电动化学加固技术在露天煤矿边坡治理中的应用探讨--中国期刊网

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电动化学加固技术在露天煤矿边坡治理中的应用探讨

发表时间：2021/5/27 来源：《基层建设》2021年第2期作者：王宁伟1 宋杨2

[导读] 摘要：露天煤矿边坡事故时有发生，部分边坡稳定性差或发生滑坡是由泥岩软化导致的，由于煤矿中大多数为沉积岩，沉积作用下泥岩通常以层状形式存在，泥岩具有遇水软化、渗透性差、亲水性强的特点，因此由泥岩引起的边坡稳定系数低的问题一般较难处理。

        沈阳建筑大学土木工程学院辽宁沈阳 110168
        摘要：露天煤矿边坡事故时有发生，部分边坡稳定性差或发生滑坡是由泥岩软化导致的，由于煤矿中大多数为沉积岩，沉积作用下泥岩通常以层状形式存在，泥岩具有遇水软化、渗透性差、亲水性强的特点，因此由泥岩引起的边坡稳定系数低的问题一般较难处理。电动化学加固技术是一种新型岩土工程治理技术，针对渗透性差的黏土具有独特优势，有着施工简单灵活、安全性高、对环境无污染、使土体处理时间大大减少等优点。随着时代的发展，电动化学加固技术被越来越多地应用到工程实际当中
        关键词：电动化学加固技术；露天煤矿；泥岩改性
        1引言
        随着我国快速发展以及对能源需求的不断增长，实际工程中的岩土工程问题不断涌现，例如露天煤矿中存在大量高边坡，其中避免不了出现边坡失稳导致的滑坡现象，在众多失稳案例中由泥岩遇水软化造成的不占少数，泥岩作为一种沉积岩在沉积作用下通常以层状处于边坡当中。其因成岩时间短，结构不完整导致存在遇水软化的特点，当泥岩受到地下水侵蚀、地表水渗入强度会迅速下降，夹层成为边坡滑动面，对边坡产生严重危害。解决这类问题的重点是改变泥岩含水率，一般矿区会注重排水工作，但在地下水的长期侵蚀下避免不了这类问题的出现。因此，从泥岩自身结构性质作为出发点进行治理边坡问题或成为一种更高效的治理手段。
        电动化学加固技术是近几年研究的一种新型的软土地基处理方法，通过与物理、化学、电学、岩土工程等学科的结合，对土体进行综合治理。电动化学加固技术分为电渗排水处理法和电渗化学处理法两种方法，其中电渗排水法是将阴阳两种电极分别插入土体的不同部位，然后再与已经调节好的稳压直流电源相连接，使其在阴阳两极之间形成一个稳定的电势场，在电势场的作用下，土壤中的水分会有方向性的发生移动，即从阳极移动到阴极，并从阴极排出。在该过程中，土体的内部结构产生变化，变得更加稳定，从而使土体产生压缩固结。电渗化学处理法是通过向土体中添加化学浆液，可以改善土体自身已有的结构特征，使其更加优化，从而迅速提高土壤强度。
        2国内外研究现状
        电渗现象的发现要追溯到1809年，是由前苏联科学家Reuss[1]发现于一次试验当中。经过100多年的发展不断有学者在电渗研究上做出重大贡献，这里我们不介绍电渗技术的发展，而是对电动化学加固技术的国内外发展加以介绍。
        1993年，Trushinskii在多项试验后发现经过电渗试验排水加固后的土体pH发生巨大变化，具体为阳极附近氢离子浓度上升pH值降低，呈酸性，阴极氢离子浓度降低pH升高呈碱性。且砂土地区加固效果差于软黏土，强度提高幅度较低[2]。2005年，Asavadorndeja针对pH变化对传统的电渗化学加固方法的影响进行研究，在多项试验研究后，结果表明，碱性环境下土体加固效果好过酸性和中性[3]。随后Asavadorndeja其将传统电渗加固法与碱性条件下电渗化学试验进行对比，试验结果表明，48小时后两组实验的土体不排水抗剪强度均提高1.7倍。168小时后，传统电渗加固法土体不排水抗剪强度基本未提高，而碱性条件下加固后提高5.7倍。说明去极化法的有效性[3]。Barker等将电渗与化学注浆结合，对地表下一米处的土体进行现场试验，在阴阳两极分别注入水玻璃与氯化钙溶液，结果表明阳极周围土体的孔隙水压力明显增加，pH值相应降低，而阴极处的pH值明显的增加。因阴极处孔隙水的作用抑制了水玻璃的注入，故转而从两极中间进行注浆，结果显示两极中间土体的塑限得到提升，阳极周边土体的塑限降低[4]。
        张皓为等探讨不同浓度的氯化钙溶液在不同通电条件下对软黏土加固的影响，结果表明，土体的强度与氯化钙溶液浓度和通电时间成正比。且盐溶液的注入在一定条件下，会产生化学沉淀，并伴随化学胶结物质的生成[5]。2010年，李宗华[6]为了达到电动化学加固范围突破以往研究结果的目的，通过向土体注入氯化钙溶液和水玻璃溶液研究发现，先注入氯化钙溶液，使阴极发生离子沉淀后再注入水玻璃溶液能显著扩大阴极与阳极间的加固范围。
        3电动化学加固原理
        介绍电动化学加固技术原理之前，必须先讨论双电层理论，因为双电层理论是电动化学加固技术的物理基础。众所周知，黏土颗粒带负电荷，水分子作为一种极性分子会吸引水中的阳离子形成水化阳离子，当其与土体中的水接触时，会将水中的水化阳离子以及正电性的极性分子吸附过来，形成电中性，叫做吸附层；未被吸附的其他水化阳离子会在这层之外呈现松散的状态，该层松散的水化膜叫做扩散层；这就是双电层理论，泥岩同样具有双电层性质。

