崩岗土体电化学加固对抗剪特性的影响

汤海艳,黄炎和,林 强,田培聪,蒋芳市,葛宏力,魏 佳,陈嘉林,林金石

(1.福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002;2.福建省水土保持试验站，福建 福州 350001)

崩岗是指在水力和重力综合作用下，山坡土体受破坏而崩塌的侵蚀现象，属于复合侵蚀类型[1].它是中国南方红壤区侵蚀最严重、危害最大的典型土壤侵蚀形式[2].崩岗中崩壁的崩塌是侵蚀发展的关键过程.目前崩壁的治理一般采用生物措施和工程措施相结合的方式，如采用根系小、覆盖度高、抗干旱耐贫瘠的藤蔓型植物与打穴、削坡开梯、修筑崩壁小台阶等工程措施相结合，但在实施过程中，对崩壁土体的较大扰动及过度增加崩壁承重[3]，给二次水土流失埋下隐患；同时一些地理位置偏远的崩岗，生物措施和工程措施布设存在较大困难.因此，有关崩壁原位加固措施的研发已成为目前崩岗侵蚀治理需要解决的关键问题之一.

国内外学者已经对崩岗进行了一些探索和研究，大多数学者的研究集中于探讨崩岗发生的影响因素及侵蚀机理[4-5]；Luk et al[6-7]通过对南方地区土壤侵蚀的环境因素进行分析，认为地质地貌条件对崩岗的发育起重要作用；葛宏力等[8]研究福建省崩岗发育与地质地貌的关系时发现，崩岗发育区主要集中在断裂带；李学增等[9]指出崩岗的形成主要由于水力和重力作用的影响；李思平[10]指出土的崩解特性与节理裂隙的发育有关；张晓明等[11]指出干湿效应对崩岗区岩土的抗剪强度有显著影响.

电渗法是一种地基处理方法，20世纪90年代末，在电渗过程中加入盐溶液开始被广泛研究，后期主要针对在阳极注入不同类型不同浓度盐溶液(包括NaCl、KCl、CaCl2溶液)后，电动加固软土的试验现象及加固机理[12]进行研究.利用电化学法对海岸含钙沉积物进行加固的研究结果显示，添加15% CaCl2溶液对软土的黏结作用较强，土体强度增大[13]；Ou et al[14]、Chien et al[15]研究了不同类型、浓度盐溶液加固软土的效果，结果表明，Ca2+在软土中的交换能力较强，能减小双电层的厚度，黏土颗粒排列较紧密；Chang et al[16]探讨了不同浓度CaCl2溶液在不同的通电时间下，电化学加固软土的不同效果，结果表明，在短期内软土强度没有太大改善，阴极附近轻度有轻微提高；长期内软土强度会得到显著提高.研究表明，在化学电渗处理过程中，使用CaCl2溶液比其他类型溶液效果好[17].

化学电渗法加固土壤过程中，盐溶液与土壤发生化学反应，生成抗剪强度更高的产物，不仅能改善土体力学性质，也不会过度扰动土壤原有结构.且相对于传统的施工技术，化学电渗法具有工期短、成本低，对环境没有污染等优点[18]，是一种较为理想的加固方法.目前有关电动加固与治理崩岗的研究极少，而化学电渗法能否运用于崩岗土体原位加固还亟待研究.

因此，本研究选取福建省安溪县典型崩岗土体进行室内电动加固试验，在电渗过程中改变注入的CaCl2溶液浓度，研究电动加固过程中土体特性变化，并分析加固后崩岗土体抗剪强度变化特征，为化学电渗法应用于原位加固崩壁提供基础数据支撑.

1 材料与方法

1.1 试验土样

试验土样于2017年7月取自福建省安溪县龙门镇洋坑村一处典型崩岗，高10～35 m，坡度70°～90°，土壤为高度风化的花岗岩山体，土质疏松；坡面上形成侵蚀细沟，无植被生长；坡脚处可见崩积土堆积，坡度30°～45°.对崩岗自上而下分层取样，红土层、砂土层、碎屑层土样基本理化性质与力学性质见表1.

