刘飞禹， 周 杰， 王 军， 李玲玉

(1. 上海大学土木工程系，上海 200444；2. 温州大学建筑工程学院，浙江 温州 325035)

随着沿海城市的不断扩张，现存的土地资源已经不能满足城市可持续发展的需要，海涂围垦由此在沿海地区盛行。吹填淤泥是海涂围垦的主要填充材料，具有高黏粒、高含水量、高压缩性，低十字板抗剪强度、低固结系数和低渗透性的特性[1]. 土体的特性导致在地基处理时，真空预压、堆载预压等传统的地基加固方式，存在加固周期长、深层土体加固效果差、工后沉降大等问题，难以达到预期的加固效果。土体的电渗透系数与水力渗透系数无关[2]，因此电渗法在处理淤泥软土地基时具有天然的优势。

电渗法在处理过程中由于土体含水量的变化会在电极附近以及土体中部产生大量的裂缝[3]，使得土体与电极间的界面电阻及土体电阻增大，并且伴随着土体电渗透系数的降低，存在处理后期能耗高等问题，只在少量的实际工程中被应用[4-5]。1969 年，Gray[6]提出的电渗注浆方法能够有效降低土体含水量，减少电渗能耗。Burnotte等[7]通过在阳极注入化学溶液来增强土体与铁质电极的接触，室内和现场的试验结果都证实该方法能有效减小损失在阳极接触面上的电势。相似的，Lefebvre等[8]通过在电极与土壤之间注入盐溶液，有效降低了界面电阻，明显提升了加固效果。处理高岭土时，Ozkan等[9]在电极处注入含有硝酸盐和铝离子的溶液，结果显示试样的十字板抗剪强度相比初始值提高了5～6 倍。Asavadorndeja等[10]发现，采用电渗注浆的土体加固过程存在复杂的加固机理，不仅是土体固结的缘故，还因为土体内发生的化学反应，例如离子交换、化学胶结等因素。此外，Ou等[11]向电渗电极管中注入一定浓度盐溶液来改进界面接触特性，并通过电化学反应产生凝胶体来加固土体。研究人员发现，在电极处先注入CaCl2溶液，随后注入Na2SiO3溶液可以更有效地加固土体[12-14]。综上所述，目前已有的研究仅针对在电渗过程中向阳极或阴极注入化学试剂，即加固效果的提升只局限于阳极或阴极区域[15-16]，并未对土样中部的裂缝进行处理，也未提及灌浆频率对电渗的影响。Olaniyan等[17]的研究表明，在土体中掺入NaOH 溶液后，土体内硅酸盐和铝酸盐会与其发生反应，生成黏结物质，在该种物质作用下土颗粒胶结，可以有效增加土体强度。因此，本工作采用在土样中部裂缝处灌注浓度为1.5%的NaOH 溶液，并设计了5 个采取不同灌浆频率的对照组，研究不同裂缝灌浆频率对电渗效果的影响。

1 试验过程

1.1 土样基本参数

试验采用的土样取自温州“瓯飞”围海造田工程的吹填现场。试验前将吹填淤泥烘干、粉碎、搅拌，配成重塑土样。土样的基本参数如表1 所示。采样土体的含水量高于液限，呈流塑状态。

表1 土体基本参数Table 1 Summary of soil properties

1.2 试验装置

图1 为试验采用的室内一维电渗固结试验装置示意图。装置主要由有机玻璃制成，主体分为试验槽（中部）和集水槽（两边）两部分。试验槽和集水槽由下部开口的有机玻璃隔板分隔开，在集水槽底部中央分别开有两个直径为1 cm 的出水口。中部试验槽尺寸（长×宽×高）为205 mm×100 mm×95 mm。试验中阳极采用铁质板式电极，阴极电极板在阳极板的基础上钻孔，这样便于排出试验中产生的气体，减少由于气体冲击而导致土样的流失[18]。电极板尺寸（长×宽×厚度）均为130 mm×100 mm×5 mm。另外，在阴极钻孔电极板内侧平贴一层滤布作为反滤层。

