朱棟梁，林融冰，柏 巍,，周衛(wèi)文，楊愛(ài)武，劉永紅

(1. 湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，武漢 430000；2. 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071； 3.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300381；4.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 宜昌443002)

0 引 言

近年來(lái)，一方面國(guó)內(nèi)各大江、河、湖泊淤積嚴(yán)重，急需清淤，另一方面由吹填的超軟淤泥土形成的土地迫切地需要加以開(kāi)發(fā)利用，以緩解土地供應(yīng)或交通壓力日益增長(zhǎng)的矛盾。疏浚的湖相吹填土具有高含水率、高孔隙比、低滲透性、高黏粒含量、高壓縮性和超低強(qiáng)度及承載力的特征等特點(diǎn)[1,2]，且在自重下固結(jié)需很長(zhǎng)時(shí)間，此類超軟弱地基的處理已經(jīng)成為工程建設(shè)中重要的一環(huán)，其核心技術(shù)難題是如何快速、高效、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行處理加固。

對(duì)于此類吹填淤泥場(chǎng)地地基，由于工程條件，砂源等因素的限制，制約了傳統(tǒng)真空預(yù)壓法的應(yīng)用，取而代之的是無(wú)砂墊層的真空預(yù)壓處理方法[3-8]。該法取消了常規(guī)真空預(yù)壓法中的水平排水砂墊層，將軟基中的垂直塑料排水板與真空抽氣管直接連接，起到節(jié)省砂料、降低費(fèi)用、縮短加固工期的作用。但此技術(shù)處理的土體強(qiáng)度增長(zhǎng)有限，地基有效加固深度小，地基承載力仍然較低，其主要原因包括黏粒含量過(guò)高導(dǎo)致豎向排水板嚴(yán)重淤堵、排水系統(tǒng)內(nèi)真空度局部損失大、豎向排水體彎曲程度大等。上述原因均降低了排水系統(tǒng)的排水效率，導(dǎo)致無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法加固軟土地基呈現(xiàn)出前期效果明顯、后期疲軟的現(xiàn)象，因此仍需提高改進(jìn)。

20世紀(jì)30年代Casagrande將電滲技術(shù)應(yīng)用于軟土加固中，用以提高土體的抗剪強(qiáng)度與穩(wěn)定性[1]。主要是利用電滲對(duì)于對(duì)細(xì)顆粒含量大、低水力滲透系數(shù)的軟黏土，只需較小的電勢(shì)梯度就能產(chǎn)生相對(duì)較大的孔隙水滲流的特點(diǎn)。將電滲技術(shù)引入到軟土的快速排水固結(jié)成為可行的思路。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為將電滲技術(shù)引入到土體加固中進(jìn)行了廣泛研究，如室內(nèi)電滲試驗(yàn)[9-13]、現(xiàn)場(chǎng)電滲試驗(yàn)[14-17]、數(shù)值方法與理論研究[18-26]等，研究?jī)?nèi)容也包括了極性轉(zhuǎn)換技術(shù)[27,28]、電滲對(duì)土體元素及礦物成分的影響[29]、含鹽量對(duì)電滲的影響[30]、電動(dòng)土工合成材料[31-33]，研究對(duì)象包括吹填土、污染土[34,35]、堿渣土[36]等。但是，在單純電滲作用下，陽(yáng)極附近會(huì)因?yàn)楹式档屯馏w收縮產(chǎn)生諸多微裂縫，導(dǎo)致界面電阻急劇變大，電能消耗嚴(yán)重。一般認(rèn)為真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合作用下，真空荷載對(duì)土體的作用力近似為球應(yīng)力，對(duì)土體向中間擠壓，因此有利于減少微裂縫。電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法在處理軟土地基時(shí)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，也引起了越來(lái)越多研究者的關(guān)注，并取得了重要的進(jìn)展。如沈揚(yáng)等[14]結(jié)合溫州某吹填土地基處理工程，對(duì)電滲復(fù)合真空覆水預(yù)壓技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)電滲復(fù)合真空覆水預(yù)壓法加固效果好于真空覆水預(yù)壓法；吳輝等[22]通過(guò)對(duì)真空預(yù)壓-電滲固結(jié)問(wèn)題的軸對(duì)稱概化模型的研究發(fā)現(xiàn)真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合作用時(shí)地基中將形成更大的負(fù)超靜孔壓，達(dá)到更好的預(yù)壓效果，同時(shí)有效地減小地表的差異沉降；高志義等[37]通過(guò)真空預(yù)壓和真空聯(lián)合電滲加固法的室內(nèi)模型，發(fā)現(xiàn)真空聯(lián)合電滲加固使土體強(qiáng)度提高2～5倍。

