电化学注浆加固软土效果的试验研究

王宁伟，刘 铁，于 辉，高井超

(沈阳建筑大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

电化学注浆加固软土效果的试验研究

王宁伟，刘 铁，于 辉，高井超

(沈阳建筑大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

利用自制的试验装置做了四组软土电化学试验，通过加入四种等量的不同溶液(水玻璃溶液、氯化钙溶液、水及氯化钙联合水玻璃溶液)来探讨不同化学溶液对软土电化学改性固结的影响。通过对试验过程中的电流、排水量、单位时间排水速率、能耗以及试验后不同龄期加固强度的分析，得出以下结论：电化学双液注浆能够用较小能耗有效地提升土体的强度，并且随着龄期的增长，承载力不断提升；水玻璃对阳极区域土体加固效果较好，而氯化钙对于阴极区域加固效果较好；电化学单位时间排水速率和排水量不光与电流和土体含水率有关，还与土体的胶结程度有关。

电化学；能耗；单位时间排水速率；承载力；胶结

电化学注浆是一种新型的注浆方式，将两根金属电极插入土中，用导线与直流电源相连，施加一个外加电场，在电场的作用下，水分子会从阳极向阴极移动，这个过程称之为电渗。注入浆液，浆液中的阳离子会随着电场从阳极向阴极移动，在土中发生一系列的化学反应，生成胶体，从而胶结了土体。由于外加电场的作用，电化学注浆方式往往能够达到定向注浆的效果，具有能够排出土壤中多余的水分、节约浆液材料、加固效果均匀等特点。然而现阶段国内对于电化学的研究不足，因此，有必要对于电化学注浆加固软土的作用和机理进一步研究。

关于电化学的研究，早在1948年，美国学者Preece E F等[1]发表了相关成果。1968年，Esring M[2]初步探讨了电化学加固的反应机理。1953年，日本、印度、印度尼西亚等国家也发表了相应电化学研究成果[3-5]。前苏联学者M. Yu. Trushinskii也对电化学做出大量研究[6]。随着我国岩土工程的发展，相关国内学者也对电化学进行了研究。Wang N S等[7]和曾国熙院士等[8]最早对软土的电化学加固进行了研究。王宁伟等[9]将电化学注浆与电渗的效果进行了对比。韩舰辉等[10]、张雷等[11]、王宁伟等[12]研究了不同氯化钙浓度对于软土加固效果的影响。王宁伟等[13]进行了电化学的现场试验。然而上述对于电化学的研究仅仅限于单一浆液的注入，从而往往使得电化学注浆之后的土体强度分布不均，呈现阴极大于阳极的状态。本文通过对营口地区某基坑内的原状软黏土进行室内的电化学试验，证明了氯化钙联合水玻璃双液注浆对于软土加固效果的有效性，通过对试验现象，各个试验参数以及试验后土体的承载力的分析，有助于加深理解电化学加固土体的原理和基本规律。

1 试验原理

在电化学过程中，土中会发生一系列复杂的物理化学反应，包括电渗、电泳、电解、离子沉淀、离子交换、化学胶结等。土壤中的水经过电渗作用从阴极排出，土体含水率减少，土体固结。电解作用使得阳极铁电极发生腐蚀，产生大量的氢氧化铁胶体，该胶体在阳极处膨胀，挤密土体，从而加固土体。注入氯化钙溶液后，通过离子交换，高价的钙离子置换了低价的钠离子，使水膜厚度变薄，从而增大了土的密实度[12]。氯化钙固化土的作用机理是由于土体中注入高价阳离子(Ca2+)盐溶液后，软黏土矿物在电解产生的碱性或酸性环境下，钙离子、硅酸盐及铝酸盐发生反应生成水化硅酸钙CSH和水化铝酸钙CAH两种胶体，固结了黏土颗粒，改变了土的结构性，从而提高了土体强度。水玻璃固化土的作用机理是水玻璃遇到黏土中的高价金属离子或孔隙水便生成硅酸钙或硅胶颗粒,填塞黏土颗粒间的孔隙，从而提高土体强度。水玻璃与土之间除了生成沉淀填塞之外,还有水玻璃在黏土颗粒间的化学胶结作用[14]。

2 试验材料

试验所用土样为营口地区某基坑内现场采集的原状软黏土，其基本物理指标如表1所示。本次试验采用重塑土样，将原状土进行烘干，研磨等处理，经计算加适量水调匀，按照实验目标含水率配置成均匀含水率的土。待静置48 h后，清除表面积水。经测定，试验土体的初始承载力为20 kPa。

