板土交界處裂隙發育與化學注漿時間對一維電滲固結的影響

高程 顧佳杰 孫秀麗 劉文化

摘要：通過一維電滲固結試驗，研究了板土交界處裂縫（板土脫開）與注漿時間對軟土電滲固結過程的影響。采用緊序注入CaCl2溶液和Na2SiO3溶液的方式，進行注漿時間對照試驗。基于沉淀或膠體和離子對電滲固結的綜合效應，研究了電流、排水量、土樣含水量與抗剪強度、裂縫與體縮，以及電滲能耗等隨注漿時間的變化規律。結果表明：板土交界處裂隙（板土脫開）總是先于其他土體裂縫產生，板土脫開導致電流值的急劇減小是造成電滲效果下降的主要原因;一維電滲固結過程中存在板土交界處裂隙發展旺盛時間tcr，以tcr為表征指標確定最佳注漿時間，可達到最佳的電滲效益。為防止在土體中出現明顯的含水量突變現象，應盡可能避免在1/3tcr時刻前注漿，在2/3tcr時刻注漿能夠實現最佳電滲固結效果。

關鍵詞：電滲固結;注漿時間;裂縫;排水量;軟土

中圖分類號：TU411.2 文獻標志碼：A 文章編號：20966717（2020）04006709

收稿日期：20191025

基金項目：國家自然科學基金（51609102、51709129）;江蘇省自然科學基金（BK20170187）

作者簡介：高程（1995 ），男，主要從事電滲固結軟土研究，Email：1205520089@qq.com。

孫秀麗（通信作者），女，博士，副教授，Email：sunxiuli@jiangnan.edu.cn。

Received：20191025

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51609102， 51709129）; Natural Science Foundation of Jiangsu Province （No. BK20170187）

Author brief：Gao Cheng （1995 ）， main research interests： electroosmosis consolidation soft soil， Email： 1205520089@qq.com.

Sun Xiuli （corresponding author）， PhD， associate professor， Email： sunxiuli@jiangnan.edu.cn.

Influence of electrode crack development and chemical grouting time on one dimensional electroosmosis consolidation

Gao Cheng， Gu Jiajie， Sun Xiuli， Liu Wenhua

（School of Environment and Civil Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， Jiangsu， P. R. China）

Abstract： The effects of cracks （soil disengagement） and grouting time at the interface between slab and soil on the osmotic consolidation process of soft soil were studied through onedimensional electroosmosis consolidation test. The “grouting time” control test was performed by injecting CaCl2 solution and Na2SiO3 solution in a tight sequence. Based on the combined effects of “precipitation or colloid” and “ion” on electroosmosis consolidation， the variation of current， drainage， soil moisture content and shear strength， cracks and body shrinkage and energy consumption of electroosmosis with grouting time were studied. The test results show that cracks at the interface between slab and soil （slab detachment） always occur before other parts， and the sharp decrease of current value caused by slab detachment is the main reason of the reduction of electroosmotic effect; During the consolidation process， there is a time tcr for the fast development stage of crack at the slabsoil interface. Using tcr as the indicator to determine the optimal grouting time can achievethe best electroosmosis effect. In order to prevent the obvious abrupt change of water content in the soil， it should be noted that the grouting time should be not earlier then 1/3 tcr， and grouting at 2/3 tcr can achieve the best electroosmotic consolidation effect.

Keywords：electroosmosis consolidation; grouting time; crack; displacement; soil

吹填土和河道淤泥等軟粘土孔隙比大、含水率高、抗剪強度極低[1]，因此，形成的地基土必須經過加固處理才能滿足工程要求。電滲法是一種能使土體快速排水固結的方法，其排水速率與土顆粒的大小無關，適用于含細顆粒、低滲透性、高含水率的軟粘土地基處理[2]。

然而，電滲普遍存在電勢傳遞效率低、界面電阻增加導致電流減小等問題。為了改善電滲處理效果，Gray等[34]提出了電化學處理的方法。Lefebvre等[5]、Zhang等[6]、Xue等[7]發現在陽極處加入化學溶液可以減小電極處的功率損耗以及改善土壤與電極間的接觸，從而降低了界面電阻。學者們對化學注漿的研究主要集中在注漿位置[89]、漿液類型和離子種類[1011]、注入濃度[12]以及雙液注漿時溶液配比等方面[13]，并取得了較好的效果。但對注漿時間的研究卻很少關注，注漿時間對電滲效果可能存在較大影響。