图1 一维电渗固结试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 试验方案

试验电源采用GW SPD-3606，20 V 稳定电压(电势梯度为1.00 V/cm)，选用质量分数为1.5%的NaOH 溶液作为裂缝灌浆溶液，具体试验方案见表2。本工作设置了5 个对照组，每组的初始土体质量相同，含水量均为74%。由于试验中使用的模型盒、电极材料均相同，并且采用的土样为重新配置含水量的重塑土，在试验过程中裂缝产生的时间、形态、位置等均相似，因此试验结果的差异可以看作是由于灌浆频率不同而造成的。在试验开始前，进行一组不灌浆的试验(T0)，以确定初始灌浆时间。T0在第3 小时时土体中部开始出现裂缝，因此本工作设置初始灌浆时间为试验第3 小时，结束时间为第15 小时，总灌浆时间为12 h，总试验时长为26 h。选取4 种灌浆频率，分别为每1、2、3、4 h 小时进行一次灌浆，以及一组不灌浆的试验T0，通过对比分析研究裂缝灌浆频率对电渗的影响并确定最优灌浆频率。

表2 试验方案Table 2 Experimental programs

1.4 试验过程

在装样前预先在试验糟内壁放置一层薄膜，方便试验后取出完整土样。在阴极放置附有过滤网的钻孔电极板，附有过滤网的一侧朝外；阳极放置铁质电极板。分4 次装填土样，在确保土体无气泡、密实后再装入下一层。装样结束后，将电极通过导线连接至直流电源，保持稳定电压20 V。在集水槽下方放置塑料杯，接通电源，开始电渗排水试验。试验过程中，前期每隔20 min 记录一次电流、出水量，在第3 小时起每隔1 h 记录一次。试验结束后，对处理后的土体进行含水量和十字板剪切强度测试。

2 试验结果及分析

2.1 排水量和排水速率

电渗排水量与通电时间的关系如图2 所示。从整体上看，总排水量随通电时间的延长而不断增大，但是排水速率越来越小；在试验后期排水量逐渐减少，直至趋于平缓，累积排水量基本不变。在试验前期(＜3 h)，试验组的排水量基本相同。在试验3 h 时开始第一次灌浆，可以观察到排水量在第4 小时时出现骤增。试验结束时，T0～T4的最终排水量分别为103.72、214.05、195.93、181.29和155.14 g，T1 的总排水量最多。由于每组灌入的溶液总量不一，为比较各组试样的有效排水量，定义实际排水质量为

式中：ms为试验得到的实际排水质量；mc为试验测得的排水质量；mg为试验中灌入土体中溶液的质量。

图2 土体排水量与时间的关系Fig.2 Mass of extracted water versus time

图3为计算得到的实际排水量。由于T1 灌浆最为频繁，共灌入130 g NaOH 溶液，实际排水量最少（除T0 外），仅为94.85 g。T2～T4 的实际排水量分别比T1 增加了32.77%、38.42%和21.39%。这是由于T1 中频繁灌入的NaOH 溶液在土体中不断形成难溶物，试验初期排水速率较大时，难溶物可随着水排出，但后期土体固结和难溶物堆积，排水速率不断减小，土体内的水难以从阴极排出[12]。由此可见，频繁的灌浆并不能增加有效排水量，每3 h 灌浆一次时可达到最大的有效排水量。

图4 为试验过程中排水速率随时间的变化曲线。在试验的前3 h，试样排水速率基本相同。试验第3 小时时开始灌浆，除T0 外，其余试验组第4 小时的排水速率均大幅增大。同时可见，每次灌浆后的下一小时的排水速率均会发生较大的增大。而未灌浆的试验组T0，在3 h 后排水速率逐渐下降，并且最早达到排水稳定。在T1 中，试验的前10 h 排水速率均大于10 g/h，即土体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，此后往裂缝中灌入的溶液并不能被土体完全排出，并且随着土体固结、土体内难溶物的堆积和排水通道的堵塞[12]，排水速率越来越小，滞留在土体内的NaOH 溶液越来越多。这说明在试验前期，灌浆可以有效提高电渗出水速率，排出比注入溶液体量更多的水，但在电渗后期，由于土体的固结，排水速率已经小于10 g/h，此时频繁的灌浆会使灌入的溶液滞留在土体中。

图3 实际排水量Fig.3 Effective mass of extracted water

图4 排水速率变化Fig.4 Evolution of drainage rate

2.2 表面沉降

图5为试验第3 小时和第26 小时时各组试验中距离阴极1、6、12、18 cm 处的土体表面沉降量。可以看到：在试验3 h 时，各组的沉降量相近；在试验第26 h 时，阴极附近T0～T4 的沉降量相近，但随着远离阴极的方向沉降逐渐增加，在阳极附近存在拐点，沉降量减小。这是由于在电泳力的作用下，土颗粒聚集在阳极附近[19]，并使阳极附近的土体微微隆起。T0～T4在第26 小时时的平均沉降分别为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，但比未灌浆（T0）大。表面沉降与有效排水量的规律相同，说明试验存在最优灌浆频率，采用这个频率时可以有效增加土体沉降。若灌浆频率过大，灌入的NaOH 溶液在土体中生成越来越多的难溶物质，不能被及时排出，导致排水通道堵塞和阴极处的水不能排出，使土体沉降减小；若频率过小，土体裂缝开展过大，灌入的溶液并不能起到明显作用。

