軟巖的電化學加固方法
2023-07-01 21:11:01
專利名稱：軟巖的電化學加固方法
技術領域：
本發明涉及巖體加固技術領域,它具體涉及一種軟巖的電化學加固方法，尤其適用於 遇水軟化和膨脹的軟巖工程巖體的加固，對於徹底解決軟巖工程中的加固難題具有重要 的實用價值。
背景技術：
巖土工程的巷道建設中，經常會遇到一種不良的巖體——軟巖。這種巖體往往含有 豐富的粘土礦物，通常為三大類高嶺石類，伊利石類和蒙脫石類。在三種石類中又以 蒙脫石類的性能最差，它是一種物理化學性質極端活i發的物質，它極易吸水膨脹，產生
膨脹應力使軟巖巷道產生大變形；且吸水後的巖石強度迅速降低，導致巖體失穩而坍塌，
造成安全事故，危機人身安全。
在工程中對軟巖巷道加固支護處理的方法通常有①錨噴加固通常對開挖的軟巖 巷道釆取噴射混凝土進行防水，通過錨杆、鋼筋網、型鋼以及混凝土來對圍巖進行加固， 從而達.到支護加固的目的；②U型鋼支架加固U型鋼架需根據軟巖的膨脹性特點來制 定，且支架需具有收縮性、有較高的初承力和支撐能力；③砌牆加固通常為在軟巖 巷道內貼近圍巖砌鋼筋混凝土牆來進行加固。
以上所述的加固方法只是從力的平衡角度來進行加固的，並未從改善軟巖本身的力 學特性和物理化學性質的角度來解決問題；此外，用上述方法進行加固往往只能維持一 段時間，如錨噴加固的防水作用並不能完全防水，水很容易滲進軟巖而使其發生膨脹， 強度降低，造成安全事故；因此採用上述加固的工程需要經常返修，返修量和費用都非 常大，而且對正常生產也會造成較大的影響。
因此，尋找出一種加固穩定、工作量小、費用低並且永久有效的加固方法就顯得非 常必要。軟巖的電化學加固法是一種新型的加固方法，其原理完全不同於砌牆支護和錨 杆加固等傳統的加固方法，傳統方法僅是以追求力的平衡為目標，而未改變軟巖的物質成分和結構，但力的平衡狀態極易由於軟巖的吸水膨脹和大變形而被打破誘發失穩，所 以具有很大的局限性，效果不好。
發明內容
本發明的目的是在於提供了一種軟巖的電化學加固方法。通過電化學的方法改變軟 巖的物質成分和結構，排除軟巖中的水分來改善軟巖的物理力學性能，從而從根本上解 決了軟巖工程巖體加固的問題。本發明的方法工藝簡單，費用低廉，且加固過程中對工 程的其它施工工序和工程的正常運行不造成任何影響。
本發明的方法是在軟巖中插入鐵質構件作為電極，並施加以直流電，軟巖中會發生 一系列的物理化學變化，軟巖的強度增加。其主要原理有下列三個方面
1、 膠結作用。軟巖中的鐵質電極上的鐵有一部分被轉化成鐵的氧化物，它是一種 膠結劑，可將軟巖中的鬆散顆粒膠結起來，從而提高軟巖的強度。(膠結劑一一此為鐵 的氧化物，作用與水泥的增強作用類似。)因此這種加固作用是在軟巖中增加了新的成 分——膠結劑。
鐵變成鐵的氧化物是由於下述反應
Fe-2e = Fe2+
iV+ + 2//20 = Fe(0//)2 + 2/T 2 + (92 + 27/20 = 3
同時，上述膠結作用還會使軟巖的孔隙率降低，從而降低軟巖的吸水性，達到提高 軟巖強度的力學指標的目的。
2、 電滲排水。由於直流電的作用，軟巖中的水向負極流動、聚集,聚集在負極上的 水可順負電極自動排洩或人工排洩，降低巖石含水量，從而使軟巖強度增加。
3、 電熱蒸發排水。軟巖巖體在直流電的作用下會發熱，使軟巖中的水分蒸發，降 低軟巖的含水量，使其強度提高。
一種軟巖的電化學加固方法，其步驟是
1、在軟巖中布置鐵質電極。鐵質電極的埋置深度和間距需根據軟巖的工程地質條 件和工程要求決定，埋置深度範圍為1~5米，間距為30cm 200cm。2、 根據軟巖的導電性和空間位置將鐵質電極按正、負極分組，在保證人員安全和 特定工程安全要求的條件下，要有足夠大的電流輸出。
