Soft soil stabilisation by ionic injection under electric fields

Abstract

This paper describes a new method, called electro-grouting, to mechanically stabilise soils with low hydraulic conductivity (k) using ion migration induced by applied electric fields. The advantage of the new method is that it can increase soil shear strength with little or no associated volume change. In contrast to induced consolidation, electro-grouting does not rely on pore fluid movement but rather on the migration of charged grouting agent ions to improve strength and reduce water content. Using a clay with measured k = 2·6 × 10−7 cm/s, a two-phase experimental programme was carried out to investigate the method. In phase I, fundamental batch tests were performed on the base soil mixed with two ion amendments—nitric acid and phosphoric acid—of various concentrations. In phase II, the base soil was placed in special electro-grouting treatment cells, and a voltage gradient was used to induce nitrate or phosphate ion migration through the soil. The results show that, in the batch tests, shear strength increases of up to 560% of the soil's baseline strength can be achieved by adding the phosphoric acid, whereas little strength increase resulted from the nitric acid addition. In the bench-top electro-grouting tests, which are intended to imitate the field application of this method, shear strengths measured over the specimen length showed increases of 160% over that of the base soil, with little change in either water content or pH. Electro-grouting could be an effective in-situ ground improvement tool in soft soils, particularly where ground movements need to be minimised. Cet exposé décrit une nouvelle méthode, appelée électrocimentation, qui sert à stabiliser de manière mécanique les sols ayant une conductivité hydraulique (k) basse, en utilisant la migration ionique provoquée par l'application de champs électriques. Cette nouvelle méthode a un avantage: elle peut augmenter la résistance au cisaillement du sol sans aucun ou très peu de changement de volume. Contrairement à la consolidation induite, l'électro-cimentation n'utilise pas le mouvement du fluide de pores mais plutôt la migration des ions chargés des agents de cimentation pour améliorer la résistance et réduire la teneur en eau. Utilisant une argile avec k = 2·6 × 10−7 cm/s, nous avons effectuè un programme d'expérimentation en deux phases pour étudier cette méthode. Dans la phase I, nous avons mené des essais de lot fondamentaux sur le sol de base mélangé à deux amendements ioniques acide nitrique et acide phosphorique-dans diverses concentrations. Dans la phase II, nous avons placé le sol de base dans des cellules spéciales d'électro-cimentation et nous avons utilisè une tension montante pour induire la migration des ions de nitrate et de phosphore à travers le sol. Les résultats montrent que, dans les essais de lot, on peut obtenir une augmentation de jusqu'à 560% de la résistance de base du sol en ajoutant l'acide phosphorique alors qu'on n'obtient qu'une faible augmentation de la résistance avec l'adjonction de l'acide nitrique. Dans les essais d'électro-cimentation en laboratoire, qui ont pour but d'imiter l'application sur le terrain de cette méthode, les résistances au cisaillement mesurées sur la longueur du spécimen montraient des augmentations de 560% par rapport à celles du sol de base, avec peu de changement de la teneur en eau ou en pH. L'électro-cimentation pourrait ê tre un outil efficace d'amélioration des sols tendres insitu, notamment là où les mouvements du sol doivent être minimisés.