电化学加固方法整治铁路路基翻浆冒泥试验研究

肖芳炎 苏谦 张棋 邵康 陈城 黄志超

（1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031）

我国超过16%的既有线路基基床存在各种类型的病害［1］。作为铁路基床病害的常见类型之一，翻浆冒泥导致路基产生不均匀沉降，严重时影响列车运行安全。

国内外对路基翻浆冒泥整治措施进行了广泛研究，总结出多种整治方法，如换填路基土、铺设砂垫层、加设排水盲沟等。这些传统方法只从排水或改良基床力学性能等单方面着手进行整治，效果不佳［2］。寻找新的整治技术以及相应的工艺是近年来翻浆冒泥病害整治的新研究方向。电化学加固方法以施工便捷、能达到路基土体排水和化学胶结的双重加固作用、处理成本低等优势而逐步受到关注。

电化学加固方法是一种在通电条件下将发生在土体中的电动力效应与化学注浆手段相结合、用于土体排水固结与强度提升的方法。文献［3］利用电渗排水对挪威一处软土地基进行处理，证明了电渗在处理软土地基上的有效性。文献［4-5］对加拿大的软土进行过电化学加固处理。文献［6］在新加坡填海工程中进行了电化学加固现场试验。在我国，文献［7］最早对软土的电化学加固进行了探索。文献［8］利用电化学联合预压的方法对新建铁路路基进行排水加固处理。文献［9］对广州地区某现场电化学排水施工实例进行探究。文献［10］对比了电化学注浆与电渗的效果。文献［12-13］研究不同氯化钙浓度对软土加固效果的影响，得出氯化钙溶液质量分数在26%左右加固效果最佳。文献［14］进行了电化学加固软土的现场试验。

电化学应用于软土地基处理方面的研究较多，但应用于铁路路基病害整治方面的研究较少，尤其是针对路基翻浆冒泥病害整治的研究几乎没有。本文从电化学加固土体的机理出发，运用控制变量法设计电化学室内试验，从土体渗透性、强度和耗能方面研究通电方式、化学浆液注入量对翻浆冒泥土体加固效果的影响，并分析土体沉降特性，为电化学加固方法应用于铁路翻浆冒泥整治提供参考。

1 室内试验

1.1 试验原理

在电化学加固过程中，土体中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。土壤中的水经过电力驱动随着土中阳离子向阴极流动排出，土体排水固结。电解作用使阳极管发生化学腐蚀，生成氢氧化亚铁胶体，该胶体在阳极处膨胀氧化、挤密从而加固土体。注入氯化钙溶液后，通过离子交换，高价钙离子置换低价钠离子，使水膜厚度变薄，从而增大土的密实度［13］。同时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，钙离子与硅酸盐、铝酸盐等发生反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶体，固结黏土颗粒从而提高土体强度，降低土体渗透性。

1.2 试验材料

试验土体取自成都铁路局一条既有铁路现场的粉质黏土。试验使用原状土体重塑后的土样，烘干、磨碎、筛分后将干燥粉末加适量水调匀，密闭静置24 h以保持土样含水率均匀。制备完成的重塑土样参数见表1。重塑土样含水率为45%，重度为18 kN/m3。

表1 重塑土样基本物理指标

阴阳电极材质均采用不锈钢管，外径20 mm，壁厚1.5 mm，如图1 所示，沿管周均匀布设4 个孔，开孔直径5 mm，沿管长每周孔间距为30 mm。

图1 不锈钢管电极（单位：mm）

1.3 试验装置

土体试验箱的尺寸为600 mm（长）×500 mm（宽）×160 mm（高），结构如图2所示。土样厚度为80 mm，阴阳极管垂直插入土中，阴极管下部开有直径为18 mm的排水孔，并将量杯放在下方收集试验过程中排出的水分。阴阳电极间距520 mm，电极对间距为400 mm，其中 a，b，c 为土体沉降测点。a，c 位于电极对中部，b位于土样中心。

图2 试验箱结构示意（单位：mm）

阳极区域（阳极管附近）表面设有抗剪强度测点1#，3#。中部区域（电极对中部）表面设有抗剪强度测点a，c。阴极区域（阴极管附近）表面设有抗剪强度测点2#，4#。采用50 V直流电源供电。

