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        電動(dòng)化學(xué)軟基處理技術(shù)在珠三角地區(qū)應(yīng)用研究

        2022-12-19 08:11:04孫海峰王寧偉甘展孜羅躍春童佳榮王茜琳
        廣東土木與建筑 2022年11期
        關(guān)鍵詞:化學(xué)

        孫海峰,王寧偉,甘展孜,羅躍春,童佳榮,王茜琳

        (廣東省珠海工程勘察院 廣東珠海 519000)

        0 引言

        我國粵港澳大灣區(qū)、長三角、環(huán)渤海灣等地區(qū)廣泛分布著軟土,軟土具有承載力低、變形大、時(shí)間效應(yīng)明顯等特征,對(duì)工程建設(shè)非常不利,必須采取處理措施。目前,軟基處理的主要方法有真空預(yù)壓法、攪拌樁法和吹填砂法等。但這些方法存在工期長或成本高等問題,而電動(dòng)化學(xué)軟基加固技術(shù)則具備工期短、成本相對(duì)不高等優(yōu)點(diǎn),因此,電動(dòng)化學(xué)軟基處理技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。

        1807 年,由REUSS 首次發(fā)現(xiàn)土體中的電滲現(xiàn)象。ESRIG等人[1-4]系統(tǒng)研究了電滲技術(shù)基礎(chǔ)理論,建立了電滲技術(shù)的一維和二維理論模型。CURVES 等人[5-8]應(yīng)用數(shù)值模擬方法系統(tǒng)分析了電滲處理淤泥過程,李瑛等人[9-13]開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn),系統(tǒng)研究影響電滲加固軟土效果的各種因素。近些年,王寧偉等人[14-16]為了進(jìn)一步縮短通電時(shí)間,提高加固后土體強(qiáng)度,開展了一系列的試驗(yàn)研究,得到了較好的加固效果。但是,目前國內(nèi)外的研究主要停留在室內(nèi)試驗(yàn)研究階段,開展大型現(xiàn)場原位試驗(yàn)的研究還很少,對(duì)于工程應(yīng)用的指導(dǎo)意義不強(qiáng)。因此,在珠三角重要的節(jié)點(diǎn)城市珠海市進(jìn)行了大型現(xiàn)場試驗(yàn),通過對(duì)比研究試驗(yàn)前后土的各項(xiàng)參數(shù),證明了電動(dòng)化學(xué)軟基加固技術(shù)在珠三角地區(qū)應(yīng)用的可行性。

        1 試驗(yàn)方案

        1.1 試驗(yàn)場地的選擇

        試驗(yàn)場地選擇在珠海市斗門區(qū)某空曠場地,場地平面尺寸為108 m×60 m,場地進(jìn)行簡單的平整,加固深度分別為6 m和12 m,試驗(yàn)場地如圖1所示。

        圖1 試驗(yàn)場地Fig.1 The Test Site

        本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了27個(gè)單元的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)前,在場地不同位置進(jìn)行勘察鉆孔,并提取巖芯進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn),確定場地地層初始參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)不同位置進(jìn)行鉆探取芯,測試場地地層加固后參數(shù)。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備

        ①電極管,直徑50 mm,長6 m 的鋼管(架子管)若干根;②電焊機(jī)1臺(tái),用于加工電極;③電纜線若干,用于連接電極;④挖掘機(jī),挖設(shè)排水溝、平整場地、壓入電極;⑤電子秤;⑥注漿設(shè)備1 套(含攪漿筒、注漿泵、注漿管);⑦量杯。

        1.3 試驗(yàn)過程

        通電采用自制電源,恒壓模式,電壓40 V,連續(xù)通電,每24 h 停機(jī)保養(yǎng)2 h,總通電時(shí)間165 h;灌漿材料為20%濃度的CaCl2溶液。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        本次試驗(yàn)場地面積為1 080 m2,總加固面積為521.5 m2,共分為27 個(gè)單元。選取其中相鄰的7 個(gè)單元的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,加固面積118.5 m2,加固深度為6 m,電極布置示意圖如圖2所示。

        圖2 電極布置示意圖Fig.2 Map of Electrode Arrangement

        2.1 電流分析

        試驗(yàn)過程中,對(duì)這7個(gè)單元的總電流進(jìn)行了監(jiān)測,總電流隨時(shí)間變化如圖3所示。由圖3可知,通電開始后電流逐漸增長,在16 h位置處電流增長速率明顯提高,這是由于在16 h向電極注入了CaCl2溶液。隨著通電時(shí)間的延長,從50~60 h時(shí)間段,電流開始有了明顯的下降,因此,在61 h再次向電極注入CaCl2溶液,電流再次有了明顯的提高。同樣,在通電71 h,向電極注入了CaCl2溶液,電流又一次有了明顯的提高。這是因?yàn)镃aCl2溶液的注入,增加了電場作用下可移動(dòng)離子的總量,提高了介質(zhì)的電導(dǎo)率,因此,電流得到了明顯的提高。

