陽極-中間孔注漿時序對電化學加固影響的試驗研究

張 恒， 王保田,3*， 周炳生， 陸 正， 張福海， 張海霞

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 江蘇省巖土工程技術工程研究中心，江蘇 南京 210098；3.西藏農牧學院 水利土木工程學院，西藏 林芝 860000)

電滲法是通過電能實現(xiàn)軟黏土的高效脫水固結[1-2]，1939年Casagrande首次將電滲法應用于鐵路路基開挖工程中[3]。隨著電滲法被應用于實際工程，諸多學者從各個方面對電滲法進行了相關的理論和試驗研究。Xue等[4]對比分析了銅、鋁、鐵3種陽極材料對大連海相淤泥電滲試驗的影響，試驗表明：采用鐵作為陽極材料時電滲效果最佳。劉飛禹等[5]研究了含易溶鹽層狀軟黏土的電滲固結特性，研究表明，含鹽土體分布于陽極附近時的電滲效果要比其分布于陰極附近時好。王柳江等[6]設計了1根陰極對應多根陽極的電滲試驗，并由此發(fā)現(xiàn)增加陽極數(shù)目能夠改善電滲的處理效果。楊克軍等[7]對比研究了通電方式對電滲排水加固效果的影響，發(fā)現(xiàn)采用電流衰減時增加電壓這種通電方式能發(fā)揮好的加固效果。

為進一步提高電滲處理效果，學者們提出了電化學加固方法[8-9]。劉飛禹等[10]研究了陽極灌漿溶液對電滲加固軟土的影響，結果表明添加化學試劑能明顯改善排水效果和土體強度。Chien等[11]在陽極和陰極之間安裝中繼管注漿，發(fā)現(xiàn)中繼管注漿優(yōu)于通過陽極注漿。任連偉等[12]研究了在土樣中間部位聯(lián)合注入CaCl2和Na2SiO3溶液，研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合注入兩種溶液能夠改善抗剪強度分布不均的問題。付英杰等[13]開展了在電滲初始時刻和電滲排水穩(wěn)定時刻注入CaCl2溶液的兩組試驗，發(fā)現(xiàn)不同時刻在陽極注入CaCl2溶液對電化學加固有較大影響。

目前關于電化學加固的研究集中在不同注入溶液的類型及各項參數(shù)對電滲排水及承載力提高的影響，陽極-中間部位共同注漿時，不同注漿時序對電化學加固效果有何影響，目前相關研究相對較少。本文開展陽極-中間孔聯(lián)合注漿，探討不同注漿時序注入CaCl2溶液對電化學加固效果的影響，為電化學加固方法的工程應用提供有益參考。

1 試驗裝置及試驗方案

1.1 試驗用土

試驗所用土樣為南京江寧地區(qū)的普通黏土，取土深度為0.5 m，天然含水率為38%，顏色呈黃褐色。對現(xiàn)場取得的黏土烘干、打碎、過篩后加水充分攪拌，配置到42%的含水率，靜置24 h使土樣充分飽和，土的基本物理性質經測定見表1。

表1 土的基本性質

1.2 試驗裝置

模型試驗裝置由模型槽、土樣、電極、百分表、電源等部分組成，示意圖如圖1(a)所示，電極位置、位移測點布置圖如圖1(b)所示。模型槽采用塑料周轉箱，周轉箱的外尺寸為440 mm×330 mm×140 mm，內尺寸為400 mm×300 mm×130 mm。模型槽底面在陰極的位置開有直徑16 mm的孔洞，以方便排水。陽極為直徑10 mm的鋼筋，陰極為外徑16 mm、內徑14 mm的空心鐵管，鐵管的側壁上開有數(shù)個直徑3 mm的小孔，試驗時用濕潤的土工布包裹陰極，防止黏土顆粒堵塞排水通道。電源為穩(wěn)壓直流電源，電源的輸出電壓為0～60 V，輸出電流為0～5 A。

