劉義華，才東祎

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

1 概述

在我國(guó)的東南沿海地區(qū)，廣泛分布著軟黏土層，這些軟黏土存在含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性高、透水性差等特性，不能滿足工程需求，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。傳統(tǒng)的軟土地基加固方法如真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法等，常因?yàn)檐浲林械募?xì)顆粒較多而產(chǎn)生排水體淤堵，往往達(dá)不到預(yù)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(guó)學(xué)者Reuss提出[1]，主要是通過(guò)在土體兩端通直流電，利用直流電場(chǎng)的作用將土體中的水從陽(yáng)極運(yùn)移到陰極最終排出的方法。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，電滲排水主要依賴于土體的電滲滲透系數(shù)，與土體本身的水力滲透系數(shù)無(wú)關(guān)，因此在處理低滲透性的軟土?xí)r具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。電滲法最早由Casagrande應(yīng)用于實(shí)際工程[2]，此后對(duì)于電滲法的相關(guān)研究也越來(lái)越多。

通過(guò)以上研究可以看出，在電滲過(guò)程中注入化學(xué)溶液的電化學(xué)加固方法相比傳統(tǒng)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(duì)不同電勢(shì)的梯度情況下的電化學(xué)加固效果研究較少。本文主要針對(duì)電勢(shì)梯度的電化學(xué)加固效果影響，通過(guò)電流、排水量以及加固后的含水率與抗剪強(qiáng)度分布分析電勢(shì)梯度的影響，以期對(duì)電化學(xué)加固的工程應(yīng)用有所裨益。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

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

表1 土體的基本物理參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1(a)所示，模型箱采用有機(jī)玻璃制成，內(nèi)部土樣槽尺寸為200 mm×100 mm×100 mm，在土樣槽兩端分別設(shè)置了尺寸為30 mm×100 mm×100 mm的排水槽，并在排水槽底部設(shè)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(yáng)極位置插入一根直徑為10 mm的PPR管，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)PPR管向土體注入CaCl2溶液。試驗(yàn)過(guò)程后土體的含水率與抗剪強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)如圖1(b)所示。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用穩(wěn)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(shì)梯度，根據(jù)施加在土體上的電勢(shì)梯度不同共分為T1～T4共4組，如表2所示。試驗(yàn)開始后，通過(guò)注漿管向各組土體中注入25 mL物質(zhì)的量濃度為0.5 mol/L的CaCl2溶液，當(dāng)各組排水速率均小于5 mL/h時(shí)視為排水結(jié)束停止試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)束后對(duì)土體不同位置的含水率與十字板剪切強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，并將電極板洗凈晾干稱取質(zhì)量，通過(guò)對(duì)比分析電勢(shì)梯度變化對(duì)電化學(xué)加固軟土的影響。

表2 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 排水量

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的排水量監(jiān)測(cè)得出不同電勢(shì)梯度下的排水量曲線，由圖2可以看出，電滲排水量與電勢(shì)梯度大小成正比，T2，T3，T4的總排水量相比T1分別增長(zhǎng)了13%，28%，40%，說(shuō)明電勢(shì)梯度的增長(zhǎng)可以增加電化學(xué)加固的排水量。此外，T1～T4組12 h時(shí)的排水量分別占總排水量的61.9%，68.1%，76.3%，84.7%，表明電勢(shì)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(dǎo)致后期排水速率較低。主要是由于化學(xué)溶液加入后，提高電勢(shì)梯度使土中化學(xué)反應(yīng)更為劇烈，陽(yáng)極迅速腐蝕，土體與電極板之間的界面電阻增大導(dǎo)致排水速率降低。

3.2 電流

電滲過(guò)程中的土體電流隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。根據(jù)圖3可以看出，各組電流均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，電勢(shì)梯度增加使初始電流顯著提高，4 h時(shí)各組電流均達(dá)到最大值，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組電流基本相同。其中，T2～T4組的電流衰減速度較大。結(jié)合圖2可以看出，排水速率與電流大小呈正相關(guān)，主要是由于水的排出，土的含水量與陽(yáng)離子含量下降導(dǎo)致土體導(dǎo)電性降低，當(dāng)電勢(shì)梯度較大時(shí)，電滲前期的離子運(yùn)移量顯著增加，使得排出土體的陽(yáng)離子增加導(dǎo)致電流與排水速率的迅速降低；此外，隨著電滲的進(jìn)行，各組試驗(yàn)均存在不同程度的陽(yáng)極板與土體脫離的情況，且電勢(shì)梯度越大，陽(yáng)極與土體脫離的幅度越大，主要是由于陽(yáng)極附近土體中的水在前期快速向陰極附近移動(dòng)，導(dǎo)致陽(yáng)極附近土體產(chǎn)生體縮，減小了陽(yáng)極與土體之間的接觸面積，使陽(yáng)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(shì)降低，且電勢(shì)梯度的提升使土體中的電解反應(yīng)更加劇烈，有效電勢(shì)降低幅度更大，因此初始電勢(shì)梯度越大，土體初始電流越大，但相應(yīng)的電流衰減速度也越大。