真空預(yù)壓法及電滲法具有較強(qiáng)互補(bǔ)性，兩者結(jié)合可以達(dá)到提高土體處理效果、改善土體處理均勻性的目標(biāo)。但這些研究并沒(méi)有考慮電滲-真空預(yù)壓復(fù)合時(shí)電滲最佳介入時(shí)間點(diǎn)問(wèn)題，可以肯定的是，電滲并非越早介入越好，而過(guò)晚介入又達(dá)不到更高效排水固結(jié)的目的，因此本文在室內(nèi)開(kāi)展模擬試驗(yàn)探究電滲-真空預(yù)壓復(fù)合作用下，獲得含水率、電流、排水量等參數(shù)的變化規(guī)律、以期發(fā)現(xiàn)電滲的最佳介入時(shí)間點(diǎn)，并對(duì)電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法的效果進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自鄂州某吹填土場(chǎng)地，該場(chǎng)地采用絞吸式挖泥船進(jìn)行多點(diǎn)多次吹填，吹填面積約200 萬(wàn)m2，吹填淤泥土厚度約為3～6 m，如圖1所示，新近吹填河湖相淤泥具有含水率高，壓縮性大，透水性差，初始承載力極低的特點(diǎn)，且靜置數(shù)月后仍為流塑狀態(tài)。

圖1 鄂州吹填工程場(chǎng)地圖Fig.1 The hydraulic fill project located in Ezhou

該場(chǎng)地內(nèi)所取的試驗(yàn)土樣的含水率80%～160%，比重2.6～2.7 g/cm3，天然密度平均值為1.42 g/cm3，最小滲透系數(shù)為1.75×10-7cm/s。試驗(yàn)時(shí)，將多處土樣混合并攪拌均勻，攪拌后土樣的顆粒組成為0.075～0.005 mm顆粒占比51.4%，粒徑小于0.005 mm的占46.5%，Al2O3/SiO2比值為0.31，液限69.0%，塑限38.5%，塑性指數(shù)30.5。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要為有機(jī)玻璃模型筒(高1.0 m，內(nèi)部直徑0.5 m，厚 0.015 m)，如圖2(a)和圖2(c)所示。將上述土樣的初始含水率調(diào)制為160%后呈流塑狀態(tài)，初始泥面高度為0.9 m。整個(gè)裝置分為電滲系統(tǒng)、排水系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。電滲系統(tǒng)由陰陽(yáng)極(外徑2 cm，壁厚3 mm長(zhǎng)度為50 cm的HRB235鋼管)、整流器、導(dǎo)線等組成，其中陰陽(yáng)極采用梅花形電極布置形式，如圖2(b)所示，陽(yáng)極位于有機(jī)玻璃模型筒中心，陰極緊貼導(dǎo)電塑料排水板布置于有機(jī)玻璃模型筒壁附近；排水系統(tǒng)由導(dǎo)電塑料排水板、射流真空泵和多條塑膠管等組成；此外，還設(shè)置溫濕度傳感器、孔隙水壓計(jì)、天平、電壓電流計(jì)等用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中不同位置含水率、排水量、土體中電流、電壓的動(dòng)態(tài)變化。

