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(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

电动法加固软土地基是在土体中通以直流电，在电场作用下使土体排水固结，以提高土体强度的一种地基处理方法。电动法包括电渗法和电动化学注浆法。电渗法主要是以电渗排水固结为主；电动化学注浆法是在土体中注入化学浆液，对土体进行改性，从而提高土体强度和耐久性的一种加固方法。电动化学加固的主要原理是在电极附近注入浆液，浆液中的阳离子会随着电场从阳极向阴极移动，在土中发生一系列的化学反应生成胶体，从而胶结了土体。由于外加电场的作用，电动化学注浆方式往往能够达到定向注浆的效果，具有能够排出土壤中多余的水分、节约浆液材料、加固效果均匀等特点。但目前电动化学注浆加固法作为一种极具潜力的地基、路基处理方法其研究略显不足。

土中的电渗现象发现于1809年，Reuss通过向土体施加直流电，发现土中的孔隙水在电场作用下发生移动[1]；1939年，Casagrand[2]首次将电渗法应用到实际工程，他利用电渗处理某边坡挖方工程；Gassen等[3]在冻结土壤中开展了电渗试验；1973年，Lewis等[4]在已有研究的基础上，给出电渗固结方程的解析解。1993年，Trushinskii[5]通过电渗化学加固分别对砂土与软黏土进行试验，结果表明砂土地区的加固效果差于软黏土，强度提高幅度较低。2004年，Alshawabkeh等[6]对土体的物理、化学、力学指标等进行非线性分析，发现在直流电场作用下，注入离子后土体的不排水抗剪强度因土颗粒胶结而增大，且伴随土体的固结、隆起现象。2017年，Tang等[7]对大连海相土进行一系列电渗试验，评价了处理后土壤试样的含水率、抗剪强度等指标。

近年来，电动加固法与注浆的联合使用，使电动加固法的应用更具工程利用价值，不仅在短时间内能够提高土体强度，而且加固后的土体承载力分布相对比较均匀[8]。简绍绮[9]研究了电渗化学加固在地基处理方面的应用并讨论了注入盐溶液对电渗加固的影响。王宁伟等[10]通过自制电动注浆加固设备研究不同化学溶液对软土的改性加固效果。本文针对滨绥铁路地基中的软黏土，开展电动化学加固室内试验，对其效果和机理做进一步的研究。

1 电动化学注浆试验原理

在电渗过程中，土中的渗流包括电渗流和水力渗流。电渗流是由于电场力引起水的流动，而水力渗流则是由于水压力差引起的。相关试验证明，一种类型的渗流均能引起另一种类型的渗流，因此电渗过程是电渗流和水力渗流耦合作用的结果。Esrig等[11]根据电渗引起的电位差以及由土中水头压力差所引起流动可以叠加这一假定，推导出了单向度排水电渗流量qh公式为

式中：kh为水力渗透系数；γw为水的重度；u为孔隙水压力；x为沿渗透方向的距离；ke为电渗透系数；V为电位差。

电渗透系数和水力渗透系数影响着电渗排水以及注浆浆液流动过程。最早推导出电渗透系数的是Helmholtz-Smoluchowski理论，该理论通过多毛细孔模型证明了电渗透系数与土体的毛细管直径无关，仅仅与电渗过程中电位的大小以及孔隙率的大小有关。

电动化学注浆加固土体主要有2方面作用：

图1 离子迁移与盐的沉淀

图2 土颗粒胶结硬化过程原理示意

2 试验方案及方法

选取滨绥铁路冻胀严重的典型地段土样作为试验用土，进行电动化学注浆试验。通过注入不同化学浆液，观察试验后的结果和现象，分析电动化学注浆对该土样加固效果的影响。通过查明电流通电时间以及能耗量，确定电化学加固后承载力以及抗剪强度与含水率之间的变化关系。试验后通过排水量、电流、含水率以及土体承载力和土体抗剪强度之间的对比分析结果确定对土体的加固效果，解决病害问题。

2.1 试验土样

试验土样(如图3所示)共分3层，其中上层土为埋深0～0.4 m的粉质黏土，灰褐色，颗粒较小，土中有碎石块，初始含水率为15.4%；中层土为埋深0.4～1.0 m 的渣土，呈灰黑色，颗粒较大，初始含水率为17.4%；下层土为埋深1.0～1.5 m的黏土，呈黑色，颗粒中等，初始含水率为18.3%。

图3 不同埋深的试验土样

2.2 试验装置

试验装置由试验主体装置、稳压直流电源、测量仪器等构成。本次多电极电渗和电动化学注浆试验的试验装置如图4所示。

图4 试验装置立面示意

室内试验采用定制稳压直流电源，输出电压为0～100 V，输出电流为0～20 A。能够显示电压及瞬时电流数值，确保长时间连续通电和稳压输出，与此同时具有漏电保护功能。

