韓艦輝，王寧偉，白小航，王頌科，高文舉

（沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧沈陽110168）

海相軟黏土電化學改性固結試驗研究

韓艦輝，王寧偉，白小航，王頌科，高文舉

（沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧沈陽110168）

通過對海相軟黏土的電化學改性固結試驗，探索同一鹽溶液在不同濃度條件下對軟黏土改性固結的影響，對海相軟黏土的電化學改性固結機理進行了分析 ，試驗采用三組室內(nèi)試驗，變量為鹽溶液濃度，闡述試驗現(xiàn)象；分析并對比電化學改性固結試驗與普通電滲排水試驗的電流變化規(guī)律；根據(jù)電化學改性固結試驗的能耗公式，分析同一鹽溶液不同濃度情況下的電化學能耗規(guī)律；最后分析并解釋了同一鹽溶液在不同濃度下對海相軟黏土電化學改性固結的土體最終承載力的影響。研究得出：電化學改性固結試驗由于通電時間的減少，使試驗能耗值較普通電滲排水試驗大大降低；注入濃度為25%的Ca－Cl2溶液時，土體最終承載力最高；通電停止后7 d齡期時，土體中間區(qū)域的承載力大于其他區(qū)域。

電化學；鹽溶液；能耗；齡期；承載力

在我國沿海地區(qū)廣泛分布著海相軟黏土，為緩解沿海地區(qū)城市基本建設用地緊張，需要對海相軟黏土進行地基處理，使其滿足工程建設的需求。海相軟黏土的特點是高含水率、高壓縮性、低滲透性、低抗剪強度、高含鹽量及顯著的結構性與流變性，因此，對海相軟黏土的地基處理技術更加復雜。目前工程建設中對海相軟黏土的地基處理方式普遍采用真空預壓或堆載預壓排水固結的方法，傳統(tǒng)的地基處理方法主要存在以下幾個問題：（1）加固后土體強度較低、沉降變形大，均勻性較差，已建工程也已出現(xiàn)不同程度的工程質(zhì)量問題；（2）堆載預壓或真空預壓法排水固結時間較長，沉降速率較難穩(wěn)定，對深厚軟土地基加固效果不理想，處理深度有限，有時甚至難以達到預期的加固目的。

電化學改性固結是在軟黏土中插人金屬電極、施加一定的直流電壓，同時以一定的壓力向電極中注入鹽溶液使土體內(nèi)發(fā)生一系列的物理化學反應，這些物理化學反應可以促進軟黏土絮凝結構的改變并增加（集）顆粒間的聯(lián)接強度，以達到對地基加固的目的。

近年來，美國華盛頓地區(qū)工程實驗室Preece E F等人正在進行關于電化學加固方法的研究［1］，其他國家如日本、印度、印度尼西亞等國家在1953年亦見有關于這方面研究結果的發(fā)表［2－4］。我國的汪聞韶［5］和曾國熙院士［6］也對軟黏土的電化學加固進行了研究。

本文通過對大連東港地區(qū)海相軟黏土的室內(nèi)電化學改性固結試驗，研究了在陽極注入等量但不同濃度的CaCl2鹽溶液時，其試驗現(xiàn)象、能耗、土體參數(shù)變化以及試驗通電結束后其土體各部位承載力的分布規(guī)律，有助于對海相軟黏土電化學改性固結規(guī)律的認識，通過對這一技術的深入研究，對解決海相軟黏土由于含水率過高、壓縮性高以及抗剪強度低等一系列的安全問題具有一定的現(xiàn)實意義。

1 電化學作用機理

海相軟黏土在電化學加固過程中，土體內(nèi)發(fā)生一系列的物理化學反應，包括電滲、電泳、電解、水解、水化、氧化還原反應、離子擴散、離子交換、離子遷移、礦物分解及離子沉淀等等，其中電滲、電解、離子交換和鹽的沉淀對軟黏土加固效果最為明顯。