筆者從解決電滲過程中板土交界處裂隙（板土脫開）現象出發，通過注入氯化鈣和硅酸鈉產生的沉淀物質來填充板土交界處裂隙，研究注漿時間對電滲過程的影響。注漿時間過早，漿液的膠結作用會降低土體的孔隙率，阻塞排水通道;而注漿時間過晚，裂縫開展較大，顯然也得不到最佳的電滲固結效果。因此，最佳注漿時間的確定對電滲固結具有重要意義。通過漿液注入時間的對比試驗，對試驗中電流、排水量、抗剪強度、能耗等數據進行測定分析，基于“沉淀或膠體”和“離子遷移”對電滲的綜合效應確定最佳注漿時間范圍。

1試驗裝置和方法

1.1試驗材料

試驗用土為太湖淤泥，將淤泥混合均勻后自然風干，磨細之后過2 mm篩，將過篩的土密封保存備用。經測定，土樣的液限為49%，試驗用土的含水率為55%，其基本物理性質如表1所示。

1.2一維電滲試驗裝置

試驗采用有機玻璃制的電滲固結裝置。裝置主體由中間的土壤槽和側邊的集水槽組成，裝置容器壁厚5 mm，宏觀尺寸200 mm×100 mm×145 mm，其他參數見圖1。考慮到機玻璃是一種具備良好透明性、力學性能和化學穩定性的易加工材料，整個水平一維電滲裝置均由有機玻璃材料制成。在有機玻璃容器內部設有一塊多孔的固定隔板（固定方式為膠結），“多孔”的目的是讓電滲出的水順利地通過孔洞而流至儲水室，再通過儲水室壁面上的排水孔洞，最后流入量筒。

試驗的陰極板為純鈦板，尺寸為100 mm×100 mm×1 mm，開有小孔，具有良好的透水性，便于水的流出。陽極板為鍍釕銥鈦板，具有極為優越的導電性和耐腐蝕性，可承受陽極劇烈的氧化反應。在電極和透水隔板之間有一層濾紙，防止土顆粒的流失。電源采用直流穩壓電源，輸出電壓為0～60 V，輸出電流為0～3 A。

1.3試驗方案

為研究不同注漿時間對電滲效果的影響，設計了6組試驗。具體如表2所示：T1作為基準試驗，是為了找出在不注漿的情況下的板土交界處裂隙發展規律，確定板土交界處裂隙開展最旺盛時間tcr。在T1組試驗結果的基礎上確定T2～T6注漿時間。試驗電源采用穩壓輸出模式，輸出電壓為30 V，即電勢梯度為1.5 V/cm，試驗環境溫度為25 ℃左右。

1.4試驗步驟

1）在有機玻璃槽的內壁均勻涂抹凡士林以減小土體和內壁之間的摩擦。

2）將55%含水率的疏浚淤泥分3次倒入有機玻璃槽內，每次振搗均勻以排出土體內的氣泡。

3）放置電極板，同時在陰極電極板和開孔隔板之間放置濾紙，連接電路，放置好集水量筒，安裝好攝像頭以進行試驗期間的觀察。

4）在指定時刻采用針管注射器進行注漿。注漿方法為：將氯化鈣和硅酸鈉溶液分別裝在兩支注射器中（各25 mL，濃度20%），沿著板土之間的裂隙先后緊序地將兩管溶液慢慢地一次性全部注入到裂縫中。

