电势梯度对电化学加固软土影响的试验研究

刘义华，才东祎

(1.赣州建工集团有限公司，江西 赣州 341000; 2.赣州城市开发投资控股有限责任公司，江西 赣州 341000)

1 概述

在我国的东南沿海地区，广泛分布着软黏土层，这些软黏土存在含水量高、强度低、压缩性高、透水性差等特性，不能满足工程需求，需要对其进行加固处理。传统的软土地基加固方法如真空预压法、堆载预压法等，常因为软土中的细颗粒较多而产生排水体淤堵，往往达不到预期的加固效果，因此需要更高效的软土地基加固方法。

电渗法最早由俄国学者Reuss提出[1]，主要是通过在土体两端通直流电，利用直流电场的作用将土体中的水从阳极运移到阴极最终排出的方法。通过研究发现，电渗排水主要依赖于土体的电渗渗透系数，与土体本身的水力渗透系数无关，因此在处理低渗透性的软土时具有更明显的优势。电渗法最早由Casagrande应用于实际工程[2]，此后对于电渗法的相关研究也越来越多。

通过以上研究可以看出，在电渗过程中注入化学溶液的电化学加固方法相比传统电渗法效果更好，但目前研究主要集中于试剂种类、浓度、注入位置等方面，对不同电势的梯度情况下的电化学加固效果研究较少。本文主要针对电势梯度的电化学加固效果影响，通过电流、排水量以及加固后的含水率与抗剪强度分布分析电势梯度的影响，以期对电化学加固的工程应用有所裨益。

2 试验设计

2.1 试验材料

试验土样取自温州一围垦工程，其基本物理性质如表1所示，试验选用CaCl2作为注浆溶液。

表1 土体的基本物理参数

2.2 试验装置

试验装置如图1(a)所示，模型箱采用有机玻璃制成，内部土样槽尺寸为200 mm×100 mm×100 mm，在土样槽两端分别设置了尺寸为30 mm×100 mm×100 mm的排水槽，并在排水槽底部设置了半径为5 mm的排水口。电极板采用尺寸为100 mm×100 mm×2 mm的铁电极板，并在阴极板上均匀分布直径为5 mm的小孔。阳极位置插入一根直径为10 mm的PPR管，试验时通过PPR管向土体注入CaCl2溶液。试验过程后土体的含水率与抗剪强度测点如图1(b)所示。

2.3 试验方案

试验采用稳压输出，本文中选取0.5 V/cm，0.75 V/cm，1 V/cm，1.5 V/cm作为土体电势梯度，根据施加在土体上的电势梯度不同共分为T1～T4共4组，如表2所示。试验开始后，通过注浆管向各组土体中注入25 mL物质的量浓度为0.5 mol/L的CaCl2溶液，当各组排水速率均小于5 mL/h时视为排水结束停止试验。试验前12 h每1 h记录一次电流、排水量，12 h后每2 h记录一次，试验结束后对土体不同位置的含水率与十字板剪切强度进行检测，并将电极板洗净晾干称取质量，通过对比分析电势梯度变化对电化学加固软土的影响。

表2 试验方案

3 试验结果与分析

3.1 排水量

通过对试验过程中的排水量监测得出不同电势梯度下的排水量曲线，由图2可以看出，电渗排水量与电势梯度大小成正比，T2，T3，T4的总排水量相比T1分别增长了13%，28%，40%，说明电势梯度的增长可以增加电化学加固的排水量。此外，T1～T4组12 h时的排水量分别占总排水量的61.9%，68.1%，76.3%，84.7%，表明电势梯度的提高使电渗前期的排水速率大幅增加，但后期排水速率迅速衰减，导致后期排水速率较低。主要是由于化学溶液加入后，提高电势梯度使土中化学反应更为剧烈，阳极迅速腐蚀，土体与电极板之间的界面电阻增大导致排水速率降低。

3.2 电流

电渗过程中的土体电流随时间的变化曲线如图3所示。根据图3可以看出，各组电流均呈现先增大后减小的趋势，电势梯度增加使初始电流显著提高，4 h时各组电流均达到最大值，试验结束时各组电流基本相同。其中，T2～T4组的电流衰减速度较大。结合图2可以看出，排水速率与电流大小呈正相关，主要是由于水的排出，土的含水量与阳离子含量下降导致土体导电性降低，当电势梯度较大时，电渗前期的离子运移量显著增加，使得排出土体的阳离子增加导致电流与排水速率的迅速降低；此外，随着电渗的进行，各组试验均存在不同程度的阳极板与土体脱离的情况，且电势梯度越大，阳极与土体脱离的幅度越大，主要是由于阳极附近土体中的水在前期快速向阴极附近移动，导致阳极附近土体产生体缩，减小了阳极与土体之间的接触面积，使阳极与土体之间的界面电阻也随之增加，作用于土体的有效电势降低，且电势梯度的提升使土体中的电解反应更加剧烈，有效电势降低幅度更大，因此初始电势梯度越大，土体初始电流越大，但相应的电流衰减速度也越大。