表1 试验土样理化性质与力学特性Table 1 Physiochemical and mechanical properties of the tested soil samples

1.2 试验装置

图1 电动加固装置图Fig.1 Set-up diagram of the electric reinforcement device

试验在自制的电渗排水固结装置[19]中进行，装置通电后，在电场作用下土体内部产生电渗现象，同时注入的化学溶液中的离子与土壤颗粒产生化学变化，产生的胶体和矿物质由于胶结硬化进一步提升土体强度.

试验装置(图1)包括：直流电源、试验箱、电极、注浆管、万用表、量筒.可调式稳压直流电源(电流0～5 A，电压0～60 V)用于控制输出电压.实验箱由亚克力有机玻璃板制成，长×宽×高为32 cm×20 cm×15 cm，阴极底部中间位置开有一个直径1 cm的小孔作为排水口，排水口上端铺一层土工布，以防土样通过排水口进入量筒，下方置量筒以收集实验过程中土体排出的水分.土样高12 cm.阴阳两极均为由5根长15 cm，直径8 mm的不锈钢铁棒焊接成的“山”字形电极.注浆管也为5根长15 cm，直径1.5 cm的PVC管，注浆管埋入土样内部分，管壁每隔1 cm处打孔，用土工布包裹防止土样进入注浆管，管底用橡皮塞封闭，更有利于CaCl2溶液向土体扩散.万用表用来测量试验过程中电流变化.

1.3 试验方案

试验于2017年8月开始，采用重塑土样.将采集到的3个土层(红土层、砂土层及碎屑层)土样风干、过2 mm筛，根据各个土层的干密度及30%的目标含水率，计算所需要的风干土质量和纯水质量后，调匀填于土样试验箱中，密封后静置48 h使土样含水率均匀.土体两端施加45 V电压，极距为28 cm，电压梯度为1.61 V·cm-1[20].电化学加固试验的基本参数如表2所示.

表2 电化学加固试验基本参数Table 2 Basic parameters of electrochemical reinforcement test

图2 含水率测点分布图Fig.2 Layout for measuring points of water content

分别对3个土层进行5组电化学加固试验，对应5个CaCl2溶液浓度梯度分别为0%、5%、15%、25%、35%，浓度为0%的即为普通电渗排水法，共15组，其含水率、电压、电极距等条件基本相同.通过对比试验过程中的电流、排水量、排水速率以及试验后土体含水率、抗剪强度结果，分析不同浓度CaCl2溶液对崩岗3个土层的影响.试验设置3次重复.

通电2 h后开始注入CaCl2溶液，第一次注浆100 mL，通电1.5 h后断电12 h再通电，且每隔2 h注浆25 mL，注满92 mL为止，注浆总量为192 mL.之后每通电12 h后断电12 h，直至排水口不再出水即停止试验[21-22].试验过程中每隔1 h观察电流、排水量情况[23-24].试验结束后按图2所示测点位置分别取样测试含水率，之后用LH-DDS-4型四联直剪仪对土样进行直接剪切试验.

1.4 数据计算与分析

土壤抗剪强度相关指标的计算公式为τf=σtanφ+c.

式中：τf为土的抗剪强度(kPa)；σ为作用在剪切面上的法向应力(kPa)；φ为土的内摩擦角(°)；c为土的粘聚力(kPa)[25-26].

数据处理及统计分析采用SPSS 18.0软件进行，直接剪切前期处理采用华宁土工试验程序.