圖1 模型試驗裝置Fig.1 Model test devices

1.3 試驗方案

此次陽極-中間孔聯(lián)合注漿電化學加固軟黏土試驗共設置3組試驗，根據(jù)不同試驗條件分別命名為S1、S2、S3，討論不同注漿時序對加固軟黏土試驗的影響。試驗方案為：S1試驗在陽極、中間注漿孔一次各注入70 mL濃度為2 mol/L的CaCl2溶液，間歇通電2次，每次12.5 h，共25 h；S2試驗先在陽極注漿孔中注入70 mL 濃度為2 mol/L的CaCl2溶液，通電5 h后再在中間注漿孔注入70 mL 濃度為2 mol/L的CaCl2溶液，繼續(xù)通電7.5 h，次日通電12.5 h，共25 h；S3試驗先在陽極注漿孔中注入70 mL濃度為2 mol/L的CaCl2溶液，通電12.5 h后，次日再在中間注漿孔注入70 mL濃度為2 mol/L的CaCl2溶液，繼續(xù)通電12.5 h，共25 h。三組試驗通電電壓均為30 V，電極間距35 cm，電勢梯度0.86 V/cm，兩通電時段之間的間歇時長為12 h，室溫30 ℃，試驗中陽極注漿孔為單孔，孔徑2 cm的大孔，中間注漿孔為三個水平向間距7 cm、孔徑1 cm的小孔。試驗步驟為：首先取樣測試土配置后的含水率；然后設置好電極位置，將土樣分層裝入試驗模型槽，并保持土面平整，鋪設位移測點的小墊塊，根據(jù)具體試驗要求設置注漿孔，在試樣土體表面覆蓋塑料薄膜以防止水分自然蒸發(fā)影響試驗結果；最后按照試驗方案接通電源進行通電，通電期間定期觀測并記錄試驗數(shù)據(jù)，包括陰極排水量、試樣電流、各測點處沉降量。通電結束，在試樣上劃分區(qū)塊網格，采用PS-MPT微型貫入儀測量貫入阻力。

2 試驗結果分析

2.1 排水量和排水速率

三組試驗的排水量變化曲線如圖2所示。通電結束后，S1、S2和S3試驗的排水總量分別為607、740和 1 024.5 mL，顯然S3的排水總量>S2的排水總量>S1的排水總量，即適當推遲中間孔注漿的時間有利于提高總排水量。0～7.5 h的通電時段內，三條排水曲線近似重合，7.5 h后，S2的排水總量開始超過S1的排水總量，而在通電12.5 h后S2、S1的排水量趨于穩(wěn)定，不同于S2、S1試驗，通電12.5 h后S3的排水總量仍處于較高的增長速率。

圖2 排水量變化曲線Fig.2 Curves of drainage

根據(jù)不同時段的排水量變化情況，可繪制出三組試驗排水速率隨通電時長的變化曲線，見圖3。S1試驗中，一次性分別在陽極和中間注漿孔中注入70 mL CaCl2溶液通電后，排水速率在2.25 h達到峰值73.2 mL/h，其后逐漸衰減；而對于S2、S3試驗，在通電時長2.25 h左右也達到一個峰值，但均小于S1試驗在該時刻的排水速率峰值。這是由于在S1試驗中，通電初始便在中間注漿孔注入CaCl2溶液，試驗土樣的上半區(qū)域和下半區(qū)域均發(fā)生排水，因此相比S2、S3試驗排水速率更高。通電2.25 h后，S2、S3試驗的排水速率均呈現(xiàn)降低趨勢，而兩者的排水速率又分別在5 h、12.5 h后出現(xiàn)劇烈的增長，并分別在7.25 h和12.75 h時刻達到峰值102.8 mL/h和72 mL/h。這是因為S2在通電5 h后向中間注漿孔再次注入CaCl2溶液，而S3試驗在通電12.5 h后向中間注漿孔再次注入CaCl2溶液。當向中間注漿孔中注入新的CaCl2溶液時，一方面，土體中離子總量增加，導致中間注漿孔周圍區(qū)域電阻的降低、電流的增大，另一方面，也出現(xiàn)了新的排水區(qū)域，試驗土體的下半區(qū)域開始進入高速排水階段。

圖3 排水速率變化曲線Fig.3 Curves of drainage rate

綜上可以看出，S1、S2和S3三組試驗中，中間注漿孔注入CaCl2溶液的先后時間將對排水速率的變化曲線產生直接的影響：通電初始時刻在中間注漿孔注入化學溶液時，排水速率變化曲線表現(xiàn)為單峰曲線，包括一次迅速增長階段和一次逐漸衰減階段；而在通電一段時間后再在中間注漿孔中注入化學溶液時，排水速率變化曲線則表現(xiàn)為雙峰曲線，且第二次的峰值高于第一次的峰值，曲線包括了兩次迅速增長階段和兩次逐漸衰減階段。