1.4 试验方案

试验分为2个阶段，见表2。各阶段均采用控制变量法，试验土样初始含水率均为45%，电压均为50 V，电势梯度均为0.96 V/cm。

表2 试验方案

6 组试验均在开始通电前安装好土体沉降测量装置，并测定各测点土体表面初始抗剪强度。开始通电后实时观察记录电流值以及测量排水体积，通电结束后再次测定各测点位置土体表面最终抗剪强度。第1阶段有A，B，C 共3 组试验。其中间歇通电为每通电2 h断电10 min，反转电极在实际通电25 h后进行正负极反转。连续通电为一直通以定向电流至结束。第2阶段在第1 阶段的基础上选出最优通电方式，并在该通电方式下进行D，E，F 共3 组试验（质量百分数26%的氯化钙浆液注入量分别占待处理土体体积的0.5%，1.5%，2.5%）。根据试探性试验，以上6组试验实际通电时长均定为50 h。

2 试验结果分析

2.1 通电方式对土体加固效果的影响

试验第1 阶段在各通电方式下先通电1 h，之后每隔1 h分2次注入氯化钙溶液，单次注入量均为60 mL。通电前3 h每隔1 h测定1次排水量，之后每隔2 h测定1次。根据所测排水量及间隔时间推算排水速率。

2.1.1 通电方式对土体渗透性的影响

通电完毕后试验A，B，C 排水速率见图3。可知，3 组试验在加入化学浆液后其排水速率有所增加；随着水分排出土体含水率下降，排水速率也随之下降。试验C 在电极反转后，排水速率急剧下降至0。这是由于在通电一段时间后阳极水分向阴极迁排，阳极区域首先变干，电阻增大，将电极反转后50 V 电压提供的电动力不足以再将之前阴极水分向阳极驱动，所以排水速率下降至0。试验B 在后期排水速率一直呈下降趋势，且在50 h 实际通电时长后每小时排水量低于总排水量的1.5%，此时可认为电化学通电已经失去效果。试验A 排水速率在下降一段时间后又呈现平稳趋势，且在实际通电50 h 后，其每小时排水量不低于总排水量的1.5%，说明其后续还有一段时间处于有效通电范围内，还可以迁排出更多水分。

图3 第1阶段各通电方式下排水速率

根据积分计算得出，在相同通电时长和化学浆液注入量的情况下试验A排水量最多，试验B次之，试验C排水量最少。

2.1.2 通电方式对土体强度的影响

通电开始前试验A，B，C 的土样呈流塑状态，采用微型十字板剪切仪对各土样表面测点（参见图2）进行原位剪切试验，得到的土样表面各处初始抗剪强度均非常接近0.75 kPa。通电结束后对土样表面各处再次进行抗剪强度测定，并对同一区域测点取平均值，结果见表3。可知，各试验中阳极区域加固效果比阴极区域和中间区域好，说明阳极管发生电化学腐蚀，生成氢氧化亚铁胶体进一步加固土体，同时阴极为富水区域，含水率较大水分不能及时排出导致其土体抗剪强度低于阳极。试验A各处抗剪强度值均比试验B，C要大。通过计算，试验A 土体表面平均抗剪强度增大6倍左右，效果最佳。

表3 不同通电方式下土样表面抗剪强度 kPa

2.1.3 通电方式对耗能的影响

试验A，B，C 电流随实际通电时长的变化趋势见图4。可知：三者在注入浆液后电流均上升，其中试验A 在电流上升之后随着含水率下降电流变化不大，说明间歇通电下在断电期间水的渗流作用使得水分又在土体中均匀分布，防止了局部土体由于水分过少引起的电阻增大；试验B 由于连续通电下水分不断排出电流在后期呈逐步下降态势；试验C 在电极反转后电流急剧下降接近于0，这是由于电极反转后，之前阳极区域电阻增大，电动力不足以让之前阴极水分向阳极迁排导致电流回路接近断路。

图4 第1阶段电流随实际通电时长变化趋势

消耗总电能w= ∫UIdt，其中U为通电电压，I为通电电流，t为通电时长。按照交流转直流85%的效率计算，试验A 耗电量为0.286 kW·h，试验B 耗电量为0.313 kW·h，试验C 耗电量为0.180 kW·h。在实际通电时长和化学浆液注入量相同的情况下，3 种通电方式耗能相差不大，均较小且满足经济性要求。

2.2 氯化钙浆液注入量对土体加固效果的影响

由第1阶段试验知间歇通电方式处理土体效果最好，故采用间歇通电方式进行第2 阶段的3 组试验，探究氯化钙浆液注入量对试验土体加固效果的影响。

2.2.1 浆液注入量对土体渗透性的影响

试验D，E，F 排水速率随实际通电时长的变化趋势见图5。可知，试验D 在注入0.5%浆液量后带入阳离子和水分，导致电流和电动力增大，所以排水速率先增大，之后随着水分加速排出含水率下降以及阳离子向阴极汇集，电流带动水分迁移能力减弱故排水速率减小并趋于不变；试验E 注入1.5%浆液量后排水速率先增大再减小之后趋于不变，且在通电28 h 后其每小时排水量连续小于总排水量的1.5%，再通电已不经济；试验F在注入2.5%浆液量后排水速率先急剧增大之后急剧减小至趋于0。这是由于浆液注入过多在渗透作用和电动力作用下迅速从阴极排出，且将土体中带电阳离子一并带出，故在后期虽含水率很高，电流较大，但缺少阳离子的带动作用，水分难以迁出，排水速率急剧降低，且在通电11 h后其每小时排水量连续小于总排水量的1.5%，再通电已不经济。