表1 淤泥质粉质黏土的物理力学指标

3 试验方案及方法

如表2所示为本次试验方案。本次试验共分为四组。试验A、试验B、试验C为电化学单液注浆，试验D为电化学双液注浆。

表2 电化学注浆试验方案

如图1所示，为自行设置的电化学试验装置。其中包括：土体试验箱、电极、注浆管、电流表、稳压直流电源、量筒。

图1试验装置示意图

土体试验箱的尺寸为：长×宽×高=28 cm×21 cm×16 cm。土样高度为12 cm。阴极和阳极均采用长20 cm，直径5 mm的光圆不锈钢钢筋。分别垂直放置在距离宽边4 cm的中心位置处。阴极底部开有一个直径1 cm的小孔作为电渗过程中的排水口，并将量筒放在排水口下方用以收集实验过程中排出的水分。注浆管采用直径22 mm，长20 cm，管底封闭，管壁部满5 mm小孔的不锈钢管，为了防止土体进入注浆管，用润湿的土工布将管壁外侧紧紧包裹。为了避免与阳极接触发生腐蚀，将注浆管垂直放置于距离阳极1 cm处。电源采用稳压直流电源，电源的输出电压为0 V～100 V，输出电流为0 A～30 A。

21mm]四组试验在开始通电后每隔0.5 h观察电流表和量筒，用以记录实验过程中的电流和排水量。A组、B组、C组试验在累计通电第3 h开始注浆，每次间隔2 h注浆20 ml；D组试验和前三组试验注浆方式相同，从累计通电11 h开始，将之后的注入浆液由浓度为26%的氯化钙溶液换为浓度为26%的水玻璃溶液。累计通电14 h后间断10 h再次通电8 h，试验结束，总累计通电时间为22 h。

4 试验结果及分析

4.1 电流变化分析

如图2所示为本次试验的电流曲线，出现尖角的位置表明注入浆液。累计通电3 h，四组试验的电流曲线变化规律基本相同，呈先上升后下降趋势。注入浆液后，发现全程注入水玻璃的A组试验，电流全程呈现下降趋势，几乎没有因为浆液的注入而出现较大的电流波动。而B组、C组、D组试验电流均在短时间内上升，并在通电9 h之前一直维持缓慢下降趋势。9 h之后，由于D组试验也开始注入水玻璃，电流也呈现不断下降趋势。而B组试验因为继续注入氯化钙溶液，电流仍旧保持较高趋势。这是因为钙离子的离子交换能力要大于钾离子，能够置换土颗粒表面如钠离子、钾离子等低价离子，使得水化离子半径减小促进水分排出，提高了土体的排水速率和导电性。而水玻璃溶液中也存在因为硅酸钠水解而产生能够降低溶液导电性的硅胶，因此电流比注水的C试验低20%左右。累计通电14 h间断10 h后继续通电，四组试验电流均呈现减小趋势。再次注浆之后，B组试验电流能够维持较高趋势，而D组试验电流却急速下降。累计通电22 h，四组试验电流均已达到初始电流的二分之下以下，且排水口不再有水分排出。因此停止通电。

在现场利用电化学注浆对软土地基进行加固时，由于土体排水条件不易观察测量，因此参考电流的数值和变化规律进行电化学过程的分析。总体而言，当电渗过程中电流达到初始状态电流的二分之一时，认为土体中的浆液在电渗过程中已经充满土体并开始发生胶结硬化，此时通电已不经济，应结束通电。

图2电流曲线

4.2 排水量和排水速率变化分析

如图3、图4所示，为试验的排水量和排水速率曲线。图4中的尖角所对应时刻即为注浆时刻。排水速率曲线随着排水量的增加与四组试验电流变化规律一致，总体呈现下降趋势，与此同时土体含水率减小，表明排水速率与电流和含水率有关[4]。累计通电3 h，四组试验由于浆液的注入，排水速率均呈现上升趋势，达到最大排水速率，之后呈现缓慢下降趋势。但试验A的排水速率并没有因为水玻璃溶液的加入而出现较大峰值，试验D在通电11 h也由于加入了水玻璃而导致排水速率开始急剧减小并逐渐至0的情况。这是因为水玻璃的加入引入了硅胶和硅酸根离子硅胶能够快速固结土体，硅酸根离子能够和土体中的钙离子和氢氧根离子发生胶结硬化，固结土体，阻碍排水通道。

图3累计排水量曲线

试验B、试验D加入氯化钙溶液，均有较高峰值，试验D的峰值大于注水的C试验，说明钙离子的注入的确能够提升土体的排水速率。累计通电6.5 h，试验A、试验B、试验D的排水速率曲线下降幅度逐渐增大，但小于注水的试验C。表明电渗6.5 h，所注浆液与土体已发生胶结硬化，阻碍排水通道，导致排水速率降低。而试验C的土体中发生的胶结硬化程度远远小于其他注浆试验。

图4单位时间排水速率曲线

如图3可得，注水试验C的排水量最多，其次为双液注浆试验D，试验A、试验B的排水量大致相等。根据以上分析可得，说明土体的胶结程度也影响着电渗过程中的排水量和排水速率。

4.3 累计能耗分析

四组试验稳压输出20 V，根据三组试验的电流数据，电化学作用的能耗表达式为[15]：

(1)