3、 將正電極組、負電極組分別接入專用直流電源中，(專用電源電壓為0 - 200伏, 電流為0~ 400安，且都為連續可調)並施加適量的直流電流。
4、 當輸出電流降至最低時，即將軟巖中原為正電極的電極轉換成為負電極，而原 為負電極的電極轉換為正電極。繼續通電(持續時間為10-20天)，如此反覆，直至加 固結束'(軟巖加固使其強度達到工程使用要求)，停止通電。持續通電時間要視軟巖的 電學特性決定， 一般應持續通電10-20天。
本發明與現有技術相比，具有以下優點
1、 本發明可以通過改變軟巖的物質成分和結構，排除軟巖中的水分來增強軟巖的 物理力學性能，從而從根本上解決了軟巖工程巖體的加固的問題，並且本發明採用的方 法實施工藝簡單，費用低廉，加固過程中對工程的其他工序和工程的正常運行不造任何 成影響。
2、 加固過程中，不需要大型機械設備，便於在有限空間中施工，無噪音汙染。
3、 加固過程中，不需要通常的一些建築材料，如水泥，砂石等，因此無粉塵汙染。
4、 、本方法可使軟巖的強度提高50%~100%以上。
圖1為一種軟巖加固方法電極布置和接線示意圖。 圖2為另一種軟巖加固方法電極布置和接線示意圖。
其中1-電源(專用電源電壓為0~200伏，電流為0-400安，且都為連續可調), 2-電源正極，3-電源負極，4-導線，5-軟巖巷道圍巖，6-鐵質電極的接線部分(露 在圍巖以外的連接導線的部分)，7~23-.鐵質電極，I、 II、 III、 IV、 V-軟巖巷道的 I 、 II.、 III、 IV、 V斷面。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步對本發明作進一步詳細描述 一種電化學軟巖加固方法，其步驟是 1、在軟巖中布置鐵質電極鐵質電極7的埋置方式是垂直圍巖表面埋置，圖中所示為鐵質電極7的埋置方法。 鐵質電極7的埋置深度和間距需根據軟巖的工程地質條件和工程要求決定，埋置深度為 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，鐵質電極7的埋置間距(I和 II斷面間距，n和in斷面以及後面的相鄰斷面的間距以及兩電極的間距)為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，鐵質電極7在埋置 時應注意留0.05或0.15部分6在軟巖巖體外部，便於連接導線4。2、根據軟巖的導電性和空間位置將鐵質電極按正、負極分組參照附圖對鐵電極的正、負極分組有兩種方法，方法(一)為如圖1中所示。鐵質電極7垂直軟巖巷道表面埋置在軟巖巷道中， 圖1中I 、 III、 V巷道斷面中所有的鐵質電極7與導線4相接至電源正極2，而圖中II、 IV斷面中所有鐵質電極的接線部分6應與導線4相接至電源負極3。接通電源l後，電 源1通過導線4和鐵質電極7與軟巖形成閉合電路。圖1中只取巷道的斷面I 、 II、 III、 IV、 V作為例子，即V斷面後一個斷面的鐵質電極7應與電源負極3相接，以此類推。 電源1為專用直流電源(專用電源電壓為0-200伏，電流為0-400安，且都為連續可 調)，電源正極2、電源負極3， 二者都可導線4焊接。導線4與鐵質電極7的接線部分 6相接，方式為焊接或導線繞接或用螺栓固定連接。方法(二)為如圖2中所示。7-23分別為巷道斷面I上布置的鐵質電極，鐵質 電極垂直軟巖巷道表面埋置在軟巖巷道中。