固效果，因此需要更高效的軟土地基加固方法。

電滲法最早由俄國學者Reuss提出[1]，主要是通過在土體兩端通直流電，利用直流電場的作用將土體中的水從陽極運移到陰極最終排出的方法。通過研究發現，電滲排水主要依賴于土體的電滲滲透系數，與土體本身的水力滲透系數無關，因此在處理低滲透性的軟土時具有更明顯的優勢。電滲法最早由Casagrande應用于實際工程[2]，此后對于電滲法的相關研究也越來越多。

通過以上研究可以看出，在電滲過程中注入化學溶液的電化學加固方法相比傳統電滲法效果更好，但目前研究主要集中于試劑種類、濃度、注入位置等方面，對不同電勢的梯度情況下的電化學加固效果研究較少。本文主要針對電勢梯度的電化學加固效果影響，通過電流、排水量以及加固后的含水率與抗剪強度分布分析電勢梯度的影響，以期對電化學加固的工程應用有所裨益。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

試驗土樣取自溫州一圍墾工程，其基本物理性質如表1所示，試驗選用CaCl2作為注漿溶液。

表1 土體的基本物理參數

2.2 試驗裝置

試驗裝置如圖1(a)所示，模型箱采用有機玻璃制成，內部土樣槽尺寸為200 mm×100 mm×100 mm，在土樣槽兩端分別設置了尺寸為30 mm×100 mm×100 mm的排水槽，并在排水槽底部設置了半徑為5 mm的排水口。電極板采用尺寸為100 mm×100 mm×2 mm的鐵電極板，并在陰極板上均勻分布直徑為5 mm的小孔。陽極位置插入一根直徑為10 mm的PPR管，試驗時通過PPR管向土體注入CaCl2溶液。試驗過程后土體的含水率與抗剪強度測點如圖1(b)所示。

2.3 試驗方案

試驗采用穩壓輸出，本文中選取0.5 V/cm，0.75 V/cm，1 V/cm，1.5 V/cm作為土體電勢梯度，根據施加在土體上的電勢梯度不同共分為T1～T4共4組，如表2所示。試驗開始后，通過注漿管向各組土體中注入25 mL物質的量濃度為0.5 mol/L的CaCl2溶液，當各組排水速率均小于5 mL/h時視為排水結束停止試驗。試驗前12 h每1 h記錄一次電流、排水量，12 h后每2 h記錄一次，試驗結束后對土體不同位置的含水率與十字板剪切強度進行檢測，并將電極板洗凈晾干稱取質量，通過對比分析電勢梯度變化對電化學加固軟土的影響。

表2 試驗方案

3 試驗結果與分析

3.1 排水量

通過對試驗過程中的排水量監測得出不同電勢梯度下的排水量曲線，由圖2可以看出，電滲排水量與電勢梯度大小成正比，T2，T3，T4的總排水量相比T1分別增長了13%，28%，40%，說明電勢梯度的增長可以增加電化學加固的排水量。此外，T1～T4組12 h時的排水量分別占總排水量的61.9%，68.1%，76.3%，84.7%，表明電勢梯度的提高使電滲前期的排水速率大幅增加，但后期排水速率迅速衰減，導致后期排水速率較低。主要是由于化學溶液加入后，提高電勢梯度使土中化學反應更為劇烈，陽極迅速腐蝕，土體與電極板之間的界面電阻增大導致排水速率降低。

3.2 電流

電滲過程中的土體電流隨時間的變化曲線如圖3所示。根據圖3可以看出，各組電流均呈現先增大后減小的趨勢，電勢梯度增加使初始電流顯著提高，4 h時各組電流均達到最大值，試驗結束時各組電流基本相同。其中，T2～T4組的電流衰減速度較大。結合圖2可以看出，排水速率與電流大小呈正相關，主要是由于水的排出，土的含水量與陽離子含量下降導致土體導電性降低，當電勢梯度較大時，電滲前期的離子運移量顯著增加，使得排出土體的陽離子增加導致電流與排水速率的迅速降低；此外，隨著電滲的進行，各組試驗均存在不同程度的陽極板與土體脫離的情況，且電勢梯度越大，陽極與土體脫離的幅度越大，主要是由于陽極附近土體中的水在前期快速向陰極附近移動，導致陽極附近土體產生體縮，減小了陽極與土體之間的接觸面積，使陽極與土體之間的界面電阻也隨之增加，作用于土體的有效電勢降低，且電勢梯度的提升使土體中的電解反應更加劇烈，有效電勢降低幅度更大，因此初始電勢梯度越大，土體初始電流越大，但相應的電流衰減速度也越大。