2 结果与分析

2.1 崩岗土体电化学加固过程中的电流变化特征

电化学过程中，土体的电流值变化特征，可判断试验的电荷迁移过程[27]，以及电渗试验的能耗情况.接通电源时，红土层、砂土层、碎屑层各组试验初始电流分别为2.62、2.03、1.50 A(图3).持续通电2 h，期间内电流无明显变化，之后进行注浆.第一次注浆1.5 h后，3个土层各组试验的电流表现为注入浓度为0%(即超纯水)的电流均无明显变化；注入CaCl2溶液的电流均迅速增大，且CaCl2溶液浓度越高，电流越大.3个土层电流均在CaCl2溶液浓度为35%时出现峰值，红土层为5.08 A，砂土层为5.12 A，碎屑层为5.09A .这与韩舰辉等[22]人的研究结果一致，电流发生突变是由于CaCl2溶液的注入增加了土体的导电性，土体中的离子移动速度变化，说明通过增加Ca2+离子量来提高土体导电性在电渗初始阶段有效.

断电12 h后继续通电，之后每隔2 h注入浆液.3个土层中，注入等量超纯水的由于土体含水量增加，电流有较小波动；注入CaCl2溶液的电流呈波浪式升降，每注浆一次，电流达到一个峰值，之后又降到谷点，这与张雷等[28]的研究结果相似.累计通电15.5 h后，砂土层中CaCl2溶液浓度为15%、25%时试验结束，剩余3个浓度以及碎屑层各组试验的电流均呈持续下降趋势；而红土层各组电流均出现回升现象，回升处表明该时间点为断电后再通电，说明间歇通电可以减少电渗过程中的电极腐蚀和电能消耗[29].且除碎屑层15%浓度条件下电流下降较慢，其它各组试验均为CaCl2溶液浓度越高，电流下降趋势越快，这是由于高浓度的溶液含盐量较高，高导电率会造成过大的能量消耗和电化学反应导致金属阳极腐蚀较严重，使得电流减小[30].

3个土层中，砂土层各组试验结束最早，其次为碎屑层，通电时间最长为红土层，最长达到111.5 h.这是由于崩岗土红土层黏粒含量较多，颗粒间较紧密，持水能力强，排水量小；而砂土层、碎屑层由于颗粒间空隙大，持水能力差，排水量大，土体电阻变大，导致电渗过程过早结束.且试验过程中化学电渗法的电流值始终高于普通电渗法，3个土层中普通电渗排水的电流在开始通电时最大，随时间逐渐减小，试验结束时，电流达到最低值.

图3 电流变化曲线Fig.3 Current variation curve

2.2 崩岗土体电化学加固过程中排水量和排水速率变化特征

电渗排水总体积与单位时间排水速率，反映了试验过程中的电渗渗流情况及试验进程.电动加固过程中，阳极附近土体的自由水和一部分弱水结合水在电场的作用下向阴极移动，阴极附近土体的含水量逐渐增多，并在重力作用下通过排水孔排出土体[19].不同CaCl2溶液浓度条件下，红土层、砂土层、碎屑层累计电渗排水量及排水速度随时间的变化曲线如图4所示.累计通电3.5 h时，砂土层和碎屑层开始排水，而红土层在累计通电15.5 h后才开始排水.且碎屑层的累计排水量最大，砂土层次之，红土层最少.这是由于红土层富含铁铝氧化物和有机质等胶结物质，质地黏重，注入CaCl2溶液后，溶液中的Ca2+与土壤胶体表面的双电层中的离子进行交换结合成更紧密更大的胶体，使得土壤颗粒之间排列更紧密，从而水分更难从阳极向阴极移动[12].3个土层中，红土层与砂土层的累计排水量与CaCl2溶液浓度成正相关关系，CaCl2溶液浓度为35%时，累计排水量最大分别为39.3、130.5 mL；碎屑层累计排水量最大值211.0 mL出现在浓度为15%时；且在相同通电时间下，3个土层中电化学组排水能力明显优于普通电渗法，说明注入盐溶液增加了土体中阳离子量，极大地促进土样中水的排出[19,24].从图4可以看出，3个土层各组试验的排水速率整体都呈前期快速上升，后期快速下降的趋势，图中波动处为注浆时刻.CaCl2溶液浓度越高，在试验初期电渗排水越快；当累计通电17.5 h后，排水速率降低趋势也越快.说明试验中后期所注浆液与土体已发生胶结硬化，一定程度上阻碍了排水通道.排水速率曲线随着排水量的增加与电流变化规律一致，呈先上升后下降趋势，表明排水速率与电流和土体胶结程度有关.