5）每隔1 min測定一次試驗電流，每隔0.5 h讀取一次出水量，試驗共進行23 h。

6）試驗結束后，立刻檢測土樣的含水率、抗剪強度等指標，土體抗剪強度由微型十字板剪切儀測定。

2板土交界處裂隙發展旺盛時間的確定

2.1電流

T1試驗的時間電流變化如圖2所示，在試驗開始的初期階段，電流大致呈線性下降，大約在2 h左右，電流下降速率開始變大，此時對應的時間正好是陰陽極電極板處的板土交界處裂隙開始發育的時間。在2～7 h（圖2中箭頭區域）左右的這一段時間內，是電滲排水發展迅速的時段，電流下降速率非常快，從210 mA降低到139 mA，共降低了71 mA，占電流總降低值的44%。造成電流迅速下降的主要原因是陰陽極電極板與土體逐漸脫開，造成電極板和土體之間的界面電阻[14]迅速增大，以及隨著水分子從土體中快速排出，土體電阻增大，試驗電流下降速率迅速增大。7～15 h之間，隨著板土交界處裂隙發展速度慢慢降低直到發育穩定，電流下降速率逐漸放緩，但是，隨著土中孔隙水的排出以及土體中一些細微裂縫的產生，土體電阻逐漸變大，電流值還是持續穩步下降的趨勢。15 h之后隨著大部分水被排出以及土體裂縫的進一步發展，試驗進入了中后期階段，電流值降到低值且變化比較平緩直至試驗結束。

2.2排水量

如圖3所示，排水量的變化和電流變化之間有著很好的對應關系。從試驗開始到板土交界處裂隙發展速率最快的6 h內，是電滲排水的快速發展階段，此時，排水速率保持在較高值，試驗0～6 h內排出了107.7 mL的水，占整個試驗總排水體積的60.5%。而隨著這個時段內電滲固結速率的快速發展，也造成了土體收縮進而產生了板土交界處裂隙，同時水分子從土中的大量遷出也使得土體電阻值進一步升高，導致電流值的快速下降。6 h后，電滲速率慢慢放緩，電流和排水量的變化速率也隨之放緩。到23 h，試驗土體雖然還有電流，但是此時的排水速率近乎為0，繼續通電只會浪費能耗，可以認定此時試驗可以終止。

2.3板土交界處裂隙寬度隨時間的改變

通過攝像頭連續記錄試驗過程，依據電流及排水量的變化規律，截取了幾個關鍵時段的土體樣貌圖，如圖4所示。圖5為通過攝像頭每0.5 h拍攝采集的整個電滲過程的板土交界處裂隙寬度隨時間的變化曲線圖。在0 h時段，由于土樣是處于液限以上的高含水量可流動狀態，因此，陰陽極電極板在土體側向壓力的狀態下，緊緊地貼著電極板。試驗開始后，由于土體中負孔隙水壓力的快速發展，有效應力的增大，使得土體顆粒之間相互擠密，土體水平方向發生了明顯的體縮現象[15]。由于負孔隙水壓力是一種吸力，當這種吸力大于土體和陰陽極電極板之間的粘合力的時候，就會表現出土體表面和電極板脫開的現象。由于土體在高度方向上還有自重沉降，越是靠下的部分自重應力越大，所以，只有表面以及上部的土體與電極板脫開，下部土體還是與電極板相粘合接觸的。在2 h左右，陰陽極電極板開始出現與土體脫開的現象;隨著電滲的進一步發展，4 h時板土交界處裂隙寬度增大;通過多組試驗觀察，在6 h時左右板土交界處裂隙的發展速率達到最大值，此時對應的電流的下降速率也開始慢慢變緩。6 h之后的電滲速率開始逐漸降低，排水量速率開始減慢，板土交界處裂隙的變化速率開始降低直到15 h之后基本穩定不變。在試驗條件下，6 h

左右是一個關鍵的轉折點，0～6 h為電滲排水的高峰期，6 h之后電滲速率開始放緩。在20 h時可以看到，雖然板土交界處裂隙有所增大，但是相比6 h時而言并未增長多少，而且其增長速率在后期慢慢減小直到為0。同時，整個土段的樣貌比較完整，除了在12 h后產生幾條細微的裂縫之外，整個土體并沒有明顯的寬裂縫的產生。主要是因為，土體中裂縫的產生的主要原因是電滲時土體中負孔隙水壓力快速發展，當土體中某一點的負孔隙水壓力的值大于土體的抗拉強度時，這一點的土會被拉開，從而產生了裂縫[16]。在試驗條件下，由于排水量比較少，負孔隙水壓力發展沒有達到大于土體抗拉強度的程度，所以，整個土段沒有明顯的寬裂縫，直到試驗后期才有細微土體裂縫慢慢產生。在本試驗條件下，板土交界處裂隙是導致電滲進程變慢的主要原因，并且板土交界處裂隙的發展時間遠遠早于土體中裂縫的發展時間。通過分析電流、排水量及板土交界處裂縫開展規律，確定試驗條件下的板土交界處裂隙發育旺盛時間tcr為6 h，以板土交界處裂隙發育旺盛時間作為確定化學注漿時間的表征指標，以期達到最優的修復板土交界處裂縫，提高電滲效果的目的。