曾國熙院士認為電滲排水對于軟土強度的提高貢獻是比較小的，排水引起的土體干硬只是軟土強度提高的部分因素；電解作用使鐵電極（陽極）發(fā)生腐蝕并生成氫氧化鐵膠體，該膠體使電極（陽極）附近的土體膨脹加密，并增加了（集）顆粒之間化學黏結作用，提高了土體強度；離子交換作用是黏粒與水溶液作用后，吸附在其表面的離子與溶液中的離子進行交換，交換能力大的陽離子形成較薄的擴散層，在電化學加固中注入鹽溶液，促使鹽溶液中的高價陽離子能與礦物擴散雙電層中的離子進行交換，一方面促進黏土顆粒的絮凝，從而結合成更大更緊密的膠體，另一方面也減少雙電層的厚度，使得礦物顆粒之間排列更緊密，提高土體的強度。注入鹽溶液后，使黏土礦物中的氧化鋁和氧化硅被釋放出來，在堿性或者酸性的環(huán)境下鈣離子與硅酸鹽和鋁酸鹽反應生成水化硅酸鈣CSH和水化鋁酸鈣CAH兩種物質(zhì)，它們作為粘結物質(zhì)能促進黏土顆粒膠結改變土的結構性提高土體強度［7］。

2 室內(nèi)試驗方案

試驗用土為大連東港地區(qū)海相軟黏土。土體的物理力學性質(zhì)指標如表1所示。

表1 海相軟黏土的物理力學指標

本次室內(nèi)海相軟黏土的電化學改性固結試驗是為了分析在陽極注入不同濃度的CaCl2鹽溶液時，對軟黏土力學性質(zhì)的改變以及對試驗各參數(shù)的影響規(guī)律，如電流，能耗等。為了得到不同濃度的CaCl2鹽溶液對海相軟黏土電化學改性固結的影響規(guī)律，共設計了三組室內(nèi)試驗（試驗1～試驗3），其中三組試驗的土體參數(shù)相同，土體兩端施加電壓均為40 V，電極距均為26 cm，電壓梯度為1.54 V／cm。試驗1、試驗2和試驗3在陽極分別加入15%、25%和35%的CaCl2鹽溶液。試驗設備準備完畢后，接通直流電源，三組試驗通電時間均為13 h，通電開始后1.5 h時向三組試驗陽極注漿管中注入20 ml CaCl2鹽溶液，此后，每隔1 h向陽極注漿管注入20 ml CaCl2鹽溶液，三組試驗的CaCl2鹽溶液的總注入量相等，均為240ml，試驗的基本參數(shù)見表2所示。試驗過程中，多次記錄電流表的讀數(shù)，隨時觀測土體電流的變化趨勢。通電時間均為13 h，且三組試驗斷電后均靜置7 d，待齡期7 d時，使用袖珍貫入儀對加固后的土體進行承載力測定，測試土體不同部位的承載力，分析不同濃度的CaCl2鹽溶液對海相軟黏土電化學改性固結土體承載力的影響規(guī)律。

表2 試驗參數(shù)

圖1所示的是室內(nèi)海相軟黏土的電化學改性固結試驗原理圖，試驗裝置由塑料箱盛裝的海相軟黏土土樣、陽極、陰極、打滿花孔的PVC注漿管、不同濃度的CaCl2鹽溶液、直流電源、電流表、導線以及量杯等組成。盛裝土樣的塑料箱長×寬×高為30 cm×20 cm×15 cm，土樣高度為12 cm。電極陽極采用φ6鋼筋，同時將打滿花孔的PVC注漿管與電極陽極捆綁，以便在陽極注入鹽溶液，電極陰極采用φ6鋼筋。電源為穩(wěn)壓直流電源，電源的最大輸出電壓為100 V，最大輸出電流為30 A。

圖1 試驗原理圖

3 試驗現(xiàn)象

試驗過程中，海相軟黏土在直流電的作用下發(fā)生電解、水解、氧化還原、脫水等一系列的化學反應。啟動電源后，陰極周圍很快冒出氣泡并伴有水滲出。通電約15min～20min后，陽極周圍出現(xiàn)深黑色物質(zhì)，可以觀察到直徑約2 cm～3 cm的黑圈，同時表面水變?yōu)榧t褐色，隨著電化學反應的不斷進行，土體溫度明顯升高，表明電化學系統(tǒng)中存在放熱的化學反應。此外，還可以在土體表面看到混有化學氣體的水蒸氣，此氣體具有刺激性氣味，一方面是由于Cl－發(fā)生氧化反應，生成氯氣，另一方面可能是因為試驗采用的海相軟黏土有機質(zhì)含量較高，通電電解產(chǎn)生H2S和SO2等氣體。試驗后發(fā)現(xiàn)陰極處有白色物質(zhì)沉淀，主要是陽極注入的高價陽離子在陰極處形成化學沉淀物。