以斷面I為例，鐵質電質7、 9、 11、 13、 15、17、 19、 21、 23號電極通過導線4與電源正極2相接，而鐵質電質8、 10、 12、 14、 16、18、 20、 22號電極則通過導線4與電源負極3相接，接線方式都為焊接或導線繞接或螺 栓固定連接。巷道斷面II、 III、 IV、 V上的鐵質電極布置接線方法與斷面I上的布置接 線相同。巷道斷面II、 III、 IV、 V中與巷道斷面I中相對應的電極相連，且接電源正或 負極相同。電源1為專用直流電源(專用電源電壓為0-200伏，電流為0-400安，且 都為連續可調)，電源正極2、電源負極3， 二者都可導線焊接。導線4與鐵質電極的接 線部分6相接，方式為焊接或導線繞接或用螺栓固定連接。電極在接線以及通電過程中 應當保證工作人員不觸電，或在安全電壓(一般為36V)以下工作；以及特定工程安全 要求的條件下(避免產生跨步電流，採用絕緣鞋以及其它保護措施)，要有足夠大的電 流輸出。方法(一)與方法(二)的區別在於，方法(一)是一個巷道橫斷面中所有的鐵質 電極與電源的正極或負極相連，方法(二)是一個巷道橫斷面中的鐵質電極與電源正負6極錯開相連接，且所有巷道橫斷面中鐵質電極位置相對應的電極可以相連接，且與電源 正負極連接相同。二者都能作為軟巖巷道加固電極連接方法。3、 將正電極組、負電極組分別接入專用直流電源(為特定電源)中，並施加0-400 安培的直流電流。4、 當輸出電流降至不能再降時，即將軟巖中原為正電極的電極改變成為負電極， 而原為負電極的電極變為正電極。繼續通電(持續時間為10~20天)，如此反覆，直至 加固結東，停止通電。持續通電時間要視軟巖的電學特性決定， 一般應持續通電10-20 天。
權利要求
1、一種軟巖的電化學加固方法，其步驟是A、在軟巖中布置鐵質電極(7)，鐵質電極(7)的埋置深度和間距需根據軟巖的工程地質條件和工程要求決定，埋置深度範圍為1～5米，間距為30cm～200cm；B、根據軟巖的導電性和空間位置將鐵質電極(7)按正、負極分組，在人員安全和工程安全的條件下，有電流輸出；C、將正電極組、負電極組分別接入專用直流電源中，施加直流電流，所述的專用電源電壓為0～200伏，電流為0～400安，且都為連續可調；D、當輸出電流降低時，軟巖中原為正電極的電極轉換成為負電極，原為負電極的電極轉換為正電極，繼續通電，如此反覆，直至加固結束，停止通電，持續通電時間為10～20天。
全文摘要
本發明公開了一種軟巖的電化學加固方法，其步驟是A.在軟巖中布置鐵質電極；B.根據軟巖的導電性和空間位置將鐵質電極按正、負極分組；C.將正電極組、負電極組分別接入專用直流電源中，施加直流電流；D.當輸出電流降低時，軟巖中原為正電極的電極轉換成為負電極，原為負電極的電極轉換為正電極，繼續通電，如此反覆，直至加固結束，停止通電。本發明可通過改變軟巖的物質成分和結構以及排除軟巖中的水分來增強軟巖的物理力學性能，從而從根本上的解決軟巖工程巖體的加固問題。與現行的其他軟巖加固方法相比，該方法實施工藝簡單，費用極低，加固過程中對工程的其他施工工序和工程的正常運行基本上不造成影響。
文檔編號E21D11/00GK101319612SQ200810048489
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月23日 優先權日2008年7月23日
發明者馮夏庭, 輝 周, 凱 張, 房敬年, 鑫 楊, 程昌炳 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所