3化學注漿時間對一維電滲的影響

由基準試驗可知，為達到最優的彌合板土交界處裂縫的效果，化學注漿應在tcr之前進行。因此，進行了4個注漿時間點的對比試驗：0、1/3tcr、2/3tcr和tcr，分析不同時間點注漿對電流、排水量、土體含水量、抗剪強度、土體體縮及能耗的影響規律。

3.1化學注漿時間對電流的影響

T2～T6時間電流變化曲線如圖6所示。由于相同的初始條件，T2～T6的5組試驗的初始電流值均在215 mA左右，注漿導致電流發生了突變，化學注漿之后的峰值電流均在870～910 mA的范圍內。除了T2和T6，其他組的電流在注漿后均呈現慢慢降低的趨勢。T2在注漿2 h后發生了電流增大，原因是在陽極和陰極注入NaCl溶液之后，溶液向土中擴散，Na+和Cl-離子分別向陰極和陽極遷移，在土體孔隙中形成了貫通的通道，離子在土體中開始慢慢擴散開來，使得土體中的離子濃度變大，使得電流有所回升，而后隨著試驗的進行，土體含水率減少，土體電阻增大，電流自然又慢慢降低。T6在15 h時電流變化速率增大也很有可能是這個原因（也有可能是試驗的偶然性導致）。此外，從圖6可知，各組試驗在注漿完成之后的前期（注漿后的4～5 h內）的電流下降速率情況：T6>T5≈T4>T3≈T2，即較晚注漿的組別電流下降的速率較快，因為較晚注漿的組別在注漿之前電極板和土體之間的裂隙已經十分明顯，雖然注漿生成的沉淀可以彌補電極板和土體之間的裂隙，但是由于裂隙過大并且只要在隨后的時間內再次重新開裂，電流就會急劇下降;而較早注漿的組別由于電極板和土體本身之間的連接就比較緊密，此時注漿產生的沉淀會進一步鞏固板土之間的連接，所以電流下降的速率會相對緩慢一些。

3.2化學注漿時間對排水量的影響

由圖7可知，基準試驗T1的排水量遠小于T2～T6試驗，主要是因為T1中的導電離子數量最少，且出現板土交界處裂隙，增大了界面電阻，導致試驗中電流降低，從而排出的水最少，這也可以證明化學注漿對電滲固結排水有明顯的提高作用，各組試驗的排水速率在注漿后均有明顯的上升。

從圖7中注漿時刻的曲線斜率來看，T2的排水速率在注入NaCl溶液后的2 h內保持領先，之后，由于開始出現板土交界處裂隙，其排水速率第一次降低，在大約10 h之后，由于土體中裂隙的發展（見表3），其排水速率有第2次下降。T3～T6在注漿后的排水速率大小基本相等，主要是因為電滲注漿后試驗電流相對于未注漿時提高巨大，注漿后相當于一次全新的電滲試驗的開始。并且在未注漿之前，T3～T6試驗組排水量雖然有差別，但是由于此時試驗電流不大，所以排水量差別不是很大，導致各個試驗組的土體性質相差不大，所以，在注漿之后的排水速率大小基本相等。此外，注漿之后T3～T5的排水量變化均較為緩和，沒有出現任何突變現象，只有T6的排水速率在大約13 h時有較為明顯的減小，這是由于此時出現的土體裂縫在之后的時間里過于迅速的發展而導致的（見表3）。