1-溫濕度傳感器；2-孔隙水壓力傳感器；3-電極陰極；4-電極陽(yáng)極；5-塑料排水板。圖2 試驗(yàn)裝置Fi.2 Test apparatus

1.3 試驗(yàn)方案

為了比較電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法與單純真空的加固效果及獲得電滲最佳介入時(shí)機(jī)，采用了3種試驗(yàn)方案，如表1所示，其中方案A為單獨(dú)真空預(yù)壓處理，方案B和方案C分別為電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法的持續(xù)通電模式和間歇通電模式。

表1 試驗(yàn)方案表Tab.1

試驗(yàn)過(guò)程中記錄排水量、陰陽(yáng)極附近含水率、電流、孔隙水壓力等變化量，并在試驗(yàn)結(jié)束后沿深度方向、半徑方向各取三個(gè)位置，共計(jì)9個(gè)位置進(jìn)行取樣，對(duì)9組土樣依次進(jìn)行微型十字板剪切試驗(yàn)測(cè)試土體強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電極與土體表觀變化

在電滲過(guò)程中，陽(yáng)極發(fā)生如氧化反應(yīng)和水解反應(yīng)：

2H2O→4H++O2↑+4e-

F3-3e-→Fe3+

陰極發(fā)生水解反應(yīng)：

2H2O+2e-→H2↑+2OH-

試驗(yàn)過(guò)程中，真空預(yù)壓-電滲復(fù)合試驗(yàn)過(guò)程中陽(yáng)極存在一定腐蝕，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)電極進(jìn)行烘干稱重，陽(yáng)極損失質(zhì)量約占試驗(yàn)前的10%，值得注意的是雖然陽(yáng)極的損失量能夠反映電化學(xué)反應(yīng)(即電滲法進(jìn)行的程度)，但陽(yáng)極損失量包含因?yàn)殡娀瘜W(xué)腐蝕而剝落但并未參加反應(yīng)的鋼塊，因此并不能以陽(yáng)極損失量定量地推斷電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。電滲試驗(yàn)前后的電極對(duì)比如圖3所示。

圖3 電滲前后電極對(duì)比Fig.3 Comparision of electrode between before and after electro-osmosis

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)比陰陽(yáng)電極附近土樣的顏色發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極呈紅褐色，陰極呈灰色。這是因?yàn)殛?yáng)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)e3+滲入陽(yáng)極土體呈現(xiàn)紅褐色[另外產(chǎn)生的Fe3+可以與OH-結(jié)合形成Fe(OH)3膠體，使土體變的密實(shí)。且Fe3+可以使土體顏色改變，陰陽(yáng)兩極土體對(duì)比如圖4所示]，土體的顏色變化可以反映出電化學(xué)反應(yīng)的離子量多少，從而能夠反映出電化學(xué)反應(yīng)的程度及排水固結(jié)的程度。

圖4 陰陽(yáng)電極土樣對(duì)比Fig.4 Comparision of soil at the anode and cathode

2.2 排水量變化特征

固結(jié)過(guò)程是土體中水分不斷排出的過(guò)程，不同的試驗(yàn)中，排水量隨時(shí)間變化如圖5所示。

圖5 排水量時(shí)程曲線Fig.5 Time-history curve of drainage

由排水量時(shí)程曲線可知：在三組試驗(yàn)中，固結(jié)試驗(yàn)初始初期，各組排水速率基本相同，A方案的排水量時(shí)程曲線曲率較大，且A方案的排水速率下降速度大于連續(xù)通電與間歇通電作用下的真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合試驗(yàn)，最終電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法試驗(yàn)復(fù)合相比單獨(dú)真空預(yù)壓作用排水量提高了14%。圖5數(shù)據(jù)還表現(xiàn)為間歇通電模式(方案C)的排水效果要稍弱于連續(xù)通電模式(方案B)。但由于間歇通電模式利用的電能更少，因此，其節(jié)能效果要強(qiáng)于持續(xù)通電模式。排水固結(jié)前期主要是自由水的排除，土體的空隙率較大，滲透阻力很小，因此排水板數(shù)目與真空度是決定排水速率的主要因素。真空預(yù)壓作用一段時(shí)間后，排水板附近土體變得致密，真空預(yù)壓真空度傳遞受阻，同時(shí)，排水板也因土體細(xì)顆粒的吸附發(fā)生淤堵等問(wèn)題，降低了真空預(yù)壓作用的效率。采用電滲-真空電滲聯(lián)合法，電滲作用會(huì)使水分由陽(yáng)極區(qū)向陰極匯集，即電滲引起的孔隙水流動(dòng)方向與真空作用下孔隙水流動(dòng)方向一致，產(chǎn)生疊加效應(yīng)，從而提高排水效率。