图5 表面沉降变化Fig.5 Evolution of surface settlement

2.3 电流强度

图6为电流强度随时间的变化。可以看出，电流强度均随着电渗的进行呈现先增大后减小的变化趋势。电渗前期的电流增大与土体成分的非均匀分布有关。在稳定电压的施加下，土体中不断形成新的导电路径，使土体中电流增大[20]。随后，在持续的电压作用下，阳极区自由水不断往阴极移动，形成硬壳层，增大了土体的界面电阻。另外，由于聚集在阴极处的水不断排出，土体电阻随之不断增大，导致电流降低[21]。试验第三小时时开始第一次灌浆，可以观察到试验组的电流强度骤增。这是因为灌注的NaOH 溶液与土体中的硅酸盐和铝酸盐反应[17]，一定程度上弥合了土体的裂缝，增加了土体中的导电离子，减小了电阻，使得电流产生较大增长。由于土体不断排水固结，每次灌浆后土体的最大电流均小于上一次灌浆后的最大电流。在5 个试验组中，T1 的电流下降最为平缓，并且电流趋于稳定最迟，随后依次为T2、T3、T4和T0，说明频繁的灌浆可以有效缓解电流下降趋势，延长通电时间。在试验结束时，试验组的电流都趋于稳定。

图6 电流随时间的变化Fig.6 Evolution of current with time

2.4 有效排水能耗

为比较各组土样的电渗能耗，定义有效排水能耗为

式中：ms为电渗有效排水的质量，即总排水量减去灌入的溶液质量；E为试验的总电渗能耗，

其中V为电势，It为t1至t2时间内土体在t时刻的电流。

经计算，T0～T4 的总电渗能耗分别为10.66、18.49、15.66、13.82和12.83 kWh。可以看出，频繁的灌浆会使电渗的总能耗增长明显。这是因为频繁的灌浆不仅会使电流维持在较大的值，而且能延长电渗的通电时间。各组试验的有效排水能耗如图7 所示，其中T1 的有效排水能耗最大，随后是T4，T2 和T0，T3 的有效排水能耗最少。尽管T4 的总电渗能耗较小，但其有效排水量也小，综合考虑的情况下有效排水能耗会大于T3。同理，虽然T0 的通电时间较短、总能耗较小，但是其有效排水量是最少的，因此T0 的有效排水能耗会较大。比较分析可得，当灌浆频率为3 h/次时，试验的有效排水量最大，同时有效排水能耗最低。

2.5 电极腐蚀

电渗效果不理想，原因之一是电渗过程中阳极会被严重腐蚀。在铁质阳极附近发生的电极反应主要包括电解水和电极氧化还原反应[18]：

在阴极处的电化学反应主要为

从上述电化学反应可以看到，在电渗的过程中，阴极附近会产生氢气和氢氧根离子。在电极表面产生的气泡会增加土体与电极间的界面电阻，降低了电渗的效率[22]。

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

图8 为试验后电极减少的质量。可以看到，T1 的电极腐蚀最严重，而T0 的电极腐蚀最少，其他试验组的电极腐蚀量在这两组之间。总的来说，灌浆越频繁，电极腐蚀量也越大。这可能是由于频繁的灌浆会使电流维持在一个较大的值，并且能延长通电时间，而较大的电流和长时间通电会使电极腐蚀变严重[23]。因此，灌浆越频繁，电极腐蚀越严重。

图8 试验后电极减少的质量Fig.8 Reduction in weight of anodes after the tests

2.6 土体含水量

试验结束后研究电渗对土体含水量的影响，在距离土体表面0、5 和10 cm 处各取3 个测点，结果如图9 所示。总体来看，各试验组的含水量变化趋势均相同。含水量在竖向沿着深度的增加而增加（见图9（a）），这个现象与许多室内试验反应一致[24]。这一方面是源于反滤层在阴极底部的渗透性较小，另一方面跟土体表面土体水分的蒸发有关。水平方向上各试样的含水量均表现为阴极处最高，且随着远离阴极的方向含水量逐渐降低，在阳极处的含水量达到最低（见图9（b））。这是由于土体内的自由水和一部分的弱结合水在电渗力作用下往阴极移动，而土颗粒在电泳力作用下往阳极移动[9]。