量测仪器采用电流表、量筒、烘干箱以及微型贯入仪。1,2 A量程的电流表各3个，根据不同的试验组别选取不同量程的电流表，串联于电路中用以记录试验过程中瞬时电流的大小。50 mL量筒共10个，用以收集和测量每30 min电渗过程中阴极的排水量，在电动化学注浆试验中还用以量取相应浆液注入注浆管。烘干箱选用CJ-73型红外线快速干燥箱，用以烘干电渗后选取的试验土样以便计算含水率；贯入仪选用PS-MPT-A型的微型贯入仪，测量试验后土体表面的承载力，用以评判电渗或电动化学注浆试验对软土的加固效果。

2.3 试验步骤

按照SL 237—1999《土工试验规程》基本要求，进行电动化学注浆试验。试验步骤如下：

1)将原状土剔除砂石后进行烘干、筛分、磨细、加适量水调匀，配制成目标含水率的软土，静置48 h后清除表面积水。

2)制备砂槽。砂槽内采用中砂，用清水过滤掉灰尘、泥块等杂质，并将润湿后的中砂分层装填于砂槽中，边装填边用搅拌棒挤压密实。装填完毕后，在砂槽边缘放一层纱布用以隔绝试验土样。

3)将塑料箱表面润湿，试验土样分层均匀放置于试验箱中，确保其含水率均匀。

4)在排水孔处放置量筒，用以测量和记录电渗过程中所排出的水量。

5)将上述装置静置24 h，直至量筒中不再出现因重力作用从砂槽中滴落的水。

6)连接电路，设置电源电压。开始通电后，每隔30 min 测量1次电流和排水量；电动化学注浆试验按照试验要求每隔固定时间用量筒量取相应的浆液并注入相应的注浆管。

7)当每30 min的排水量为0时，试验结束，断开电源。

8)用微型贯入仪在电渗后的土体表面每隔2 cm处选取检测点进行承载力的测量和记录，注浆试验在一定的龄期后进行承载力的测量和记录。

9)按照试验要求取土样，采用烘干法测量含水率。称腐蚀后的阳极重量，计算电极腐蚀重量。

10)清理试验装置，分析数据。

3 试验结果分析

试验向上层和下层土体中分别注入浓度为30%的CaCl2溶液，电势差为30 V，采用微型触探仪测试电渗后岩土样的承载力。试验后对得出的试验数据进行分析，总结试验中各参数随时间的变化规律，通过计算得出能耗、排水量等参数的变化情况。

通电直至排水量不再增加时，即从试验的第6 h开始，每隔1 h注入10 mL浓度为30%的CaCl2溶液的方法来进行注浆；上层黏土、中层渣土、下层黏土的试验初始含水率分别为49%，26%，37%。由于在试验过程中，中层渣土采用另一种方式进行隔水处理，故在以下试验结果的分析中，未对其进行讨论。

图5 上下层黏土电流变化曲线

上下层黏土电流变化曲线见图5。可知，上层黏土试验的电流不大，在通电的前6 h(即注入CaCl2溶液前)，电流在0.06 A上下波动；注入CaCl2溶液后，电流逐渐增大，直至第12 h达到峰值，之后又迅速减小恢复初始电流。下层黏土在注入CaCl2溶液前，试验电流始终为0.06 A；注入CaCl2溶液后，电流迅速增大为原来的2倍，随着通电时间的增加，电流逐渐下降，直至试验结束。

上下层黏土的试验总排水量变化曲线见图6。可知，试验的排水量变化曲线大致走向与文献[10]的试验结果基本一致。在通电开始之后的一段时间内，排水量呈线性增加，加入CaCl2溶液之后排水量增加得更快，进入大量排水过程，直至试验结束。

图6 上下层黏土排水量变化曲线

上下层黏土能耗变化曲线见图7。可知，试验的能耗变化量基本随时间呈线性增加的趋势。

图7 上下层黏土能耗变化曲线

试验土样的初始承载力约为40 kPa。土体的表层强度定义为表层各测试点的强度平均值。试验后用微型触探仪对加固后的表层土体承载力进行分析。根据试验中电极的分布情况，将加固区域按阴阳极距离三等分，从阳极至L/3区域的土体定义为阳极区域，中间区域为L/3～2L/3，其余部分定义为阴极区域，L为阴、阳电极之间距离。试验后土体上层黏土不同龄期的承载力见表1。

表1 电动化学注浆加固后不同区域平均承载力 kPa

由表1可知，上层黏土3个区域的承载力随着龄期的增加都有明显提高，但在5 d龄期之后，土体的承载力几乎不再发生变化。阳极区域承载力提高主要由离子交换及土体含水率的降低引起，而阴极区域的承载力提高主要由钙离子沉淀及土壤胶结导致。

4 结论

1)上下层黏土的排水量不仅受土体含水率和电流的影响，还与土体的胶结程度有关。随着土体的胶结范围不断扩大，电流不断减小，排水速率不断降低。

2)CaCl2溶液中的Ca2+在电势梯度的作用下发生胶化作用，加固了阴极区域的土体。

3)根据电流的发展趋势，宜在电流衰减到L/3时结束试验或增加溶液，避免浪费。

4)电动化学注浆能够以较小的能耗有效地提升土体的承载力，并且随着龄期的增长，承载力不断提高。