4 試驗結果分析

4.1 電流變化規(guī)律

三組試驗的電流變化曲線如圖2所示。電化學試驗中電流變化規(guī)律不同于普通電滲排水試驗的電流變化規(guī)律，電化學試驗中由于加入鹽溶液，使土體中離子濃度增多，且含水率增加。普通電滲排水試驗中電流在試驗開始通電時最大，電流隨時間逐漸減小，試驗結束時 ，電流達到最低值［8］。而電化學試驗中，每注入一次鹽溶液，電流隨即達到一個峰值點，之后逐漸下降到一個低谷點，而且此后每一次注入鹽溶液時電流均是此變化規(guī)律，試驗電流曲線呈波浪形狀。

圖2 試驗電流曲線

表3列出了三組試驗的平均電流值和試驗能耗值，平均電流值為通電開始至通電結束整個通電過程的電流平均值，從表3可以看出試驗平均電流試驗3＞試驗2＞試驗1，原因是試驗3注入的CaCl2鹽溶液濃度為35%，其鹽溶液中離子濃度最高，離子的移動形成電流，所以離子越多，電流也就越大。試驗2小于試驗3，試驗1電流最小。所以在注入相同總量鹽溶液的情況下，鹽溶液的濃度越高，電流越大。

表3 試驗平均電流和試驗能耗

4.2 能耗

試驗采用穩(wěn)壓輸出40 V，根據(jù)三組試驗的電流數(shù)據(jù)，電化學作用的能耗表達式為［9］：

式中：U和It分別為電源的輸出電壓（V）和在 t1～t2的時間段內(nèi)某時刻 t的電路電流（A）；Ct1和Ct2分別是 t1時刻與 t2時刻對應的能耗值。

三組試驗的能耗曲線如圖3所示，從表3和圖3可以看出試驗3的能耗值最大，為1.05 kW?h，試驗2的能耗值低于試驗3，為0.99 kW?h，而試驗1的能耗值最低，為0.97 kW?h，從此規(guī)律可以看出在注入等量CaCl2鹽溶液的前提下，CaCl2鹽溶液的濃度越高，能耗值也越大，因為高濃度的鹽溶液為土體提供更多的離子數(shù)量，離子數(shù)量的增多導致試驗電流的增大，而在相等通電時間的前提下，試驗電流越大，試驗能耗也就越大。

圖3 試驗能耗曲線

本試驗用土是海相軟黏土，含鹽量為2%～3% ，含鹽量較高，且試驗過程中向陽極注入CaCl2鹽溶液使得試驗土體的含鹽量進一步提高，由于含鹽量較高，按前人的經(jīng)驗，高鹽分黏土中的高電導率造成的過大能量消耗和電化學反應導致的金屬陽極嚴重腐蝕。它們的存在使得土體中的電滲流明顯減小或完全消除［10］。

從本試驗的結論可以看出，本試驗通電時間13 h，遠遠小于普通電滲排水試驗所需的通電時間［11］，且能耗最大的試驗3能耗值為1.05 kW?h，可以發(fā)現(xiàn)在短時間的通電情況下，能耗是不大的。筆者認為，在保證陽極材料不被嚴重腐蝕使電路斷開的情況下，電化學改性固結相比于普通電滲排水試驗有很大的優(yōu)勢。

電化學作用下，陽極鐵電極腐蝕嚴重，但是腐蝕產(chǎn)物氫氧化鐵膠體可以有效的膠結土體，增強土體承載力。所以在電化學試驗中要充分保證陽極鐵電極的厚度。同時希望鐵電極更多的腐蝕。

電化學中，當外加直流電場停止電化學作用時，在黏土礦物中仍舊能夠持續(xù)發(fā)生二次礦物的結晶過程，而且新生成的二次礦物是不可逆轉(zhuǎn)的，其粘結作用增加了黏土礦物的力學強度［12］。

4.3 齡期7d時土體承載力

試驗通電停止后，待試驗土體齡期達到7 d時，使用袖珍貫入儀對加固后的土體進行承載力測定，將加固后的土體分為表層、中層、底層3層，試驗土樣高12 cm，深度6 cm處定義為中層，三組試驗土體不同區(qū)域7 d齡期的承載力如圖4～圖6所示。試驗1、試驗2和試驗3加固后7 d土體承載力對比如圖7所示。