图9 电渗加固后的土体含水量Fig.9 Distribution of water content after soil improvementr

整体来说，T3 的平均含水量最小，为46.50%；其次是T2 和T4，分别为47.68%和48.69%；而T1 的平均含水量在4 个裂缝灌浆试验组中最大，为50.12%；但比T0(51.13%)低。这与有效排水量的规律相同，表明试验中存在最优灌浆频率，其中3 h/次灌浆时可以有效减少土体含水量。若灌浆频率过大，NaOH 溶液会在土体中生成越来越多的难溶物，令排水通道受阻，使得试验后期灌入的溶液不能被土体排出，导致土体含水量增大；若频率过小，土体裂缝开展过大，灌入的溶液并不能有效减少土体电阻，因此也无法有效减少土体含水量。

2.7 十字板抗剪强度

在距离阴极2、10、18 cm 处和距离土体表面0、5 和10 cm 处各取9 个点，试验结束后采用微型十字板剪切仪进行土体抗剪强度测试，测试结果如图10 所示。在水平向，不同组的抗剪强度分布差异出现在土体的中间部分，而阴极、阳极附近的土体抗剪强度差异较小（见图10(a)）。从图中看到，T0 和T4 的不排水抗剪强度分布规律和水平向上含水量的分布规律相对应，呈现阴极处抗剪强度最低，沿着远离阴极的方向，抗剪强度逐渐增大，在阳极处达到最大值。但T1、T2 和T3 最大的抗剪强度出现在土样中部，阳极部分的土体抗剪强度略小于中部，与试验后水平向上含水量的分布规律无法对应。这是由于在试验中采取在土样中部裂缝处灌浆，灌注的NaOH 溶液在裂缝处与土体中的硅酸盐和铝酸盐发生反应，生成黏结物质，在该种物质作用下土颗粒胶结，增加了土体的抗剪强度[17]。

在竖向上，土体的抗剪强度的变化规律和含水量变化规律类似，表面的十字板抗剪强度最高，沿着土体的深度增加而减少（见图10(b)）。这主要是由于沿深度，含水量的增加导致土体的抗剪强度减少。

从整体上看，T3 的平均十字板抗剪强度最高，为20.45 kPa；T1和T2 组的效果差别不大；T4 的抗剪强度最低，但比未灌浆的T0(13.89 kPa)高。可以看出，试验存在最优灌浆频率，其中3 h/次灌浆可以有效增大土体抗剪强度。若灌浆频率过大，灌入的溶液不能被土体排出，导致土体含水量增大，但加入的溶液会产生化学胶结，一定程度上增加了土体抗剪强度；若频率过小，由于土体开裂过大，灌入的溶液不能有效减小土体电阻、增加土体抗剪强度。

图10 土体加固后的十字板抗剪强度Fig.10 Distribution of vane shear strength after soil improvement

3 结束语

本工作探究了裂缝灌浆频率在电渗处理淤泥软土加固效果中的影响，设计了4 组不同灌浆频率的对照组，分别为1、2、3和4 h/次，在电渗进行到第3 小时时同时启动，在第15 小时时同时停止灌浆。基于试验结果分析，可以得到以下结论。

(1) 试验中存在最佳灌浆频率，当裂缝灌浆频率在3 h/次时，可以有效减少土体含水量，增大土体抗剪强度，减少电渗有效排水能耗；当裂缝灌浆频率大于3 h/次时，频率越大，能耗越大、有效出水量越少、土体含水量越高，土体加固效果不理想；当裂缝灌浆频率小于3 h/次时，提高灌浆频率并不能有效提升电渗的加固效果。

(2) 裂缝灌浆可以使土体电流重新回升，但是回升的电流会小于上一次灌浆的最大电流。灌浆越频繁，电流下降的越慢，可以有效延长通电时间，但同时电极的腐蚀量会越大。

(3) 加固后土体含水量在竖向沿土体深度递增，水平方向上在阴极处最高，随着远离阴极方向递减，在阳极处最低。十字板剪切强度在竖向随着土体深度的增加而减小，在水平方向，由于土体中部裂缝灌浆产生的化学胶结作用，土体的十字板剪切强度在土样中部最高，阳极处略低于中部，阴极处最低。