3.3 含水率

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)圖1(b)所示的測(cè)點(diǎn)位置分別在土體表層、中部、底部3個(gè)位置取土進(jìn)行含水率測(cè)定并求平均值，得到不同電勢(shì)梯度下的含水率分布曲線如圖4所示。通過(guò)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(shì)梯度后，土體的排水效果除陰極外均得到明顯改善，陽(yáng)極附近的含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別降低了34%，38%，46%，48%，此外，由于化學(xué)試劑的作用，使得土樣中部靠近陰極區(qū)域的連續(xù)性得到增強(qiáng)，含水率分布也更為均勻，差異較小。陰極區(qū)域含水率較大的主要原因是由于電勢(shì)梯度的提升導(dǎo)致排水速率大幅增長(zhǎng)，大量的水在試驗(yàn)前期運(yùn)移到陰極區(qū)域無(wú)法快速排出，在陰極附近形成積水，導(dǎo)致陰極附近土體含水率較大。此外，電勢(shì)梯度的提升使得土樣陰極區(qū)域與陽(yáng)極區(qū)域的含水率差異進(jìn)一步增大，說(shuō)明提高電勢(shì)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(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)圖1(b)中所示的測(cè)點(diǎn)位置對(duì)土體進(jìn)行十字板剪切強(qiáng)度測(cè)定，得到不同電勢(shì)梯度下的土體十字板剪切強(qiáng)度分布曲線如圖5所示。對(duì)比圖4中的含水率分布曲線可以看出，不同電勢(shì)梯度下的土體抗剪強(qiáng)度分布與含水率分布較為相似，陰極附近的強(qiáng)度較差，陽(yáng)極與中部區(qū)域的加固效果明顯，表明電化學(xué)加固土體作用主要來(lái)源于土中水排出，使土體的強(qiáng)度得到一定程度的提升；對(duì)比各組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，T2～T4組陽(yáng)極區(qū)域的剪切強(qiáng)度相比T1分別增長(zhǎng)了19.4%，41.7%，52.8%，陰極區(qū)域的強(qiáng)度提升不明顯，說(shuō)明在電化學(xué)加固過(guò)程中提高電勢(shì)梯度可以增加陽(yáng)極附近區(qū)域的加固效果，但對(duì)陰極區(qū)域的加固效果作用較小。

此外，通過(guò)曲線可以看出，陰極板附近到土體中部區(qū)域的強(qiáng)度增長(zhǎng)較大，主要原因是在電流的作用下，土體中發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，其中包括水在電極附近發(fā)生電解反應(yīng)生成OH-，具體反應(yīng)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(yīng)外，電滲過(guò)程中還有陽(yáng)極的電解反應(yīng)發(fā)生，具體反應(yīng)如式(3)所示：

Fe-2e-=Fe2+

(3)

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

Ca2++OH-=Ca(OH)2↓

(4)

Fe2++OH-=Fe(OH)2↓

(5)

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

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用溫州軟土對(duì)4個(gè)電勢(shì)梯度下的電化學(xué)加固效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，從排水量、電流、含水率分布、抗剪強(qiáng)度分布4個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1)增大電化學(xué)加固過(guò)程的電勢(shì)梯度可以有效增大加固過(guò)程中的電流，增強(qiáng)排水效果與加固效果，但電勢(shì)梯度增長(zhǎng)到一定水平時(shí)對(duì)土體加固效果提升較小。

2)電勢(shì)梯度的提升引起土體電滲過(guò)程中發(fā)生的一系列反應(yīng)更加劇烈，導(dǎo)致高電勢(shì)梯度下的土體排水速率與電流下降速度過(guò)快，使電滲中后期能耗增大。

3)由于高電勢(shì)梯度帶來(lái)的高能耗，實(shí)際工程中需要根據(jù)工期與成本選擇合適的電勢(shì)梯度與斷電時(shí)間。