T1～T6的最終排水量情況如表4所示，各組排水量大小為T5>T4>T3>T6>T2>T1，由此可以看出：T2作為對照試驗，其排水量要遠小于其他雙液注漿的4組，因此可以證明，CaSiO3沉淀的生成確實有利于促進電滲進程，其具體作用主要表現在彌補板土脫開的過程中。并且Ca2+離子的離子交換能力很強，可以置換出土壤顆粒表面的低價陽離子，使得土壤雙電層的水膜厚度減小[17]，水化離子的半徑減小，促進水分的排出。土壤中除了生成沉淀的Ca2+外，還有一些游離的Ca2+，對電滲排水也會有促進作用。T5取得了本次試驗中的最大排水量，即當注漿時間約為板土交界處裂隙發展旺盛時間的2/3時刻時，電滲排水效率最高。

3.3化學注漿時間對含水量和抗剪強度的影響

在刮去土體表面的沉淀物質與其他雜質后進行局部取樣，取樣位置為距陰極3、7、10、18（靠向陰極）、18（靠向陽極）、20 cm處的位置，取樣完成后進行樣品含水量和抗剪強度的測定。

各工況試樣不同位置的含水量如圖8所示，基準試驗T1的含水率從陽極到陰極慢慢提高，其平均含水率是所有試驗中最高的，因為T1排出水的量最少。由于土體靠近陰極處是水流出的邊界條件，所以T1～T6試驗的陰極處的含水率都比較高。試驗結束后的土體在距陰極18 cm的位置處存在明顯的含水量突變界線，該突變現象在T3試驗中尤為明顯。在試驗的開始階段，T3便實施了化學注漿，生成了CaSiO3沉淀，并且還有少量游離的SiO2-3在陽極的酸性環境下生成少量的硅膠顆粒，沉淀和硅膠顆粒填充了土壤孔隙[18]，堵塞了陽極的電滲排水通道，阻礙了水分子的運移，從而導致陽極區域的土體含水量居高不下。從測定結果中可以看出，注漿時間越早，此種“含水量突變現象”就越明顯。因為越晚注漿，陽極區域往陰極運移的水分子數量越多，使得“含水量突變現象”越弱。

根據圖8可得出各組試驗的含水量情況：T2注入的是純NaCl溶液，距陰極越遠，樣品的含水量越低，與不注漿的單純電滲試驗的土體含水量規律類似。T3由于含水量突變現象的存在，在靠近陽極的區域過早產生的沉淀和硅膠顆粒阻塞了電滲排水通道，使得最低含水量的位置出現在了土體的中部。T4在距陰極18 cm位置處也存在較為明顯的含水量突變現象，但與T3不同的是，其含水量突變處成為了最低含水量的位置，而最高含水量區域則在土體中部，這表明在試驗結束時，大部分水分子已從陽極滲透至土體中部并停留在土體中部附近。與T3、T4相比之下，T5和T6的含水量突變現象并不明顯，其中T5的含水量規律更接近于T2，大部分水分子在試驗結束時已排至陰極;而T6由于是在板土交界處裂隙旺盛時刻注入化學溶液，隨著電滲的繼續進行，在電壓梯度的驅使作用下，陽極處新加入的溶液被運移到陰極，因此，陽極成為了含水量最低的位置，此外T6最高含水量所處位置的情況則與T4相似，都是在中部附近。

圖9為各組試驗不同位置處的抗剪強度。在試驗結束后立刻測量各組不同位置的土體抗剪強度，因此，不考慮CaSiO3沉淀的齡期對抗剪強度的影響。基準試驗T1的平均抗剪強度為12.75 kPa，是所有試驗組中最低的，由此可見，化學注漿有助于提高土體的抗剪強度。但是，由于試驗中化學物質的加入和化學反應的生成，土體性質發生了改變，因此，土體含水率和土體抗剪強度之間不存在絕對的一一對應關系。由圖9可知，除T3以外，其他組別的最大抗剪強度位置均位于陽極附近，