圖4 試驗1土體加固后承載力

圖5 試驗2土體加固后承載力

圖6 試驗3土體加固后承載力

圖7 三組試驗加固后承載力對比

由圖4～圖7得到結論如下：

（1）電化學通電結束后，7 d齡期時試驗1、試驗2和試驗3的陽極區(qū)域的承載力均大于其陰極區(qū)域的承載力，如圖7所示，原因是隨著電化學的進行，陽極區(qū)域的水分逐漸被疏干，而陰極區(qū)域的水分卻逐漸增多，所以試驗過程中陰極區(qū)域土體的含水率始終要大于陽極區(qū)域土體的含水率，且由于電解作用使鐵電極（陽極）發(fā)生腐蝕并生成氫氧化鐵膠體，該膠體使電極（陽極）附近的土體膨脹加密，并增加了（集）顆粒之間化學黏結作用，提高了土體強度，因此陽極區(qū)域的承載力均大于陰極區(qū)域。本文提到的承載力是7 d齡期時的承載力，根據(jù)Chang Hao－Wei等［13］的研究表明，隨著齡期繼續(xù)增長，陰極區(qū)域土體的承載力將超過陽極區(qū)域，因為前期內(nèi)H＋遷移速度比OH－快，試樣整體呈酸性，在該階段內(nèi)，主要發(fā)生離子交換，化學沉淀沒有或者很少產(chǎn)生，因此軟土強度提高不大，此時在陰極附近產(chǎn)生OH－，并有少量Ca2＋沉淀，軟黏土強度有輕微提高；長期內(nèi)，由于Ca2＋在陰極的不斷聚集并反應生成氫氧化鈣，使陰極區(qū)域土體的強度將逐漸超過陽極區(qū)域土體的強度。

（2）從圖4～圖7均可以看出三組試驗土體通電停止7 d后土體表層的承載力均大于土體中層和土體底層。

（3）從圖7可以看出，并不是鹽溶液的濃度越高，電化學改性固結土體的效果越好，試驗3的鹽溶液濃度最大，為36%的CaCl2溶液，但土體的承載力卻最低，濃度最低的試驗1鹽溶液為16%的CaCl2溶液，土體的承載力卻大于試驗3，而處于兩者之間的試驗2，鹽溶液為26%的CaCl2溶液，土體承載力卻最高。說明在電化學試驗中，鹽溶液濃度存在上下界限。鹽類和酸類鹽溶液濃度大于0.001mol／L時，在較低電位梯度情況下就可以發(fā)生電滲脫水固結現(xiàn)象，但當鹽溶液濃度大于0.1mol／L時，會發(fā)生鹽溶液極化現(xiàn)象且電滲脫水現(xiàn)象會停止［14－16］。

（4）7 d齡期時，三組試驗土體的中間區(qū)域均會出現(xiàn)一個峰值點，也就是此處的承載力大于其兩端的土體。按曲線走向來看，曲線呈駝峰型。此現(xiàn)象解釋為注入的鈣離子向陰極移動，由于陰極水電解產(chǎn)生氫氣和氫氧根，鈣離子與氫氧根離子在中間區(qū)域相遇，首先生成氫氧化鈣，氫氧化鈣遇到二氧化碳后最終生成碳酸鈣沉淀，碳酸鈣與氫氧化鈣均對土體有膠結作用，所以每層土體中間區(qū)域加固后的承載力均大于其他區(qū)域。

5 結 論

本文以海相軟黏土為研究對象，通過3組室內(nèi)電化學改性固結試驗，得到結論如下：

（1）電化學改性固結海相軟黏土，效果良好，相比于普通電滲排水試驗，有效通電時間大大縮短，加固效率大幅提高。

（2）電化學改性固結試驗中的平均電流值與能耗值均隨著鹽溶液濃度的增大而增大。

（3）電化學改性固結試驗中，當外加直流電場停止電化學作用時，在黏土礦物中仍舊能夠持續(xù)發(fā)生二次礦物的結晶過程，而且新生成的二次礦物是不可逆轉(zhuǎn)的。

（4）電化學改性固結試驗后的土體承載力大大提高，試驗中發(fā)現(xiàn)，并不是鹽溶液的濃度越高承載力越高，電化學改性固結海相軟黏土試驗中鹽溶液的濃度存在上下界限。改性固結齡期7 d時，土體中間區(qū)域的承載力大于陽極區(qū)域和陰極區(qū)域，且三組試驗土體表層的承載力均大于土體中層和底層。

本文通過室內(nèi)電化學改性固結試驗得到了不同CaCl2鹽溶液濃度對加固后土體7 d齡期時承載力的影響，為實際工程提供了一定的參考，然而實際電化學工程中由于現(xiàn)場地質(zhì)條件復雜、土體處理范圍較大，邊界條件不同于室內(nèi)試驗等原因，與室內(nèi)電化學改性固結試驗條件存在一定的偏差，有待于今后現(xiàn)場試驗進行對比研究。

［1］ Preece E F，Barber E S.Geotechnics and Geotechnical Research［C］／／Highway Research Board Proceedings Dec.1948，27.