2.3 含水率變化特征

試驗(yàn)過(guò)程中有機(jī)玻璃模型筒中心位置土體的含水率變化與有機(jī)玻璃模型筒壁周圍土體的含水率變化分別入圖6(a)和6(b)所示。

圖6 含水率變化曲線Fig.6 Changing curve of water content

從有機(jī)玻璃模型筒中心位置土體的含水率變化曲線中[圖6(a)]可以發(fā)現(xiàn)三種方案的試驗(yàn)初期，含水率基本保持一致，而在41h左右時(shí)，A方案的含水率明顯高于B方案和C方案，其含水率下降速率也明顯低于B方案和C方案，表明電滲的效果在此開(kāi)始體現(xiàn)；最終B方案和C方案相比A方案可以使含水率可以多降低15%左右。但有機(jī)玻璃模型筒壁周圍土體的含水率變化曲線[圖6(b)]中，雖然含水率依然是A方案最高，但差異遠(yuǎn)沒(méi)有模型筒中心位置土體的明顯。這是由于陽(yáng)極布置于中心位置，而陰極布置于模型筒壁，導(dǎo)致電滲作用下，陽(yáng)極水向陰極補(bǔ)給的緣故。橫向?qū)Ρ葓D6(a)和圖6(b)可知：連續(xù)通電作用下的真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合試驗(yàn)中，在41h后，陰陽(yáng)兩極含水率差別逐漸變大，最終試驗(yàn)結(jié)束時(shí)陰極含水率高于陽(yáng)極含水率5.6%；在間歇通電作用下，真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合試驗(yàn)，最終陰極含水率高于陽(yáng)極含水率5%。

2.4 排水速率變化

真空預(yù)壓與間歇通電下真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合情況下排水速率如圖7所示。

圖7 排水速率曲線Fig.7 Time-history curve of drainge rate

在試驗(yàn)41 h前，電滲與電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法排水速率基本相等，說(shuō)明在含水率較高的情況下，排水主要在真空預(yù)壓作用下完成，電滲并不能夠加快排水速率，這是因?yàn)樵诤瘦^大的情況下，主要排出的是自由水，真空預(yù)壓在自由水較多的情況下排水速率較好，排水板排水速率由真空預(yù)壓真空度和排水板的數(shù)量決定。當(dāng)含水率較小時(shí)，自由水含量減少，同時(shí)因?yàn)樵谡婵疹A(yù)壓作用過(guò)程中，由于水力作用，排水板附近細(xì)小顆粒含量增加，滲透系數(shù)降低，單純的真空預(yù)壓法排水效率下降，此時(shí)介入電滲法能夠明顯提高排水速率。

2.5 電流變化

連續(xù)通電與間歇通電作用下的真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合作用下，土體中電流變化如圖8所示。

圖8 電流變化曲線Fig 8 Time-history curve of current

從圖8中可以看出，在試驗(yàn)開(kāi)始的前41 h，間歇通電與連續(xù)通電電流大小基本相等，這是因?yàn)樵?1 h前排水速率主要由真空預(yù)壓決定，電滲法對(duì)固結(jié)排水作用不大，因此在41 h前，連續(xù)通電與間歇通電作用下的真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合作用下土體含水率基本相等，土體電阻差別不大，因此間歇通電與連續(xù)通電的電流大小基本沒(méi)有差別；而在41 h以后，自由水含量降低，間歇通電的通電時(shí)間較短，排水速率略低于連續(xù)通電，因此在相同的時(shí)刻，間歇通電的含水率高于連續(xù)通電，間歇通電的電流強(qiáng)度高于連續(xù)通電，這與上文對(duì)比單純真空預(yù)壓與間歇通電排水速率的結(jié)論一致。