2.2 電流分析

S1、S2和S3試驗中，電流的變化見圖4，從圖中可以看出，三組試驗電流的變化規(guī)律與排水速率的變化規(guī)律相似。S1試驗中的電流變化曲線為單峰曲線，經歷增長階段后，在通電3.75 h后達到峰值0.54 A，其后逐漸衰減至穩(wěn)定；S2和S3試驗中，電流變化曲線為雙峰曲線，包括了兩次增長和兩次衰減階段。因為兩組試驗在0～5 h內的試驗過程完全一致，即通電初始在陽極注入70 mL的同濃度CaCl2溶液，因此電流的變化曲線也表現(xiàn)一致，兩組試驗的電流均在通電2 h后達到0.3 A，其后衰減。對于S2試驗，通電5 h后在中間注漿孔注入新的CaCl2溶液，電流劇烈增長，并在9.5 h達到峰值0.58 A，其后衰減至穩(wěn)定；而對于S3試驗，通電12.5 h后在中間注漿孔注入新的CaCl2溶液，電流劇烈增長，并在14.5 h達到峰值0.57 A。因此，三組試驗中間注漿孔注入CaCl2溶液的先后時間不同，電流曲線也表現(xiàn)出不同的變化形式，同時反映出注漿前后帶來的土體平均電阻的變化。

圖4 電流變化曲線Fig.4 Curves of current

2.3 沉降分析

試驗中各區(qū)域測點處土體的沉降變化有助于分析不同區(qū)域的排水情況，根據(jù)S1、S2和S3試驗中各測點處的沉降量觀測值，繪制圖5?？梢钥闯?，在S1試驗中，測點2和測點4處土體沉降量的增長速率最快，且在通電2.5 h后，測點2處土體的沉降增速趨緩，而測點4位置處的土體仍保持較高的沉降增速，其次是測點1和測點3，而陰極處的測點5增速很慢。測點2、4處土體沉降量的快速增長意味著上半區(qū)域與下半區(qū)域同步排水，這對于解決上、下半區(qū)域處理效果不均的問題具有一定的啟示作用。

圖5 各測點處土體沉降變化Fig.5 Change of soil settlement at each measuring point

在S2試驗中，在陽極注入CaCl2溶液后的0～5 h內，測點2處沉降增長速率非?？欤? h后沉降達到4.8 mm。而此時測點1、3、4、5處的土體沉降量依次為0.87、1.0、0.02、0.02 mm，顯然該時段的排水中心集中在測點1、3之間的上半區(qū)域。通電5 h后，當試樣的中間孔注入同濃度同體積的CaCl2溶液后，測點2處沉降增速大大減緩，而此時的測點4處土體表現(xiàn)出高速的增長速率，并在12.5 h后超過測點2處土體的沉降量總量，同時可以看出，陰極處(測點5)在5 h后也取得較高的沉降增速。因此可以認為，在S2試驗中陽極注入CaCl2溶液后的前5 h時段內，試驗土體的排水區(qū)域幾乎全部集中在上半區(qū)域，而當在試樣中間孔注入CaCl2溶液后，下半區(qū)域則轉變成排水的主區(qū)域。

在S3試驗中，陽極注入CaCl2溶液后的0～12.5 h內，測點2處土體的沉降量增速最快，其次是測點1和測點3，而測點4、5處的則最慢，沉降變化曲線平緩。同S2試驗中0～5 h時段表現(xiàn)的規(guī)律相同，在S3試驗0～12.5 h時段內，上半區(qū)域為排水的主區(qū)域。而當試樣的中間孔在12.5 h時注入CaCl2溶液后，測點4、5處土體表現(xiàn)出較高的沉降量增長速率，測點1、2、3處土體的沉降量變化曲線則十分平緩近似為直線。