3.3 含水率

試驗結束后，根據圖1(b)所示的測點位置分別在土體表層、中部、底部3個位置取土進行含水率測定并求平均值，得到不同電勢梯度下的含水率分布曲線如圖4所示。通過曲線可知，土體含水率隨著與陰極距離的增大而減小。提高電勢梯度后，土體的排水效果除陰極外均得到明顯改善，陽極附近的含水率(質量分數)分別降低了34%，38%，46%，48%，此外，由于化學試劑的作用，使得土樣中部靠近陰極區域的連續性得到增強，含水率分布也更為均勻，差異較小。陰極區域含水率較大的主要原因是由于電勢梯度的提升導致排水速率大幅增長，大量的水在試驗前期運移到陰極區域無法快速排出，在陰極附近形成積水，導致陰極附近土體含水率較大。此外，電勢梯度的提升使得土樣陰極區域與陽極區域的含水率差異進一步增大，說明提高電勢梯度可以有效提高排水效率，但土體含水率分布不均勻的情況也更明顯。

3.4 十字板剪切強度

試驗結束后根據圖1(b)中所示的測點位置對土體進行十字板剪切強度測定，得到不同電勢梯度下的土體十字板剪切強度分布曲線如圖5所示。對比圖4中的含水率分布曲線可以看出，不同電勢梯度下的土體抗剪強度分布與含水率分布較為相似，陰極附近的強度較差，陽極與中部區域的加固效果明顯，表明電化學加固土體作用主要來源于土中水排出，使土體的強度得到一定程度的提升；對比各組試驗發現，T2～T4組陽極區域的剪切強度相比T1分別增長了19.4%，41.7%，52.8%，陰極區域的強度提升不明顯，說明在電化學加固過程中提高電勢梯度可以增加陽極附近區域的加固效果，但對陰極區域的加固效果作用較小。

此外，通過曲線可以看出，陰極板附近到土體中部區域的強度增長較大，主要原因是在電流的作用下，土體中發生一系列化學反應，其中包括水在電極附近發生電解反應生成OH-，具體反應如式(1)，式(2)所示：

2H2O-4e-=O2↑+4H+

(1)

2H2O+2e-=H2↑+2OH-

(2)

除了水的電解反應外，電滲過程中還有陽極的電解反應發生，具體反應如式(3)所示：

Fe-2e-=Fe2+

(3)

隨著電滲過程的進行，陽極附近發生的電解反應將生成較多的H+使陽極附近土體pH值下降，產生酸性環境區域，電極在酸性環境下的電解反應更加劇烈，腐蝕速度更快，因此在高電勢梯度下土體電流反應更大、更劇烈，電極腐蝕速度更快，導致高電勢梯度下電流衰減速度與排水速率衰減速度相比低電勢梯度下更大。陰極附近由于產生了OH-使陰極附近土體為堿性環境，陽極電解產生的Fe2+與注漿溶液中的Ca2+在電場的作用下向陰極附近移動，并與水電解產生的OH-在陰極附近的堿性環境下反應，具體反應如式(4),式(5)所示：

Ca2++OH-=Ca(OH)2↓

(4)

Fe2++OH-=Fe(OH)2↓

(5)

反應生成的Ca(OH)2與Fe(OH)2微溶于水，并可以使土壤膠結增強土體強度，因此高電勢梯度下的陰極區域強度相比低電勢梯度有一定程度的提升。

4 結語

本文采用溫州軟土對4個電勢梯度下的電化學加固效果進行了對比試驗研究，從排水量、電流、含水率分布、抗剪強度分布4個方面進行了對比分析，得到以下結論：

1)增大電化學加固過程的電勢梯度可以有效增大加固過程中的電流，增強排水效果與加固效果，但電勢梯度增長到一定水平時對土體加固效果提升較小。

2)電勢梯度的提升引起土體電滲過程中發生的一系列反應更加劇烈，導致高電勢梯度下的土體排水速率與電流下降速度過快，使電滲中后期能耗增大。

3)由于高電勢梯度帶來的高能耗，實際工程中需要根據工期與成本選擇合適的電勢梯度與斷電時間。