图4 累计排水量及单位时间排水率曲线Fig.4 Cumulative drainage volume and rate

化学电渗法常用于含水量较高的软黏土地基处理，电渗排水总量一般远大于注浆量，故可忽略注浆量对电渗排水量的影响，将排水量作为衡量加固效果的指标之一.本试验根据自然条件下崩岗土体含水率设置初始含水率为30%，由于崩岗土体特殊的理化性质以及电渗时长各不相同等原因影响，红土层与砂土层的累计排水量均低于注浆量，因此无法忽略注浆量对电渗排水量的影响.故对于崩岗土来说，不能将排水量作为判断加固效果优劣的指标.这与王宁伟等[31]认为排水量是加固效果优劣最重要的指标，因此用排水量作为指标进行分析的结果不一致.

2.3 崩岗土体电化学加固后土体含水率分布特征

随着试验的进行，土体电渗排水体积不断增大，故土体不同位置处的含水率随试验进行减小程度有所不同.通电结束后，去除阴阳极附近2 cm范围土样，取A1—E1、A2—E2共10个点测含水率，测得含水率求平均值，得到试验后土体含水率分布，如图5所示.定义距离阳极2～9 cm区域为阳极区域，9～23 cm为中间区域，23～30 cm为阴极区域.电化学加固后的3个土层，在不同浓度条件下，阳极区域含水率均明显降低，越往阴极，含水率越高.红土层各浓度条件下的含水率整体偏高；且与砂土层均表现出CaCl2溶液浓度越高，整体含水率越低.可以看出含水率的分布规律和阳离子在电场中的移动方向一致，说明电渗排水的过程就是阳离子吸附水分子并在电场作用下迁移到阴极的过程，且阳离子浓度越大，排水效率越高，但同时含水率分布不均现象越明显[24].碎屑层则在CaCl2溶液浓度为15%时，整体含水率最低.这是由于碎屑层在15%浓度条件下，电流下降趋势最慢，电渗时间最长，累计排水量最大，是加固碎屑层的最佳浓度条件.

图5 土体含水率分布图Fig.5 Water content distribution

由于各组试验的土样质量及初始含水率已知，可以根据各组试验的累计排水量反算试验后土体平均含水率，再与实测土体平均含水率进行对比.土样在电化学作用下的反算与实测加固后土体含水率相差在1.5%～2.8%范围内，表明除了排出的水外还有其他因素影响了土体含水率，如在阴、阳极处发生的电解水反应；同时，通电过程中由于传导电流将电能转换为热能使土体发热，也会引起土体中部分水分的蒸发[32].

2.4 崩岗土体电化学加固后土体抗剪强度分布特征

通电结束后，待试验土样龄期达到7 d后，利用LH-DDS-4型四联直剪仪对其进行直接剪切试验.试验土样高12 cm，定义深度6 cm处为中层，将土样分为上、中、下层作为3个重复.土体的抗剪强度一般由粘聚力和内摩擦角2个指标来表征，粘聚力主要是由于土壤细颗粒间的相互连接所形成的，内摩擦角是土颗粒的表面摩擦力和颗粒间咬合力决定的[33].

