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

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、時間效應(yīng)明顯等特征，對工程建設(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，而電動化學(xué)軟基加固技術(shù)則具備工期短、成本相對不高等優(yōu)點(diǎn)，因此，電動化學(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)，通過對比研究試驗(yàn)前后土的各項(xiàng)參數(shù)，證明了電動化學(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)計了27個單元的對比試驗(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，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 個單元。選取其中相鄰的7 個單元的試驗(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，對這7個單元的總電流進(jìn)行了監(jiān)測，總電流隨時間變化如圖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。隨著通電時間的延長，從50～60 h時間段，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，對這7 個單元的累計出水量進(jìn)行了監(jiān)測，累計出水量隨時間變化如圖4 所示。圖4 中出水量的斜率即為出水速率?？梢钥闯?，總出水量隨時間變化逐漸增長，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，總出水量達(dá)到了32 200 L。這說明電動化學(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累計出水量增長不明顯，即出水量較少，16 h 以后累計出水量增長明顯，即出水速率明顯提高。隨著通電時間的延長，總出水量逐漸增大，在40 h、61 h、71 h、86 h、137 h 和155 h等時刻，出水速率有明顯提高，同時，從圖3中可以看出在這一時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)行電動化學(xué)加固前，對場地進(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)行電動化學(xué)加固后，再次對場地進(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比可以看出：電動化學(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。