CN101319612B

CN101319612B - 软岩的电化学加固方法

Info

Publication number: CN101319612B
Application number: CN2008100484894A
Authority: CN
Inventors: 周辉; 程昌炳; 杨鑫; 房敬年; 张凯; 冯夏庭
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: CN101319612A

Abstract

本发明公开了一种软岩的电化学加固方法，其步骤是：A、在软岩中布置铁质电极；B、根据软岩的导电性和空间位置将铁质电极按正、负极分组；C、将正电极组、负电极组分别接入专用直流电源中，施加直流电流；D、当输出电流降低时，软岩中原为正电极的电极转换成为负电极，原为负电极的电极转换为正电极，继续通电，如此反复，直至加固结束，停止通电。本发明可通过改变软岩的物质成分和结构以及排除软岩中的水分来增强软岩的物理力学性能，从而从根本上的解决软岩工程岩体的加固问题。与现行的其他软岩加固方法相比，该方法实施工艺简单，费用极低，加固过程中对工程的其他施工工序和工程的正常运行基本上不造成影响。

Description

软岩的电化学加固方法

技术领域

本发明涉及岩体加固技术领域，它具体涉及一种软岩的电化学加固方法，尤其适用于遇水软化和膨胀的软岩工程岩体的加固，对于彻底解决软岩工程中的加固难题具有重要的实用价值。

背景技术

岩土工程的巷道建设中，经常会遇到一种不良的岩体——软岩。这种岩体往往含有丰富的粘土矿物，通常为三大类：高岭石类，伊利石类和蒙脱石类。在三种石类中又以蒙脱石类的性能最差，它是一种物理化学性质极端活泼的物质，它极易吸水膨胀，产生膨胀应力使软岩巷道产生大变形；且吸水后的岩石强度迅速降低，导致岩体失稳而坍塌，造成安全事故，危机人身安全。

在工程中对软岩巷道加固支护处理的方法通常有：①锚喷加固：通常对开挖的软岩巷道采取喷射混凝土进行防水，通过锚杆、钢筋网、型钢以及混凝土来对围岩进行加固，从而达到支护加固的目的；②U型钢支架加固：U型钢架需根据软岩的膨胀性特点来制定，且支架需具有收缩性、有较高的初承力和支撑能力；③砌墙加固：通常为在软岩巷道内贴近围岩砌钢筋混凝土墙来进行加固。

以上所述的加固方法只是从力的平衡角度来进行加固的，并未从改善软岩本身的力学特性和物理化学性质的角度来解决问题；此外，用上述方法进行加固往往只能维持一段时间，如锚喷加固的防水作用并不能完全防水，水很容易渗进软岩而使其发生膨胀，强度降低，造成安全事故；因此采用上述加固的工程需要经常返修，返修量和费用都非常大，而且对正常生产也会造成较大的影响。

因此，寻找出一种加固稳定、工作量小、费用低并且永久有效的加固方法就显得非常必要。软岩的电化学加固法是一种新型的加固方法，其原理完全不同于砌墙支护和锚杆加固等传统的加固方法，传统方法仅是以追求力的平衡为目标，而未改变软岩的物质成分和结构，但力的平衡状态极易由于软岩的吸水膨胀和大变形而被打破诱发失稳，所以具有很大的局限性，效果不好。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种软岩的电化学加固方法。通过电化学的方法改变软岩的物质成分和结构，排除软岩中的水分来改善软岩的物理力学性能，从而从根本上解决了软岩工程岩体加固的问题。本发明的方法工艺简单，费用低廉，且加固过程中对工程的其它施工工序和工程的正常运行不造成任何影响。

本发明的方法是在软岩中插入铁质构件作为电极，并施加以直流电，软岩中会发生一系列的物理化学变化，软岩的强度增加。其主要原理有下列三个方面：

1、胶结作用。软岩中的铁质电极上的铁有一部分被转化成铁的氧化物，它是一种胶结剂，可将软岩中的松散颗粒胶结起来，从而提高软岩的强度。(胶结剂——此为铁的氧化物，作用与水泥的增强作用类似。)因此这种加固作用是在软岩中增加了新的成分——胶结剂。

铁变成铁的氧化物是由于下述反应：

Fe-2e＝Fe²⁺

Fe²⁺+2H₂O＝Fe(OH)₂+2H⁺

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O＝4Fe(OH)₃

2Fe(OH)₃＝Fe₂O₃+3H₂O

同时，上述胶结作用还会使软岩的孔隙率降低，从而降低软岩的吸水性，达到提高软岩强度的力学指标的目的。

2、电渗排水。由于直流电的作用，软岩中的水向负极流动、聚集，聚集在负极上的水可顺负电极自动排泄或人工排泄，降低岩石含水量，从而使软岩强度增加。

3、电热蒸发排水。软岩岩体在直流电的作用下会发热，使软岩中的水分蒸发，降低软岩的含水量，使其强度提高。

一种软岩的电化学加固方法，其步骤是：

1、在软岩中布置铁质电极。铁质电极的埋置深度和间距需根据软岩的工程地质条件和工程要求决定，埋置深度范围为1～5米，间距为30cm～200cm。

2、根据软岩的导电性和空间位置将铁质电极按正、负极分组，在保证人员安全和特定工程安全要求的条件下，要有足够大的电流输出。

3、将正电极组、负电极组分别接入专用直流电源中，(专用电源电压为0～200伏，电流为0～400安，且都为连续可调)并施加适量的直流电流。

4、当输出电流降至最低时，即将软岩中原为正电极的电极转换成为负电极，而原为负电极的电极转换为正电极。继续通电(持续时间为10～20天)，如此反复，直至加固结束(软岩加固使其强度达到工程使用要求)，停止通电。持续通电时间要视软岩的电学特性决定，一般应持续通电10～20天。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明可以通过改变软岩的物质成分和结构，排除软岩中的水分来增强软岩的物理力学性能，从而从根本上解决了软岩工程岩体的加固的问题，并且本发明采用的方法实施工艺简单，费用低廉，加固过程中对工程的其他工序和工程的正常运行不造任何成影响。