式中：U为电源的输出电压，V；It为在t1、t2的时间段内某时刻t的电路电流，A；Ct1和Ct2分别是t1时刻与t2时刻对应的能耗值。

如图5所示为四组试验的累计能耗曲线。累计通电6.5 h，四组试验的能耗相等。6.5 h之后，试验A能耗的上升速率开始减缓，这是由于加入的水玻璃溶液降低了土体中的导电性，电流下降，排水速率下降幅度增大， 阳极区域土体开始发生胶结硬化。因此试验D在11 h加入水玻璃溶液后也开始导致电流下降，并在累计通电14 h，试验D的能耗增长速率开始减小。说明水玻璃溶液在注入3 h左右土体就已开始发生胶结硬化。试验B和试验C由于氯化钙溶液和水的加入，电流保持升高趋势而导致能耗上升。电渗过程停止后，总累计能耗的关系为：试验B>试验C>试验A>试验D。

图5累计能耗曲线

4.4 承载力分析

通电停止后，土体中的电解、电渗排水、离子迁移、离子交换等作用停止，然而离子沉淀、二次矿物结晶等过程随着龄期的增加一直进行，因此对四组试验的不同龄期承载力用袖珍贯入仪进行了测量。定义距离阳极0 cm～5 cm区域为阳极区域，5 cm～15 cm为中间区域，15 cm～20 cm为阴极区域。

图6为四组试验的0 d期龄的表面承载力曲线。由于浆液的注入引入大量水分从而导致阳极区域土体的含水率上升，所以四组试验的阳极区域承载力均低于阴极区域承载力。试验A由于从试验开始于阳极区域注入水玻璃，所以在电渗过程中阳极区域早早发生胶结硬化，导致其阳极区域承载力在四组试验中最高。试验C在整个电渗过程中仅注入不能使土体发生胶结硬化的纯水，因此其排水量最多，阴极区域承载力最高。

图6试验土体0 d龄期承载力

图7为四组试验的3 d期龄承载力曲线。试验A注入了大量能在阳极区域堆积的水玻璃，随着龄期的增长，土体中的硅胶逐渐硬化并且胶结硬化反应也一直进行，所以阳极区域土体承载力增加约58 kPa，呈现较高承载力。而试验B、试验C、试验D平均承载力也均呈现不同程度的增长，试验B阳极区域增长约5 kPa，阴极区域增长约12 kPa，承载力提升范围小，可能是由于灌入氯化钙溶液过多，在电化学过程中存在最佳注浆量。试验C阳极区域增长约5 kPa，阴极区域增长约15 kPa。试验D的承载力由于在阳极阴极均有胶结硬化反应所以增长幅度最大，阳极区域平均增长约17 kPa，阴极区域平均增长约20 kPa。

图8为四组试验的7 d期龄承载力曲线。从阳极区域承载力来看，试验A继续保持领先增长趋势并达到四组试验的最高承载力180 kPa，阴极区域增长缓慢仅为5 kPa。试验B注入了氯化钙浆液，阴极承载力开始迅速增长达到110 kPa，而阳极区域增长缓慢仅为5 kPa。试验C相对于3 d龄期承载力，阳极和中间区域增长迅速平均达到30 kPa，而阴极增长缓慢，说明阴极区域并没有胶结硬化或离子沉淀现象发生。试验D阳极区域增长约35 kPa最高达到140 kPa，仅次于纯注水玻璃的试验A，阴极区域增长约15 kPa最高达到146 kPa，在四组实验中承载力最高。试验C、试验D的中间区域仅相差约5 kPa，从龄期增长强度来看，试验D中间区域承载力随着龄期的增长还会不断增长。

图7 试验土体3 d龄期承载力

图8试验土体7 d龄期承载力

综上所述，试验A和试验D均注入水玻璃溶液，由于注入量不同，导致阳极区域不同龄期承载力不同，可见在一定范围内注入量越多，阳极承载力越高，而水玻璃溶液对于阴极区域承载力的提升作用很小。试验B和试验D均注入氯化钙溶液，由于注入量不同，导致阴极不同龄期承载力不同，氯化钙溶液的注入并非越多越好，存在最佳注入量，氯化钙溶液对于阳极区域承载力的提升作用很小。因此，电化学双液注浆，能够以最小能耗较大的提升土体阳极区域和阴极区域的承载力。

5 结 论

(1) 电化学双液注浆相比较电化学单液注浆，能够以较小的能耗有效的提升土体的承载力。并且随着龄期的增长，承载力不断提高。

(2) 水玻璃溶液中存在硅胶，在电场作用下不易迁移，对于阳极区域土体的加固效果较好；而氯化钙溶液中的钙离子可以在电场作用下迁移到阴极发生化学反应生成胶体，对于阴极区域土体的加固效果较好。

(3) 排水速率和排水量不仅受电流和土体含水率的影响，还与土体的胶结程度有关，随着电化学过程的进行，土体的胶结范围不断扩大，排水速率不断降低，电流不断减小。

(4) 通过对比四组试验的电流曲线，建议在使用电化学注浆对软土地基加固时采用电流衰减到初始电流三分之一时作为结束条件，避免造成电能和浆液的浪费。

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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