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        电渗处理法处理土体的实质是利用电渗作用，使土体颗粒表面吸附能力不强的弱结合水以及土体颗粒孔隙之间大量存在的可自由移动的自由水排出土体外，由于电渗作用的定向性，其排出土体的方向也是固定的，即从阳极部位流向阴极部位且该方向不能逆转。电渗法其实是一个复杂的过程，包括水的电解、金属电极氧化还原现象、金属膨胀加密和胶结硬化等一系列复杂的物理化学变化的过程。
        传统的电渗法处理法排水固结效果有限，且加固过程时间过长。为了提高土体的处理效率，使处理后土体强度增加的同时，又使通电时间减少，通常会采用在土体中灌入相应化学浆液的方式，氯化钙浆液是一种最常用的浆液。由于化学浆液的加入，使得土体强度增加的原因有两个：一部分是由于电渗排水作用，使土体产生固结；另一部分是随着离子数量的增多，离子交换速率加快，胶结硬化作用加速，所生成的凝胶物质填充土壤的孔隙并胶结土壤，胶结之后的土体强度得到很大提升。钙离子与硅酸根离子在碱性条件下发生火山灰反应生成的凝胶物质水化硅酸钙（C-S-H），水化硅酸钙可填充在附近土壤孔隙中，将土壤颗粒胶结在一起，从而将土壤强度提高。火山灰反应在加固过程中起到重要作用，水化硅酸钙不仅可以提高土体强度，还能增强土体抗渗能力，而火山灰反应发生的条件是钙离子、硅酸根离子与碱性条件
        土体中的水在通电情况下电解产生大量的氢离子，氢离子浓度在阳极处提高，pH降低呈现酸性呈现酸性，而根据研究表明酸性条件下不利于加固，且与火山灰反应发生的条件相违背，因此在加固过程中应在阳极做去极化处理，可以加快反应的进程。
        4探讨
        因泥岩遇水软化造成的露天煤矿边坡失稳我们可从泥岩自身结构特性出发进行治理，由于泥岩中存在大量黏土类硅酸根离子，导致其亲水性强造成自身结构软弱性，而其作为渗透性差含水率高的一种岩性，我们可利用电动化学加固技术对其进行治理，对需要治理地区加以直流电场，将去极化金属阳离子加入土体与泥岩中黏土类硅酸根离子发生火山灰反应，为遇水软化的泥岩改性，增强其强度的同时提高泥岩的抗渗能力，从而在泥岩自身结构上改变边坡稳定性。
        下面探讨应用中存在的一些问题：
        1、为保证电动化学加固顺利进行，选择正确的电极材料与电解质溶液需要大量室内试验数据支持，试验应始终保持电极与加固地区之间具有良好的接触，电极吸附土体易造成加固效率下降；
        2、针对不同地区进行加固应采取不同电极布置方式、电压变化、电流控制区间等等；
        3、考虑到加固成本问题，电动化学加固技术的消耗包括电极、注浆溶液、电能消耗等等，随着工艺逐渐完善相信成本一定会有所下降。
        参考文献：
        [1]冶金工业部建筑研究总院主编.地基处理技术⑤基坑开挖与支护技术[M].冶金工业出版社，1993，第一版：407-420.
        [2]M.Yu.Trushinskii.Electrochemical Soil Stabilization Method[J].Soil Mechanics and Foundation Engineering，1993，30（2）：61-65.
        [3]Asavadorndeja.Electrokinetic strengthening of soft clay using the anode depolarization method [J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2005，64：237-245.
        [4] Barker J E，Rogers C D F，Boardman D I，et al.Electrokinetic stabilisation：an overview and case study[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Ground Improvement，2004，8（2）：47-58.
        [5]Chang，H.W.，Krishna，P.G.，Chien，S.C.，and Wang，M.K.Electro-Osmotic Chemical Treatments：Effects of Ca2+ Concentration on the Mechanical Strength and pH of Kaolin[J].Clays Clay Miner.2010，58（2）：154–163.
        [6]李宗华.电渗透化学灌浆对高岭土改良强度最佳化之研究[D].国立台湾科技大学硕士论文，台北，2010.