劉飛禹， 周 杰， 王 軍， 李玲玉

(1. 上海大學(xué)土木工程系，上海 200444；2. 溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

隨著沿海城市的不斷擴張，現(xiàn)存的土地資源已經(jīng)不能滿足城市可持續(xù)發(fā)展的需要，海涂圍墾由此在沿海地區(qū)盛行。吹填淤泥是海涂圍墾的主要填充材料，具有高黏粒、高含水量、高壓縮性，低十字板抗剪強度、低固結(jié)系數(shù)和低滲透性的特性[1]. 土體的特性導(dǎo)致在地基處理時，真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓等傳統(tǒng)的地基加固方式，存在加固周期長、深層土體加固效果差、工后沉降大等問題，難以達到預(yù)期的加固效果。土體的電滲透系數(shù)與水力滲透系數(shù)無關(guān)[2]，因此電滲法在處理淤泥軟土地基時具有天然的優(yōu)勢。

電滲法在處理過程中由于土體含水量的變化會在電極附近以及土體中部產(chǎn)生大量的裂縫[3]，使得土體與電極間的界面電阻及土體電阻增大，并且伴隨著土體電滲透系數(shù)的降低，存在處理后期能耗高等問題，只在少量的實際工程中被應(yīng)用[4-5]。1969 年，Gray[6]提出的電滲注漿方法能夠有效降低土體含水量，減少電滲能耗。Burnotte等[7]通過在陽極注入化學(xué)溶液來增強土體與鐵質(zhì)電極的接觸，室內(nèi)和現(xiàn)場的試驗結(jié)果都證實該方法能有效減小損失在陽極接觸面上的電勢。相似的，Lefebvre等[8]通過在電極與土壤之間注入鹽溶液，有效降低了界面電阻，明顯提升了加固效果。處理高嶺土?xí)r，Ozkan等[9]在電極處注入含有硝酸鹽和鋁離子的溶液，結(jié)果顯示試樣的十字板抗剪強度相比初始值提高了5～6 倍。Asavadorndeja等[10]發(fā)現(xiàn)，采用電滲注漿的土體加固過程存在復(fù)雜的加固機理，不僅是土體固結(jié)的緣故，還因為土體內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，例如離子交換、化學(xué)膠結(jié)等因素。此外，Ou等[11]向電滲電極管中注入一定濃度鹽溶液來改進界面接觸特性，并通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生凝膠體來加固土體。研究人員發(fā)現(xiàn)，在電極處先注入CaCl2溶液，隨后注入Na2SiO3溶液可以更有效地加固土體[12-14]。綜上所述，目前已有的研究僅針對在電滲過程中向陽極或陰極注入化學(xué)試劑，即加固效果的提升只局限于陽極或陰極區(qū)域[15-16]，并未對土樣中部的裂縫進行處理，也未提及灌漿頻率對電滲的影響。Olaniyan等[17]的研究表明，在土體中摻入NaOH 溶液后，土體內(nèi)硅酸鹽和鋁酸鹽會與其發(fā)生反應(yīng)，生成黏結(jié)物質(zhì)，在該種物質(zhì)作用下土顆粒膠結(jié)，可以有效增加土體強度。因此，本工作采用在土樣中部裂縫處灌注濃度為1.5%的NaOH 溶液，并設(shè)計了5 個采取不同灌漿頻率的對照組，研究不同裂縫灌漿頻率對電滲效果的影響。

1 試驗過程

1.1 土樣基本參數(shù)

試驗采用的土樣取自溫州“甌飛”圍海造田工程的吹填現(xiàn)場。試驗前將吹填淤泥烘干、粉碎、攪拌，配成重塑土樣。土樣的基本參數(shù)如表1 所示。采樣土體的含水量高于液限，呈流塑狀態(tài)。