不同CaCl2溶液浓度条件下电动加固后，3个土层不同区域抗剪强度情况如图6所示.红土层粘聚力随着CaCl2溶液浓度的增大而增大，阴极区域的粘聚力均大于阳极区域.红土层含有大量铁铝质氧化物，由于通电过程中发生一系列电渗、电解、电化学作用，又产生了Fe(OH)3、Ca(OH)2、CaCO3等化学胶结物质，对土粒间粘着力和填充孔隙起到加强作用，故土体粘聚力有显著的提高[34].且根据Chang et al[16]的研究，随着龄期的增长，阴极区域土体的承载力将超过阳极区域.这是由于试验前期土样整体呈酸性，主要发生离子交换，并在阴极伴随少量的Ca2+沉淀，随着Ca2+不断在阴极聚集而生成氢氧化钙沉淀，使阴极区域土体抗剪强度逐渐超过阳极区域，即阴极为主要化学沉淀区[34].在CaCl2溶液浓度为35%时，阳极区域粘聚力比普通电渗法条件下增加了44.98%，阴极区域增加了33.07%，中间区域整体高于普通电渗法，可见对于红土层，电化学对土体的加固作用显著强于普通电渗法.砂土层中注入CaCl2溶液浓度为0%、5%、35%及碎屑层中注入浓度为0%、5%、15%的试验土样粘聚力变化情况均与红土层一致，随距阳极距离的增加而增大，且化学电渗组的土体粘聚力均大于普通电渗组；然而砂土层中注入CaCl2溶液浓度为15%、25%及碎屑层中浓度为25%、35%的试验土样，阳极区域粘聚力随着CaCl2溶液的注入而增大，但随距阳极距离的增加反而减小，部分浓度下中间区域及阴极区域粘聚力甚至小于普通电渗法.这种粘聚力随距阳极距离的增加反而减小的现象，与其电渗时长有很大关系.由于CaCl2溶液浓度越高，土体含盐量较高，高导电率会造成过大的能量消耗和电化学反应，导致金属阳极腐蚀较严重，使得电渗时长过短，导致Ca2+离子大多停留在阳极附近，离子交换困难，造成阴极区域化学沉淀极少，故越往阴极，粘聚力越小.对图6分析可知，电化学法相比普通电渗法，对加固土体具有更好的效果，但也造成了加固后土体抗剪强度不均匀的问题[24].

将内摩擦角与距阳极距离制成趋势图，可以发现注入不同浓度CaCl2溶液对内摩擦角的影响并不显著.土壤内摩擦角反映了土的摩擦特性，一般可分为土颗粒的表面摩擦力和颗粒间咬合力，这两部分与土壤的颗粒结构、大小、形状以及密实程度有关[35].说明CaCl2溶液的注入对崩岗土颗粒的形状、大小等影响较小，且CaCl2溶液在土体内扩散不均匀也会导致内摩擦角变化不显著，因此影响土体抗剪强度的因素往往是通过改变粘聚力来实现的.

图6 粘聚力、内摩擦角随浓度变化关系Fig.6 Relationships between cohesive force,internal friction angle and concentration

3 结论

通过分析电化学加固对崩岗土体特性及抗剪强度的影响规律，结果表明：(1)崩岗红土层受电化学加固影响显著，加固后土样的抗剪强度与CaCl2溶液浓度成正相关关系，即注入浓度为35%的CaCl2溶液时加固效果最好.而砂土层和碎屑层由于土壤颗粒间空隙大，持水能力差，且高浓度CaCl2条件下电渗排水作用加强，单位时间排水速率较快，导致浓度梯度较高的试验组电渗过程过早结束，故电动加固后土体阳极区域抗剪强度有显著提高，中间区域及阴极区域受CaCl2溶液浓度影响的规律不明显.

(2)3个土层在试验初期CaCl2溶液浓度越高电流越大，中后期电流呈缓慢下降趋势，相比普通电渗法，电化学法单位时间排水速率加快，缩短了电渗时长，但同时也影响了土体的胶结程度，导致土体含水率和抗剪强度分布不均现象明显.

(3)对累计排水量分析得出，对于崩岗土而言排水量不能作为衡量加固效果的指标之一.