2、加固过程中，不需要大型机械设备，便于在有限空间中施工，无噪音污染。

3、加固过程中，不需要通常的一些建筑材料，如：水泥，砂石等，因此无粉尘污染。

4.、本方法可使软岩的强度提高50％～100％以上。

附图说明

图1为一种软岩加固方法电极布置和接线示意图。

图2为另一种软岩加固方法电极布置和接线示意图。

其中：1-电源(专用电源电压为0～200伏，电流为0～400安，且都为连续可调)，2-电源正极，3-电源负极，4-导线，5-软岩巷道围岩，6-铁质电极的接线部分(露在围岩以外的连接导线的部分)，7～23-.铁质电极，I、II、III、IV、V-软岩巷道的I、II、III、IV、V断面。

具体实施方式

下面结合附图进一步对本发明作进一步详细描述

一种电化学软岩加固方法，其步骤是：

1、在软岩中布置铁质电极：

铁质电极7的埋置方式是垂直围岩表面埋置，图中所示为铁质电极7的埋置方法。铁质电极7的埋置深度和间距需根据软岩的工程地质条件和工程要求决定，埋置深度为1米或1.5或2.0或2.5或3.0或3.5或4.0或4.5或5米，铁质电极7的埋置间距(I和II断面间距，II和III断面以及后面的相邻断面的间距以及两电极的间距)为0.3或0.5或0.8或1.0或1.2或1.5或1.8或2.0或2.3或2.5或2.8或3.0米，铁质电极7在埋置时应注意留0.05或0.15部分6在软岩岩体外部，便于连接导线4。

2、根据软岩的导电性和空间位置将铁质电极按正、负极分组：

参照附图对铁电极的正、负极分组有两种方法，

方法(一)为：如图1中所示。铁质电极7垂直软岩巷道表面埋置在软岩巷道中，图1中I、III、V巷道断面中所有的铁质电极7与导线4相接至电源正极2，而图中II、IV断面中所有铁质电极的接线部分6应与导线4相接至电源负极3。接通电源1后，电源1通过导线4和铁质电极7与软岩形成闭合电路。图1中只取巷道的断面I、II、III、IV、V作为例子，即V断面后一个断面的铁质电极7应与电源负极3相接，以此类推。电源1为专用直流电源(专用电源电压为0～200伏，电流为0～400安，且都为连续可调)，电源正极2、电源负极3，二者都可导线4焊接。导线4与铁质电极7的接线部分6相接，方式为焊接或导线绕接或用螺栓固定连接。

方法(二)为：如图2中所示。7～23分别为巷道断面I上布置的铁质电极，铁质电极垂直软岩巷道表面埋置在软岩巷道中。以断面I为例，铁质电质7、9、11、13、15、17、19、21、23号电极通过导线4与电源正极2相接，而铁质电质8、10、12、14、16、18、20、22号电极则通过导线4与电源负极3相接，接线方式都为焊接或导线绕接或螺栓固定连接。巷道断面II、III、IV、V上的铁质电极布置接线方法与断面I上的布置接线相同。巷道断面II、III、IV、V中与巷道断面I中相对应的电极相连，且接电源正或负极相同。电源1为专用直流电源(专用电源电压为0～200伏，电流为0～400安，且都为连续可调)，电源正极2、电源负极3，二者都可导线焊接。导线4与铁质电极的接线部分6相接，方式为焊接或导线绕接或用螺栓固定连接。电极在接线以及通电过程中应当保证工作人员不触电，或在安全电压(一般为36V)以下工作；以及特定工程安全要求的条件下(避免产生跨步电流，采用绝缘鞋以及其它保护措施)，要有足够大的电流输出。

方法(一)与方法(二)的区别在于，方法(一)是一个巷道横断面中所有的铁质电极与电源的正极或负极相连，方法(二)是一个巷道横断面中的铁质电极与电源正负极错开相连接，且所有巷道横断面中铁质电极位置相对应的电极可以相连接，且与电源正负极连接相同。二者都能作为软岩巷道加固电极连接方法。

3、将正电极组、负电极组分别接入专用直流电源(为特定电源)中，并施加0～400安培的直流电流。

4、当输出电流降至不能再降时，即将软岩中原为正电极的电极改变成为负电极，而原为负电极的电极变为正电极。继续通电(持续时间为10～20天)，如此反复，直至加固结束，停止通电。持续通电时间要视软岩的电学特性决定，一般应持续通电10～20天。

Claims

1. 一种软岩的电化学加固方法，其步骤是：

A、在软岩中布置铁质电极(7)，铁质电极(7)的埋置深度和间距需根据软岩的工程地质条件和工程要求决定，埋置深度范围为1～5米，间距为30cm～200cm；

B、根据软岩的导电性和空间位置将铁质电极(7)按正、负极分组，在人员安全和工程安全的条件下，有电流输出；

C、将正电极组、负电极组分别接入专用直流电源中，施加直流电流，所述的专用电源电压为0～200伏，电流为0～400安，且都为连续可调；

D、当输出电流降低时，软岩中原为正电极的电极转换成为负电极，原为负电极的电极转换为正电极，继续通电，如此反复，直至加固结束，停止通电，持续通电时间为10～20天。