表1 土體基本參數(shù)Table 1 Summary of soil properties

1.2 試驗裝置

圖1 為試驗采用的室內(nèi)一維電滲固結(jié)試驗裝置示意圖。裝置主要由有機玻璃制成，主體分為試驗槽（中部）和集水槽（兩邊）兩部分。試驗槽和集水槽由下部開口的有機玻璃隔板分隔開，在集水槽底部中央分別開有兩個直徑為1 cm 的出水口。中部試驗槽尺寸（長×寬×高）為205 mm×100 mm×95 mm。試驗中陽極采用鐵質(zhì)板式電極，陰極電極板在陽極板的基礎(chǔ)上鉆孔，這樣便于排出試驗中產(chǎn)生的氣體，減少由于氣體沖擊而導(dǎo)致土樣的流失[18]。電極板尺寸（長×寬×厚度）均為130 mm×100 mm×5 mm。另外，在陰極鉆孔電極板內(nèi)側(cè)平貼一層濾布作為反濾層。

圖1 一維電滲固結(jié)試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 試驗方案

試驗電源采用GW SPD-3606，20 V 穩(wěn)定電壓(電勢梯度為1.00 V/cm)，選用質(zhì)量分數(shù)為1.5%的NaOH 溶液作為裂縫灌漿溶液，具體試驗方案見表2。本工作設(shè)置了5 個對照組，每組的初始土體質(zhì)量相同，含水量均為74%。由于試驗中使用的模型盒、電極材料均相同，并且采用的土樣為重新配置含水量的重塑土，在試驗過程中裂縫產(chǎn)生的時間、形態(tài)、位置等均相似，因此試驗結(jié)果的差異可以看作是由于灌漿頻率不同而造成的。在試驗開始前，進行一組不灌漿的試驗(T0)，以確定初始灌漿時間。T0在第3 小時時土體中部開始出現(xiàn)裂縫，因此本工作設(shè)置初始灌漿時間為試驗第3 小時，結(jié)束時間為第15 小時，總灌漿時間為12 h，總試驗時長為26 h。選取4 種灌漿頻率，分別為每1、2、3、4 h 小時進行一次灌漿，以及一組不灌漿的試驗T0，通過對比分析研究裂縫灌漿頻率對電滲的影響并確定最優(yōu)灌漿頻率。

表2 試驗方案Table 2 Experimental programs

1.4 試驗過程

在裝樣前預(yù)先在試驗糟內(nèi)壁放置一層薄膜，方便試驗后取出完整土樣。在陰極放置附有過濾網(wǎng)的鉆孔電極板，附有過濾網(wǎng)的一側(cè)朝外；陽極放置鐵質(zhì)電極板。分4 次裝填土樣，在確保土體無氣泡、密實后再裝入下一層。裝樣結(jié)束后，將電極通過導(dǎo)線連接至直流電源，保持穩(wěn)定電壓20 V。在集水槽下方放置塑料杯，接通電源，開始電滲排水試驗。試驗過程中，前期每隔20 min 記錄一次電流、出水量，在第3 小時起每隔1 h 記錄一次。試驗結(jié)束后，對處理后的土體進行含水量和十字板剪切強度測試。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 排水量和排水速率

電滲排水量與通電時間的關(guān)系如圖2 所示。從整體上看，總排水量隨通電時間的延長而不斷增大，但是排水速率越來越小；在試驗后期排水量逐漸減少，直至趨于平緩，累積排水量基本不變。在試驗前期(＜3 h)，試驗組的排水量基本相同。在試驗3 h 時開始第一次灌漿，可以觀察到排水量在第4 小時時出現(xiàn)驟增。試驗結(jié)束時，T0～T4的最終排水量分別為103.72、214.05、195.93、181.29和155.14 g，T1 的總排水量最多。由于每組灌入的溶液總量不一，為比較各組試樣的有效排水量，定義實際排水質(zhì)量為

式中：ms為試驗得到的實際排水質(zhì)量；mc為試驗測得的排水質(zhì)量；mg為試驗中灌入土體中溶液的質(zhì)量。

圖2 土體排水量與時間的關(guān)系Fig.2 Mass of extracted water versus time

圖3為計算得到的實際排水量。由于T1 灌漿最為頻繁，共灌入130 g NaOH 溶液，實際排水量最少（除T0 外），僅為94.85 g。T2～T4 的實際排水量分別比T1 增加了32.77%、38.42%和21.39%。這是由于T1 中頻繁灌入的NaOH 溶液在土體中不斷形成難溶物，試驗初期排水速率較大時，難溶物可隨著水排出，但后期土體固結(jié)和難溶物堆積，排水速率不斷減小，土體內(nèi)的水難以從陰極排出[12]。由此可見，頻繁的灌漿并不能增加有效排水量，每3 h 灌漿一次時可達到最大的有效排水量。