綜上，通電后的不同時段在中間孔注入CaCl2溶液能夠削弱甚至遏制上半區(qū)域的排水過程，同時促進試樣的下半區(qū)域成為排水主區(qū)域，其中S2試驗各點最終沉降相較于S1、S3試驗更均勻，因此，選擇合理的時段向試樣的中間孔注入CaCl2溶液可以使整個試樣區(qū)域的沉降更加均一，這也為解決普通電滲、單一陽極注漿電滲處理效果不均勻的問題提供了一種思路。

2.4 土體貫入阻力

通電停止后，將S1、S2和S3試驗土體分別劃分為5×8共40塊小區(qū)域，利用微型貫入儀測定不同區(qū)域的貫入阻力，并繪制貫入阻力分布的等值線圖。三組試驗貫入阻力等值線分布見圖6。S1試驗中，上半區(qū)域的貫入阻力值主要集中在0～150 kPa，同時也分布著少量區(qū)域的較高貫入阻力，這部分較高的貫入阻力的分布區(qū)域全部集中在陽極附近，且等值線非常密集，下半區(qū)域的貫入阻力值主要集中在50～300 kPa。

圖6 試樣貫入阻力分布(單位：kPa)Fig.6 Distributions of penetration resistance of the sample

S2試驗中，上半區(qū)域的貫入阻力值主要集中在50～300 kPa，且貫入阻力等值線相比S1試驗要疏松得多，S1試驗中貫入阻力大于等于100 kPa的等值線主要分布在縱坐標300～375 mm的區(qū)域內，而S2試驗中等值線則幾乎分布在了整個縱向的跨度，反映出S2試驗在上半區(qū)域的處理范圍要大于S1試驗。同時下半區(qū)域的貫入阻力值集中在75～500 kPa，等值線圖表現(xiàn)出較大的處理范圍，其中大于等于100 kPa的等值線幾乎覆蓋了整個下半區(qū)域。

S3試驗中，上半區(qū)域的貫入阻力值主要集中在50～800 kPa，尤其是300～1 000 kPa的分布區(qū)域要顯著大于S1和S2試驗，大于等于100 kPa的等值線也覆蓋了絕大部分的上半區(qū)域，相比S2試驗的處理范圍更大，這是由于S2試驗在通電5 h后，由中間注漿孔注入CaCl2溶液，注入后抑制了上半區(qū)域的排水及加固過程，S3試驗在通電12.5 h后由中間孔注入，因此上半區(qū)域的排水及加固過程的時間S3試驗長于S2。而對于S1試驗，通電初始上半區(qū)域的排水及加固過程便被抑制，因此，上半區(qū)域的處理范圍在三者試驗中最小。S3下半區(qū)域的貫入阻力值主要集中在0～400 kPa，其中大于等于100 kPa的等值線的覆蓋范圍小于S2試驗。綜上，S2和S3試驗的處理效果好于S1試驗，其中S2試驗對下半區(qū)域的處理效果最佳，S3試驗對上半區(qū)域的處理效果最佳，因此通電初始即向中間孔注入CaCl2溶液，下半區(qū)域的排水及加固效果反而不佳，同時上半區(qū)域的排水過程也較早地受到抑制，選取合適的時間向中間孔注漿，可以使上、下半區(qū)域的處理效果均達到最佳。

3 結論

1)陽極-中間孔聯(lián)合注漿電化學加固處理時，注漿時序的選取對試驗土體電流和排水會產生顯著影響。通電初始即向陽極、中間孔中注入CaCl2時，排水速率與電流表現(xiàn)為單峰特征，當通電一段時間后再向中間孔中注入CaCl2時，排水速率與電流則表現(xiàn)為雙峰特征，適當推遲中間孔注漿的時間有利于提高總排水量。

2)陽極-中間孔聯(lián)合注漿的方式促進了下半區(qū)域的固結沉降，三組試驗中，S2試驗各點最終沉降相較于S1、S3試驗更均勻，因此選擇合理的時段向試樣的中間孔注入CaCl2溶液可以使整個試樣區(qū)域的沉降更加均一。

3)試驗結束后，S2和S3試驗加固均勻性和加固范圍明顯好于S1試驗，其中S2試驗對下半區(qū)域的處理效果最佳，S3試驗對上半區(qū)域的處理效果最佳，因此通電初始即在中間孔注漿，不利于上、下半區(qū)域的加固。從排水量、沉降及加固均勻性等因素綜合考慮，后期有必要進一步研究合理的注漿時序。