3.3 含水率

试验结束后，根据图1(b)所示的测点位置分别在土体表层、中部、底部3个位置取土进行含水率测定并求平均值，得到不同电势梯度下的含水率分布曲线如图4所示。通过曲线可知，土体含水率随着与阴极距离的增大而减小。提高电势梯度后，土体的排水效果除阴极外均得到明显改善，阳极附近的含水率(质量分数)分别降低了34%，38%，46%，48%，此外，由于化学试剂的作用，使得土样中部靠近阴极区域的连续性得到增强，含水率分布也更为均匀，差异较小。阴极区域含水率较大的主要原因是由于电势梯度的提升导致排水速率大幅增长，大量的水在试验前期运移到阴极区域无法快速排出，在阴极附近形成积水，导致阴极附近土体含水率较大。此外，电势梯度的提升使得土样阴极区域与阳极区域的含水率差异进一步增大，说明提高电势梯度可以有效提高排水效率，但土体含水率分布不均匀的情况也更明显。

3.4 十字板剪切强度

试验结束后根据图1(b)中所示的测点位置对土体进行十字板剪切强度测定，得到不同电势梯度下的土体十字板剪切强度分布曲线如图5所示。对比图4中的含水率分布曲线可以看出，不同电势梯度下的土体抗剪强度分布与含水率分布较为相似，阴极附近的强度较差，阳极与中部区域的加固效果明显，表明电化学加固土体作用主要来源于土中水排出，使土体的强度得到一定程度的提升；对比各组试验发现，T2～T4组阳极区域的剪切强度相比T1分别增长了19.4%，41.7%，52.8%，阴极区域的强度提升不明显，说明在电化学加固过程中提高电势梯度可以增加阳极附近区域的加固效果，但对阴极区域的加固效果作用较小。

此外，通过曲线可以看出，阴极板附近到土体中部区域的强度增长较大，主要原因是在电流的作用下，土体中发生一系列化学反应，其中包括水在电极附近发生电解反应生成OH-，具体反应如式(1)，式(2)所示：

2H2O-4e-=O2↑+4H+

(1)

2H2O+2e-=H2↑+2OH-

(2)

除了水的电解反应外，电渗过程中还有阳极的电解反应发生，具体反应如式(3)所示：

Fe-2e-=Fe2+

(3)

随着电渗过程的进行，阳极附近发生的电解反应将生成较多的H+使阳极附近土体pH值下降，产生酸性环境区域，电极在酸性环境下的电解反应更加剧烈，腐蚀速度更快，因此在高电势梯度下土体电流反应更大、更剧烈，电极腐蚀速度更快，导致高电势梯度下电流衰减速度与排水速率衰减速度相比低电势梯度下更大。阴极附近由于产生了OH-使阴极附近土体为碱性环境，阳极电解产生的Fe2+与注浆溶液中的Ca2+在电场的作用下向阴极附近移动，并与水电解产生的OH-在阴极附近的碱性环境下反应，具体反应如式(4),式(5)所示：

Ca2++OH-=Ca(OH)2↓

(4)

Fe2++OH-=Fe(OH)2↓

(5)

反应生成的Ca(OH)2与Fe(OH)2微溶于水，并可以使土壤胶结增强土体强度，因此高电势梯度下的阴极区域强度相比低电势梯度有一定程度的提升。

4 结语

本文采用温州软土对4个电势梯度下的电化学加固效果进行了对比试验研究，从排水量、电流、含水率分布、抗剪强度分布4个方面进行了对比分析，得到以下结论：

1)增大电化学加固过程的电势梯度可以有效增大加固过程中的电流，增强排水效果与加固效果，但电势梯度增长到一定水平时对土体加固效果提升较小。

2)电势梯度的提升引起土体电渗过程中发生的一系列反应更加剧烈，导致高电势梯度下的土体排水速率与电流下降速度过快，使电渗中后期能耗增大。

3)由于高电势梯度带来的高能耗，实际工程中需要根据工期与成本选择合适的电势梯度与断电时间。