圖4 為試驗過程中排水速率隨時間的變化曲線。在試驗的前3 h，試樣排水速率基本相同。試驗第3 小時時開始灌漿，除T0 外，其余試驗組第4 小時的排水速率均大幅增大。同時可見，每次灌漿后的下一小時的排水速率均會發(fā)生較大的增大。而未灌漿的試驗組T0，在3 h 后排水速率逐漸下降，并且最早達到排水穩(wěn)定。在T1 中，試驗的前10 h 排水速率均大于10 g/h，即土體能有效地排出加入的NaOH 溶液，但在11 h 后，T1 的排水速率小于10 g/h，此后往裂縫中灌入的溶液并不能被土體完全排出，并且隨著土體固結(jié)、土體內(nèi)難溶物的堆積和排水通道的堵塞[12]，排水速率越來越小，滯留在土體內(nèi)的NaOH 溶液越來越多。這說明在試驗前期，灌漿可以有效提高電滲出水速率，排出比注入溶液體量更多的水，但在電滲后期，由于土體的固結(jié)，排水速率已經(jīng)小于10 g/h，此時頻繁的灌漿會使灌入的溶液滯留在土體中。

圖3 實際排水量Fig.3 Effective mass of extracted water

圖4 排水速率變化Fig.4 Evolution of drainage rate

2.2 表面沉降

圖5為試驗第3 小時和第26 小時時各組試驗中距離陰極1、6、12、18 cm 處的土體表面沉降量?？梢钥吹剑涸谠囼? h 時，各組的沉降量相近；在試驗第26 h 時，陰極附近T0～T4 的沉降量相近，但隨著遠離陰極的方向沉降逐漸增加，在陽極附近存在拐點，沉降量減小。這是由于在電泳力的作用下，土顆粒聚集在陽極附近[19]，并使陽極附近的土體微微隆起。T0～T4在第26 小時時的平均沉降分別為4.49、4.79、5.16、5.60和5.31 mm，其中T3 的平均沉降最大，其后依次是T4 和T2，T1 的平均沉降最小，但比未灌漿（T0）大。表面沉降與有效排水量的規(guī)律相同，說明試驗存在最優(yōu)灌漿頻率，采用這個頻率時可以有效增加土體沉降。若灌漿頻率過大，灌入的NaOH 溶液在土體中生成越來越多的難溶物質(zhì)，不能被及時排出，導(dǎo)致排水通道堵塞和陰極處的水不能排出，使土體沉降減??；若頻率過小，土體裂縫開展過大，灌入的溶液并不能起到明顯作用。

圖5 表面沉降變化Fig.5 Evolution of surface settlement

2.3 電流強度

圖6為電流強度隨時間的變化?？梢钥闯觯娏鲝姸染S著電滲的進行呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。電滲前期的電流增大與土體成分的非均勻分布有關(guān)。在穩(wěn)定電壓的施加下，土體中不斷形成新的導(dǎo)電路徑，使土體中電流增大[20]。隨后，在持續(xù)的電壓作用下，陽極區(qū)自由水不斷往陰極移動，形成硬殼層，增大了土體的界面電阻。另外，由于聚集在陰極處的水不斷排出，土體電阻隨之不斷增大，導(dǎo)致電流降低[21]。試驗第三小時時開始第一次灌漿，可以觀察到試驗組的電流強度驟增。這是因為灌注的NaOH 溶液與土體中的硅酸鹽和鋁酸鹽反應(yīng)[17]，一定程度上彌合了土體的裂縫，增加了土體中的導(dǎo)電離子，減小了電阻，使得電流產(chǎn)生較大增長。由于土體不斷排水固結(jié)，每次灌漿后土體的最大電流均小于上一次灌漿后的最大電流。在5 個試驗組中，T1 的電流下降最為平緩，并且電流趨于穩(wěn)定最遲，隨后依次為T2、T3、T4和T0，說明頻繁的灌漿可以有效緩解電流下降趨勢，延長通電時間。在試驗結(jié)束時，試驗組的電流都趨于穩(wěn)定。