主要原因是硅酸鈣沉淀的附著、水化硅酸鈣膠體的粘附以及少量硅膠顆粒的填塞大大提高了陽極區域的抗剪強度。而T3由于陽極處發生了含水率的突變，導致高含水量區的存在，在刮去表面的硅酸鈣沉淀后，樣品的抗剪強度很低，其最大抗剪強度的位置存在于土體中部。各組試驗的陰極區由于靠近排水口，有大量孔隙水的堆積，即使有CaSiO3沉淀的生成也彌補不了高含水率對抗剪強度的削弱作用，造成了各組在陰極處的抗剪強度值都比較低且相差不大。T5試驗組的平均抗剪強度值最大，為19.8 kPa，比基準試驗T1高出55%，說明在2/3tcr時注漿可以對土體抗剪強度提高起到最好的效果。

3.4化學注漿時間對土體裂縫與體縮的影響

圖10為T2～T6的裂縫實物圖，最顯而易見的是T2與T3～T6的土體樣貌區別：T2的板土脫開現象較為明顯，且其在陽極板和陰極板位置處有很多不規則裂紋，相比之下，T3～T6由于沉淀的彌補作用，板土交界處裂隙較為規整。

根據表3中關于水平體縮量的結果可知：T2由于不存在板土交界處裂隙的彌補，陰陽極電極板和土體之間的收縮十分厲害，因此，水平體縮量較大;T3、T5和T6雖然存在板土交界處裂隙的彌補，但注漿后生成的膠體牢牢吸附著土粒，一旦土體和電極板之間脫開，收縮也比較大，因此，水平體縮量也較大;而T4由于土體中的多條寬裂縫的出現和發展減小了土體沿水平方向的體縮，其最終水平體縮量較小。

根據表3中關于板土交界處裂隙的情況可知：由于T6是所有組別中最晚注漿的，因此，其在注漿時刻的板土交界處裂隙寬度是所有組別中最大的，其陽極裂隙和陰極裂隙的寬度均已達至4 mm，而此時此刻的土體尚未出現其他裂縫，卻又經過注漿溶液與沉淀的鞏固，從而更進一步地延遲了土體裂縫的出現時間。另一方面，T6實施注漿的時間tcr相對于其他注漿組別來說晚一些，所以此時T6組別的電滲排水強度會低一些，此時注漿溶液與沉淀作用的發揮尚需一段時間的緩沖，因此，與T3～T5相比，其在注漿后的前期排水速率未能達到T3～T5的高度，也正是因為如此，其土體裂縫的出現時間相比于其他組來說會推遲，從中可以得到結論：雖然土體裂縫的出現存在極大的隨機性，但總體而言，在本試驗條件下相比其他注漿時間，在板土交界處裂隙旺盛時間tcr時刻實施注漿可以起到延緩土體裂縫出現的最佳作用。

3.5能耗

根據圖11和表5反映的能耗情況，可以得知：T2的總能耗最大，主要是因為沒有沉淀和膠體的彌補，土體電滲的速率較慢，電流變化比較緩慢，在后期一直保持較高的電流值，從而大幅度地增大了能耗。在雙液注漿的4組工況中，T3的總能耗略大，剩下3組的總能耗很接近。但是由于各組的排水量不同，不能由總能耗來評判各組的耗能情況。從平均單位排水能耗來看：T5

4結論

通過基準試驗及化學注漿對比試驗，在試驗的特定條件下（電壓梯度為1.5 V/cm，所用土壤為初始含水率55%的太湖淤泥），研究了板土交界處裂隙開展規律及注漿時間對電滲固結的影響，得出以下結論：

1）板土交界處裂隙總是優先于土體裂縫產生，且板土交界處裂隙的出現大大降低了電滲固結的效率。

2）采用氯化鈣和硅酸鈉溶液進行雙液注漿產生的沉淀對電極和土體之間裂隙的彌補作用巨大，增加了高效率電滲的時間并且對土體強度的提高也很有幫助。

3）為防止在土體中出現明顯的含水量突變現象，應盡可能避免在1/3tcr時刻前注漿。

4）能夠實現最佳電滲效益的化學注漿時間約為板土交界處裂隙旺盛時間的2/3時刻，主要體現在排水量大、單位能耗較低和土樣平均抗剪強度相對較高的優點上。

5）雖然板土交界處裂隙旺盛時間tcr不是最佳注漿時刻點，但是在tcr時刻實施注漿可以起到延緩土體裂縫出現的最佳作用。參考文獻：

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