［2］ Begemann H K.The Influence of a Direct Current Potential on the Adhesion Between Clay andMetalObjects［C］／／Proc，1953：89－93.

［3］ Murayama S，Mise T.On the Electrochemical Consolidation of Soil Using Aluminium Electrodes［C］／／Proc.Third International Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering，1953：156－159.

［4］ Shukla K P.Electro－Chemical Treatment of Clays［C］／／Proc.3rd Conf.SoilMech.，Zurich，1953：199－202.

［5］ Wang N S，Vey E.Stresses in a Saturated SoilMass during Electro－Osmosis［C］／／Proceedings of the Third Int.Conf.on Soil Mechanics and Foundation Engineering Rotterdam，1953.

［6］ 曾國熙，高有潮.軟粘土中的電化學加固（初步試驗結果）［J］.浙江大學學報（工學版），1956，（2）：12－33.

［7］ 郭 印.海相軟黏土的固化及力學特性的研究［D］.杭州：浙江大學，2007.

［8］ 王寧偉，矯 軍，修彥吉，等.電極距對水平電滲排水影響的試驗研究［J］.巖土工程學報 ，2012，34（增刊）：177－181.

［9］ 李 瑛.軟黏土地基電滲固結試驗和理論研究［D］.杭州：浙江大學，2011.

［10］ 李 瑛，龔曉南.含鹽量對軟黏土電滲排水影響的試驗研究［J］.巖土工程學報，2011，33（8）：1254－1259.

［11］ 王寧偉，張 雷，修彥吉，等.非飽和黏性土電滲排水試驗［J］.工程力學 ，2013，30（增刊）：191－194.

［12］ Titkov N I，Petrov V P，Neretina A IA.Mineral Formation and Structure in the Electrochemical Induration of Weak Rocks［M］.New York：Consultants Bureau，1965.

［13］ Chang Haowei，Krishna PG，Chien SC，etal.Electro－osmotic chemical treatments：effects of Ca2＋concentration on themechanical strength and pH of kaolin［J］.Clays and Clay Minerals，2010，58（2）：154－163.

［14］ LockhartN C.Electroosmotic dewatering of clays.I.Influenceof voltage［J］.Colloidsand Surfaces.1983，6（3）：229－238.

［15］ LockhartNC.Electroosmotic dewateringof clays.II.Influenceof salt，acid and flocculants［J］.Colloids and Surfaces，1983，6（3）：239－251.

［16］ Lockhart N C.Electroosmotic dewatering of clays，III.Influence of clay type，exchangeable cations，and electrode materials［J］.Colloids and Surfaces，1983，6（3）：253－269.

Electrochemical Modification of Marine Soft Clay Consolidation Test

HAN Jian－h(huán)ui，WANGNing－wei，BAIXiao－h(huán)ang，WANG Song－ke，GAOWen－ju
（School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，Liaoning 110168，China）

The purposeof thisexperimentwas to explore the influenceon the softclaymodification consolidationwhen the claywas treated with the same solution in different concentrations through the electrochemicalmodification ofmarine soft clay consolidation tests.Themechanism of electrochemicalmodification consolidation ofmarine soft clay was analyzed，through three groupsof indoor tests，inwhich the variableswere the concentrationsof salt solution.Currentvariation regularity of electrochemicalmodified consolidation test and electroosmotic drainage testwere analysed and compared.According to the electrochemicalenergy formulaofmodified consolidation test，different concentrationsof saltsolution on the law of electrochemical energy consumptionwere analysed.In the final analysis，the influence on the ultimate bearing capacity of the soilmasswhich underwent the electrochemicalmodification ofmarine soft clay consolidation was analysed and explained.The results indicate that the power consumption value of electrochemicalmodification consolidation test was greatly reducted compared with the ordinary electroosmotic drainage experiment，due to shorter period of charging time.The ultimate bearing capacity of the soilmass is highestwhen injected concentration of 25% CaCl2solution；the bearing capacity of themiddle area is larger than other areas of the soilmass at 7 d age after the powercut.

electrochemical；salt solution；energy consumption；age；bearing capacity

TU411

A

1672—1144（2014）04—0009—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.002

2014－03－06

2014－03－31

韓艦輝（1989—），男 ，吉林白山人 ，碩士研究生 ，研究方向為軟土地基加固。