圖6 電流隨時間的變化Fig.6 Evolution of current with time

2.4 有效排水能耗

為比較各組土樣的電滲能耗，定義有效排水能耗為

式中：ms為電滲有效排水的質(zhì)量，即總排水量減去灌入的溶液質(zhì)量；E為試驗的總電滲能耗，

其中V為電勢，It為t1至t2時間內(nèi)土體在t時刻的電流。

經(jīng)計算，T0～T4 的總電滲能耗分別為10.66、18.49、15.66、13.82和12.83 kWh。可以看出，頻繁的灌漿會使電滲的總能耗增長明顯。這是因為頻繁的灌漿不僅會使電流維持在較大的值，而且能延長電滲的通電時間。各組試驗的有效排水能耗如圖7 所示，其中T1 的有效排水能耗最大，隨后是T4，T2 和T0，T3 的有效排水能耗最少。盡管T4 的總電滲能耗較小，但其有效排水量也小，綜合考慮的情況下有效排水能耗會大于T3。同理，雖然T0 的通電時間較短、總能耗較小，但是其有效排水量是最少的，因此T0 的有效排水能耗會較大。比較分析可得，當(dāng)灌漿頻率為3 h/次時，試驗的有效排水量最大，同時有效排水能耗最低。

2.5 電極腐蝕

電滲效果不理想，原因之一是電滲過程中陽極會被嚴重腐蝕。在鐵質(zhì)陽極附近發(fā)生的電極反應(yīng)主要包括電解水和電極氧化還原反應(yīng)[18]：

在陰極處的電化學(xué)反應(yīng)主要為

從上述電化學(xué)反應(yīng)可以看到，在電滲的過程中，陰極附近會產(chǎn)生氫氣和氫氧根離子。在電極表面產(chǎn)生的氣泡會增加土體與電極間的界面電阻，降低了電滲的效率[22]。

圖7 有效排水能耗Fig.7 Effective energy consumption of drainage

圖8 為試驗后電極減少的質(zhì)量?？梢钥吹剑琓1 的電極腐蝕最嚴重，而T0 的電極腐蝕最少，其他試驗組的電極腐蝕量在這兩組之間?？偟膩碚f，灌漿越頻繁，電極腐蝕量也越大。這可能是由于頻繁的灌漿會使電流維持在一個較大的值，并且能延長通電時間，而較大的電流和長時間通電會使電極腐蝕變嚴重[23]。因此，灌漿越頻繁，電極腐蝕越嚴重。

圖8 試驗后電極減少的質(zhì)量Fig.8 Reduction in weight of anodes after the tests

2.6 土體含水量

試驗結(jié)束后研究電滲對土體含水量的影響，在距離土體表面0、5 和10 cm 處各取3 個測點，結(jié)果如圖9 所示。總體來看，各試驗組的含水量變化趨勢均相同。含水量在豎向沿著深度的增加而增加（見圖9（a）），這個現(xiàn)象與許多室內(nèi)試驗反應(yīng)一致[24]。這一方面是源于反濾層在陰極底部的滲透性較小，另一方面跟土體表面土體水分的蒸發(fā)有關(guān)。水平方向上各試樣的含水量均表現(xiàn)為陰極處最高，且隨著遠離陰極的方向含水量逐漸降低，在陽極處的含水量達到最低（見圖9（b））。這是由于土體內(nèi)的自由水和一部分的弱結(jié)合水在電滲力作用下往陰極移動，而土顆粒在電泳力作用下往陽極移動[9]。

圖9 電滲加固后的土體含水量Fig.9 Distribution of water content after soil improvementr

整體來說，T3 的平均含水量最小，為46.50%；其次是T2 和T4，分別為47.68%和48.69%；而T1 的平均含水量在4 個裂縫灌漿試驗組中最大，為50.12%；但比T0(51.13%)低。這與有效排水量的規(guī)律相同，表明試驗中存在最優(yōu)灌漿頻率，其中3 h/次灌漿時可以有效減少土體含水量。若灌漿頻率過大，NaOH 溶液會在土體中生成越來越多的難溶物，令排水通道受阻，使得試驗后期灌入的溶液不能被土體排出，導(dǎo)致土體含水量增大；若頻率過小，土體裂縫開展過大，灌入的溶液并不能有效減少土體電阻，因此也無法有效減少土體含水量。