图5 第2阶段各浆液注入量下排水速率

根据图5可计算出在实际通电50 h后试验D，E，F排水总量分别为 924.5，821.4，702.1 mL，其中试验D，E，F注入浆液后带入的水量分别为120，360，600 mL。将排水总量减去注入浆液带入的水后，试验D 从土中排出的水最多，处理效果最好。

2.2.2 浆液注入量对土体强度的影响

通电开始前，采用微型十字板剪切仪对试验D，E，F 土样表面测点进行原位剪切试验，可得初始土样表面抗剪强度均较接近0.75 kPa，实际通电结束后对各测点进行最终抗剪强度测定，并对同一区域测点取平均值，结果见表4。可知，试验D，E 土样抗剪强度均为阳极区域改善最明显，中部区域次之，阴极区域最差。这是由于水分向阴极迁排，阴极为富水区域，故土体表面抗剪强度较小，同时阳极管的电化学腐蚀进一步胶结附近土体，故阳极区域土体表面抗剪强度较大。试验F 由于注入浆液量过大，土体中反而带入浆液中水分，土体含水率较高，虽有氯化钙溶液胶结固化，但土体表面各处抗剪强度均提高不大。表4 中试验D 土体各处表面抗剪强度改善最明显，土样承载力提高最多。

表4 不同浆液量下土样表面抗剪强度 kPa

2.2.3 浆液注入量对耗能的影响

试验D，E，F 电流随实际通电时长的变化趋势见图6。可知，三者在注入浆液后电流均上升，试验D 在浆液注入后电流小幅上升，后呈现不变的趋势，说明间歇通电使水分不断重新分布和排水速率较小导致含水率变化不大从而使电流变化不明显；试验E 在浆液注入后电流增幅较大，且在浆液注入完毕后呈急剧下降的态势，这是由于浆液注入相对较多，电流幅值高，之后排水速率较大水分迅速从阴极流出导致电流急剧下降；试验F在浆液注入后电流增幅巨大，且在浆液注入完毕后呈急剧下降的趋势，这是由于浆液注入过多，土体水分急剧增大导致电流增幅较大，之后由于土体过饱和导致部分浆液在注入后直接从阴极流出以及电流较大使水分迅速从阴极排出从而使电流急剧下降，后期因排水缓慢故电流也呈缓慢下降趋势。

图6 第2阶段电流随实际通电时长变化趋势

根据能耗公式并按照交流转直流85%的效率计算，试验 D 的耗电量为 0.286 kW·h，试验 E 的为0.768 kW·h，试验F 的为0.875 kW·h。后二者均要比试验D的耗能要多。

2.3 土体沉降分析

为分析在最佳通电方式与浆液注入量下的土体沉降特性，在图2中a，b，c处安装百分表对土体沉降进行实时监测，试验D 的监测数据见图7。可知，各测点土体沉降随试验时长逐步增大，其中土样中心（b 处）在通电初期还有微小膨胀，原因在于电解作用使得阳极铁电极发生腐蚀，产生大量的氢氧化亚铁胶体。该胶体在阳极处膨胀并氧化，挤密土体。

图7 土体沉降随试验时长变化趋势

因此阳极管可看作一根化学桩体，在通电过程中不断胶结固化周围土体，但随着阳极腐蚀，电极管质量减轻影响其重复利用，同时阳极管与土体接触的界面电阻增大，造成一定程度的电能损耗，增加处理成本。

在试验结束后，a，b，c 处土体沉降分别为2.63，2.44，2.55 mm，平均值为2.54 mm。8 cm 厚土体在电化学加固后平均固结沉降在2.54 mm 左右，此数值可用于指导工程实践。

3 结论

1）综合试验土样加固效果，采用间歇通电方式要优于连续通电和电极反转。

2）加入的氯化钙浆液质量百分数宜为26%，且当其浆液注入量占比试验土体体积的0.5%左右时，试验土样加固效果最佳。

3）当试验采用间歇通电，且质量分数为26%的氯化钙浆液注入量占试验土样体积的0.5%时，8 cm 厚的土体处理后平均沉降为2.54 mm。

4）随着试验进行，阳极管发生电腐蚀，腐蚀产生的胶体会进一步固结土体，但同时也会产生电能损耗，增加处理成本。