板状电极电化学加固试验研究

板状电极电化学加固试验研究

王松王宁伟王顺

（沈阳建筑大学土木工程学院辽宁省沈阳市110168）

摘要：在电渗试验通电一段时间出现裂缝后，通过向裂缝中注入化学浆液的方法进行处理。从加入不同浆液的性质、试验参数、通电时间、加固机理及试验后的加固效果来进行分析，得出不同浆液对土体的加固效果不同。

关键词：电化学加固；注浆；承载力

1引言

在电极板做电极的软土竖向加固中阴极附近的加固效果不够明显[1，2]，为解决阴极承载力不高等问题，对试验软土进行电化学注浆处理。

2电化学加固试验方案：

试验共三组，分为纯电渗试验、单液注浆试验及双液注浆试验。张雷[3]在研究电化学注浆时，得出当氯化钙溶液浓度为26%时，效果最佳[3]。本文进行注浆时Y1浓度为26%，Y2所用溶液是氯化钙和氢氧化钠配成的pH=12的碱性溶液，试验参数如表1。

表1试验Y基本参数

试验以每小时排水量为0mL的时间为结束时间，结束后土体加固效果不明显，再增加通电时间，取得了明显的加固效果。说明试验中钙离子从阳极迁移到阴极需要一定时间，故Y2不排水后继续通电5小时以保证离子充分迁移。

3试验结果分析

3.1电流：如图1所示为电流随时间变化曲线。从图中可知，通电10小时后注浆，Y2电流提升幅度比Y1小；在10～30h之间，Y2电流高于Y1，30h后，电流迅速下降，小于Y1，说明土体胶结程度变大，土体电阻增大。当试验后实测电流降低为初始电流的50%～70%时，即可停止试验。

图1试验电流曲线

3.2排水量

如图2所示为排水量曲线，Y2、Y3最终排水量均小于Y1。在土体中注入浆液，引入相应离子，在电渗环境中与土中某些矿物发生胶结硬化，阻塞排水通道，从而导致最终排水量降低。

图2排水量曲线

从图1可知，注入溶液后，Y2电流在一段时间内大于Y1，在这段时间增强了电渗排水作用，后期由于浆液扩散范围增大，土体胶结变快，电流下降迅速，电渗排水作用减弱。Y3排水量大于Y2，通电一段时间后，阳极附近pH值小于7显酸性，加入碱性溶液后，对电渗排水起到促进作用，反应一段时间后，土体中的离子相遇发生胶结反应，从而导致排水量降低。

3.3能耗

图3为试验的能耗随时间变化曲线。三组试验总能耗的大小顺序为：Y1<Y2<Y3。从图中可知，10h后，由于注入浆液，Y2、Y3的电流都增大，通电时间也比Y1小。电化学注浆试验虽在一定程度上增大了土体能耗，但其变化量不大。

图3试验能耗曲线

4试验后土体承载力：

以深度2cm、横向平面距离4cm的范围进行检测，Y1的承载力测到第六层，其承载力由大到小的延伸范围是以阳极板为中心展开的，Y1阳极附近的影响区域、有效区域、固结区域的范围从表层依次往下减小，1~4层承载力为135～215kPa；第5层承载力为90～130kPa；第6层中承载力在40kPa以上的范围缩小到阳极板直径范围内。在阳极附近的固结区域、有效区域、影响区域深度分别为电极板的1.2倍、1.6倍和2.2倍；阴极附近的固结区域、有效区域和影响区域深度分别为阴极板的0.7倍、1.3倍和2倍。

Y2的影响区域也为六层，第1~4层承载力为150～270kPa；第5层承载力90～130kPa；第6层承载力在40kPa以上的范围缩小到阳极板直径范围内。对比Y1与Y2的三个区域，其深度与范围并未发生明显扩大，但其阳极附近的固结区域、有效区域的承载力有一定幅度的提升。

Y3的影响区域也到达第六层，第1~5层承载力为135～280kPa；其阳极附近的有效区域也到达第5层，承载力为100～130kPa；第6层承载力在40kPa以上的范围缩小到阳极板直径范围内。Y3阴极附近的固结区域到达土体的第2层，承载力范围150～200kPa；有效区域到达第4层，承载力范围110～130kPa，影响区域到达第5层，承载力范围50～80kPa。在阳极附近的固结区域、有效区域和影响区域的深度分别为电极板的1.6倍、1.6倍和2.5倍；阴极附近的固结区域、有效区域和影响区域深度分别为阴极板的0.7倍、2倍和2.7倍。

从结果分析可知，注浆试验固结区域承载力比电渗试验有明显提升，且在土体中注入氯化钙溶液，土体中的Ca2+会在电场作用下发生迁移，移动到阴极附近生成胶结状土体，提高了阴极承载力，由于电极板在土体表面，电场在土体中产生的作用深度是有限的，其Ca2+的迁移在阳极并未发生到五层以下的深度，在阴极附近也未在三层以下的区域发生作用，因此Y2的影响区域相比Y1并未发生扩大，但其阳极附近的固结区域与有效区域的承载力都有显著提升，且阴极附近的承载力也达到了固结范围，有效区域也有明显加深。电化学注浆试验结束的时间不能简单的等同于同等条件下电渗试验的通电时间，应当在每一小时排水量为0ml后继续通电，保障足量的离子迁移。

5结论

在电极板做电极研究软土加固深度的电渗试验中，存在通电时间较长，阴极区域承载力不高等问题，通过单液注浆及双液注浆的室内电化学注浆试验，从离子迁移、盐沉淀以及土体胶结的角度分析其电流、排水、能耗以及试验后土体加固深度，并与同等条件下的电渗试验进行对比，得出以下结论：

（1）在电极板做电极的试验中在通电一段时间后，电流会随着浆液的引入而出现增幅，且双液注浆的电流增幅大于单液注浆的增幅。注浆试验同样可根据实测电流的变化规律来判断电渗结束时间，当实测电流降低为初始总电流的50～70%时，即可结束通电；

（2）电化学注浆试验的排水量小于同等条件下的电渗试验，表明在注浆试验的过程中，所注浆液由于引入离子发生火山灰反应生成了胶结物质，胶结土体填充孔隙，进而导致排水通道被阻塞，排水量降低；

（3）注浆试验的承载力要高于同等条件下的电渗试验的承载力，且通过试验过程中电化学离子迁移其阴极附近的加固深度及其范围都有很大程度上的提高，并且双液注浆的加固深度效果要明显好于单液注浆，与此同时也大大减小了通电时间；

（4）在注浆试验中，为保证离子充分迁移，在排水终止时，需继续延长通电时间。

参考文献：

[1]王宁伟，刘根．软土电化学加固的排水作用研究[J]．工程勘察，2016，44（1）：26-30．

[2]白小航.软黏土电渗排水特性研究[D].沈阳建筑大学硕士学位论文，2016.

[3]张雷，王宁伟，景立平等.淤泥质软黏土的电动加固试验研究与工程应用[J].自然灾害学报，2016，25（3）：78-86.