2.7 十字板抗剪強度

在距離陰極2、10、18 cm 處和距離土體表面0、5 和10 cm 處各取9 個點，試驗結(jié)束后采用微型十字板剪切儀進行土體抗剪強度測試，測試結(jié)果如圖10 所示。在水平向，不同組的抗剪強度分布差異出現(xiàn)在土體的中間部分，而陰極、陽極附近的土體抗剪強度差異較?。ㄒ妶D10(a)）。從圖中看到，T0 和T4 的不排水抗剪強度分布規(guī)律和水平向上含水量的分布規(guī)律相對應(yīng)，呈現(xiàn)陰極處抗剪強度最低，沿著遠離陰極的方向，抗剪強度逐漸增大，在陽極處達到最大值。但T1、T2 和T3 最大的抗剪強度出現(xiàn)在土樣中部，陽極部分的土體抗剪強度略小于中部，與試驗后水平向上含水量的分布規(guī)律無法對應(yīng)。這是由于在試驗中采取在土樣中部裂縫處灌漿，灌注的NaOH 溶液在裂縫處與土體中的硅酸鹽和鋁酸鹽發(fā)生反應(yīng)，生成黏結(jié)物質(zhì)，在該種物質(zhì)作用下土顆粒膠結(jié)，增加了土體的抗剪強度[17]。

在豎向上，土體的抗剪強度的變化規(guī)律和含水量變化規(guī)律類似，表面的十字板抗剪強度最高，沿著土體的深度增加而減少（見圖10(b)）。這主要是由于沿深度，含水量的增加導(dǎo)致土體的抗剪強度減少。

從整體上看，T3 的平均十字板抗剪強度最高，為20.45 kPa；T1和T2 組的效果差別不大；T4 的抗剪強度最低，但比未灌漿的T0(13.89 kPa)高?？梢钥闯觯囼灤嬖谧顑?yōu)灌漿頻率，其中3 h/次灌漿可以有效增大土體抗剪強度。若灌漿頻率過大，灌入的溶液不能被土體排出，導(dǎo)致土體含水量增大，但加入的溶液會產(chǎn)生化學(xué)膠結(jié)，一定程度上增加了土體抗剪強度；若頻率過小，由于土體開裂過大，灌入的溶液不能有效減小土體電阻、增加土體抗剪強度。

圖10 土體加固后的十字板抗剪強度Fig.10 Distribution of vane shear strength after soil improvement

3 結(jié)束語

本工作探究了裂縫灌漿頻率在電滲處理淤泥軟土加固效果中的影響，設(shè)計了4 組不同灌漿頻率的對照組，分別為1、2、3和4 h/次，在電滲進行到第3 小時時同時啟動，在第15 小時時同時停止灌漿?；谠囼灲Y(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論。

(1) 試驗中存在最佳灌漿頻率，當(dāng)裂縫灌漿頻率在3 h/次時，可以有效減少土體含水量，增大土體抗剪強度，減少電滲有效排水能耗；當(dāng)裂縫灌漿頻率大于3 h/次時，頻率越大，能耗越大、有效出水量越少、土體含水量越高，土體加固效果不理想；當(dāng)裂縫灌漿頻率小于3 h/次時，提高灌漿頻率并不能有效提升電滲的加固效果。

(2) 裂縫灌漿可以使土體電流重新回升，但是回升的電流會小于上一次灌漿的最大電流。灌漿越頻繁，電流下降的越慢，可以有效延長通電時間，但同時電極的腐蝕量會越大。

(3) 加固后土體含水量在豎向沿土體深度遞增，水平方向上在陰極處最高，隨著遠離陰極方向遞減，在陽極處最低。十字板剪切強度在豎向隨著土體深度的增加而減小，在水平方向，由于土體中部裂縫灌漿產(chǎn)生的化學(xué)膠結(jié)作用，土體的十字板剪切強度在土樣中部最高，陽極處略低于中部，陰極處最低。