2.6 強(qiáng)度變化特征

試驗(yàn)結(jié)束后，將每組試驗(yàn)的陰極附近、中間位置、陽(yáng)極附近三個(gè)位置沿深度方向分三組進(jìn)行取樣，并依次進(jìn)行便攜式十字板剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of Vane shear tests

對(duì)比便攜式十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果可知，在上中下三個(gè)位置抗剪強(qiáng)度相差不大。在真空預(yù)壓處理試驗(yàn)中，排水板附近的固結(jié)效果最佳，十字板剪切試驗(yàn)值比中心位置土體高20%；在連續(xù)通電的真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合試驗(yàn)中，陰陽(yáng)兩極的抗剪強(qiáng)度差別較真空預(yù)壓較小，陽(yáng)極抗剪強(qiáng)度高出陰極抗剪強(qiáng)度的15%；間歇通電的真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合試驗(yàn)過(guò)程中，不同位置的抗剪強(qiáng)度分布特性與連續(xù)通電的真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合試驗(yàn)中相似：陽(yáng)極到陰極的十字板剪切試驗(yàn)值逐漸減少。連續(xù)通電與間歇通電的真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合試驗(yàn)最終不同位置的抗剪強(qiáng)度值差別不大，平均值基本相等。電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法相比單獨(dú)真空預(yù)壓法，陽(yáng)極附近土體抗剪強(qiáng)度提高38%，中間位置土體的抗剪強(qiáng)度提高了13%，陰極附近土樣抗剪強(qiáng)度三組試驗(yàn)差別不大。

整個(gè)試驗(yàn)組與以往工程實(shí)踐數(shù)據(jù)規(guī)律不同，試驗(yàn)組沿深度方向強(qiáng)度并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的差異，這是因?yàn)樵囼?yàn)?zāi)Ｐ洼^小，在1 m的范圍內(nèi)真空度不會(huì)出現(xiàn)明顯衰減，由裝置底部的空隙水壓力計(jì)(維持在81 kPa左右)也可以得出相同結(jié)論，根據(jù)以往的真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)真空度沿深度衰減規(guī)律來(lái)看，在2 m范圍內(nèi)真空度并沒(méi)有明顯衰減，因此本模型試驗(yàn)中沿深度方向強(qiáng)度變化不大。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本文的試驗(yàn)與分析，可得出以下電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法處理淤泥試驗(yàn)研究的結(jié)論。

(1)電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法試驗(yàn)相比單獨(dú)真空預(yù)壓作用排水量提高了14%；含水率從70.1%降低至54.1%左右，但連續(xù)通電模式和間歇通電模式相比，排水量和含水率差異均相對(duì)較小，總體來(lái)看，間歇通電模式的處理效果要稍弱于連續(xù)通電模式，但間歇通電模式能耗占優(yōu)。

(2)電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法相比單獨(dú)真空預(yù)壓法，陽(yáng)極附近土體抗剪強(qiáng)度提高38%，兩極中間位置土體的抗剪強(qiáng)度提高了13%，陰極附近土樣抗剪強(qiáng)度三組試驗(yàn)差別不大。

(3)三種試驗(yàn)方案的初期，排水量、含水率、排水速率均差別較小，但在試驗(yàn)進(jìn)行至41 h附近時(shí)，電滲-真空預(yù)壓復(fù)合法的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始體現(xiàn)，表明電滲作用對(duì)于上述土體的最佳介入時(shí)間在真空預(yù)壓開(kāi)始作用的41 h左右。

(4)通過(guò)上述試驗(yàn)，建議工程實(shí)踐中采用電滲-真空預(yù)壓法時(shí)的電滲的最佳介入時(shí)間為真空預(yù)壓持續(xù)至41 h左右，并以電滲-真空預(yù)壓的間歇通電模式為優(yōu)選方案。