        圖3 電流隨通電時(shí)間變化Fig.3 The Variation of Current with Power-on Time

        2.2 出水量分析

        試驗(yàn)過程中,對(duì)這7 個(gè)單元的累計(jì)出水量進(jìn)行了監(jiān)測,累計(jì)出水量隨時(shí)間變化如圖4 所示。圖4 中出水量的斜率即為出水速率。可以看出,總出水量隨時(shí)間變化逐漸增長,但在100 h以后,出水總量增長速率有了明顯的減慢。到通電結(jié)束時(shí),總出水量達(dá)到了32 200 L。這說明電動(dòng)化學(xué)技術(shù)可有效排出土中水,降低土的含水率。

        圖4 出水量隨通電時(shí)間變化Fig.4 Variation of Water Discharge with Time

        另外,從圖4中可以看出:前16 h累計(jì)出水量增長不明顯,即出水量較少,16 h 以后累計(jì)出水量增長明顯,即出水速率明顯提高。隨著通電時(shí)間的延長,總出水量逐漸增大,在40 h、61 h、71 h、86 h、137 h 和155 h等時(shí)刻,出水速率有明顯提高,同時(shí),從圖3中可以看出在這一時(shí)刻由于向電極注入了CaCl2溶液,電流增大,這說明電流增大可以有效提高出水速率。

        從圖4中也可以看出:雖然CaCl2溶液的注入可以有效提高出水速率,但隨著通電時(shí)間的延長,CaCl2溶液的注入使出水速率的提高幅度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

        2.3 參數(shù)分析

        土體加固前后參數(shù)如表1 所示??梢钥闯觯杭庸糖昂笸馏w的含水率有了明顯的下降,從加固前的65%下降至50%,下降幅度為23.1%;土體的凝聚力c由加固前的5.8 kPa 提高到6.9 kPa,提高幅度為19%;土體內(nèi)摩擦角φ由2.7°提高到5.1°,提高幅度為88.9%。土體的分類也從淤泥變?yōu)榱擞倌噘|(zhì)土。這說明通過電動(dòng)化學(xué)技術(shù)加固后,土體的物理性質(zhì)有了明顯的改善。

        表1 土體加固前后參數(shù)對(duì)照Tab.1 Parameters before and afterElectro-chemical Reinforcement

        2.4 宏觀現(xiàn)象分析

        場地進(jìn)行電動(dòng)化學(xué)加固前,對(duì)場地進(jìn)行了開挖,開挖現(xiàn)場效果如圖5?所示。加固前,當(dāng)挖掘機(jī)開挖至1 m深以后,由于土的物理性質(zhì)較差,出現(xiàn)一邊開挖坑壁一邊塌落的現(xiàn)象,并且在坑周較大范圍內(nèi)出現(xiàn)大量地表裂縫。場地進(jìn)行電動(dòng)化學(xué)加固后,再次對(duì)場地進(jìn)行了開挖,開挖現(xiàn)場效果如圖5?所示。加固后,挖掘機(jī)可以對(duì)場地進(jìn)行開挖至4.2 m,并且坑壁直立、不倒塌,實(shí)際情況是可以繼續(xù)垂直向下挖,但受挖掘機(jī)臂長限制,沒有繼續(xù)開挖。從場地加固前后開挖效果對(duì)比可以看出:電動(dòng)化學(xué)技術(shù)已經(jīng)有效地改善了土的宏觀物理狀態(tài)。

        圖5 電動(dòng)化學(xué)加固前、后土體宏觀狀態(tài)Fig.5 State of Soil before and after Electric Chemical Strengthening

        3 結(jié)論

        本文介紹了在珠海市進(jìn)行的大型軟基電動(dòng)化學(xué)加固技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn),通過研究試驗(yàn)過程中電參數(shù)、出水量數(shù)據(jù)和對(duì)比試驗(yàn)前后土的各項(xiàng)參數(shù)以及開挖過程中土的狀態(tài),得到以下主要結(jié)論:

        ⑴電動(dòng)化學(xué)軟基加固技術(shù)可以大量排出土中的水。并且,CaCl2溶液的注入,增加了電場作用下可移動(dòng)離子的總量,提高了介質(zhì)的電導(dǎo)率,可以明顯提高排水速率。

        ⑵雖然CaCl2溶液的注入可以有效提高出水速率,但隨著通電時(shí)間的延長,出水速率的提高幅度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

        ⑶電動(dòng)化學(xué)技術(shù)可以有效改善土的各項(xiàng)物理參數(shù)和宏觀物理狀態(tài),可以有效加固軟土地基。

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