李水江,湯家郗,李校兵,王軍,3b,3c,符洪濤,3b,3c,劉飛禹

（1.廣州環(huán)保投資有限公司，廣州 510830；2.上海大學 土木工程系，上海 200444；3.溫州大學 a.建筑工程學院； b.浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點實驗室； c.浙江省海涂圍墾及其生態(tài)保護協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 溫州 325035）

經(jīng)濟快速發(fā)展，人口快速增長，導致中國東部沿海地區(qū)土地資源稀缺，現(xiàn)有土地難以滿足城市拓展需求。近幾十年來，沿海城市陸續(xù)開展海涂圍墾工程，以增加陸地面積，但其主要以含水率高、壓縮性高、抗剪強度和滲透性低的海底疏浚淤泥細顆粒作為填料[1]。疏浚淤泥地基工程性質(zhì)極差，施工前必須進行處理[2]。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，真空預壓法已成為最常用的疏浚淤泥地基處理方法之一[3]。但該方法處理疏浚淤泥時會因其滲透性低導致深層土固結(jié)不足[4]；且在恒定真空吸力作用下細顆粒會隨水遷移至排水板周圍，聚集形成土柱[5-6]，造成排水板淤堵、土體固結(jié)不均勻[7]。電滲法的優(yōu)點有：固結(jié)過程僅取決于土體電滲透系數(shù)，與顆粒粒徑無關(guān)[8]；電滲法加固深度大[9]，因此，在處理疏浚淤泥時可以有效克服真空預壓存在的技術(shù)性缺陷，但存在能耗大和處理后土體不均勻等問題。由于真空預壓法與電滲法能互相彌補技術(shù)性不足，因此，有研究者提出真空預壓聯(lián)合電滲法處理疏浚淤泥[10]。通過在電滲陰極布置排水板，使土體中自由水在真空壓力作用下通過排水板排出，通電后陽極區(qū)土體水分在直流電場作用下向陰極遷移排出，從而達到加固土體的效果。與兩種單獨工法相比，聯(lián)合工法在一定程度上促進了土體真空預壓排水且改善了電滲法處理后土體的不均勻性[11]。孫召花等[12]提出，聯(lián)合工法處理疏浚淤泥時，細顆粒仍會遷移至排水板附近，聚合形成致密土柱，影響排水效果，且電滲后期的能耗仍然過大，電極腐蝕較為嚴重。

強夯法應(yīng)用于飽和軟黏土處理時稱為動力固結(jié)，可產(chǎn)生強大的沖擊波，使內(nèi)部土體開裂，產(chǎn)生裂縫，增加排水通道，且能使土體表面的微裂縫彌合，增加土體整體性。筆者在真空預壓階段引入低能量逐級加能動力壓實法，聯(lián)合電滲法處理疏浚淤泥[13]，利用動力壓實法對土體表面反復施加高強度的沖擊作用，不僅可以在土中一定深度范圍內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，加速土中孔隙水壓力消散，還可以通過動力壓實的沖擊作用產(chǎn)生的沖擊波，使土體內(nèi)部產(chǎn)生動應(yīng)力，動應(yīng)力使排水板周圍土體的超孔隙水壓力增大，進而產(chǎn)生新的裂隙，使原本致密的淤堵土柱開裂[14]。由于動力壓實的間隔時間主要取決于超孔隙水壓力消散情況[15]，因此，采用孔壓消散比的概念來確定動力壓實的啟動時間[16]，研究在不同孔壓消散比下啟動動力壓實對孔隙水壓力、排水量、土表沉降和電流強度等指標隨時間的變化規(guī)律及對疏浚淤泥加固效果的影響，以期獲得最優(yōu)的動力壓實啟動時間。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用土樣取自溫州地區(qū)某一河道清淤工程。取土樣攪拌均勻后，根據(jù)《土工試驗標準方法》（GB/T 50123—2019），通過實驗室相關(guān)儀器對疏浚土樣的含水率、土粒比重、孔隙比、液塑限、土重度、電導率和滲透系數(shù)等相關(guān)物理力學參數(shù)進行測定，獲得疏浚淤泥的各項基本物理力學參數(shù)，如表1所示。

表1 疏浚淤泥基本物理力學參數(shù)Table 1 Basic physical and mechanical parameters of dredged slurry

1.2 試驗裝置及試驗方案

1.2.1 試驗裝置

真空預壓聯(lián)合電滲系統(tǒng)如圖1（a）所示，主要包括模型桶、真空泵（輸出功率3.88 kW，最大可施加真空壓力為98 kPa）、氣-水分離瓶、密封膜、整體式排水板、直流電源、孔壓計、陰極和陽極。有機玻璃自制模型桶壁厚為10 mm、內(nèi)徑為320 mm、高度為390 mm，共5 個。孔壓計固定在預制立管上，將預制立管準確插入土中，將孔壓計布置在垂直深度180 mm、距陰極水平方向60 mm 處，通過電子孔壓讀數(shù)儀采集試驗過程中孔隙水壓力。電滲陰極采用高為360 mm、直徑為7 mm 的光圓鋼筋；陽極采用6 根長度為360 mm、直徑為7 mm 的光圓鋼筋與內(nèi)徑為280 mm 的環(huán)形鋼筋焊接而成，電極按圖1（b）軸對稱二維模型排布，使土中電場接近中心對稱分布，以便更好地模擬實際情況。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

模型箱側(cè)視圖及動力壓實系統(tǒng)夯錘如圖1（b）所示，試驗采用自主設(shè)計的開口環(huán)形夯錘，可避免排水板彎折影響排水效果，更好地開展動力壓實。在土表密封土工膜上加設(shè)一層土工布并鋪設(shè)1 cm厚細砂墊層，防止夯擊破壞密封膜。根據(jù)相似原理設(shè)計動力壓實的工藝參數(shù)，提高模型試驗結(jié)果可靠性。采用低能量逐級加能的夯擊方式，可避免出現(xiàn)橡皮土，有效抑制孔壓的大幅升高，防止宏觀結(jié)構(gòu)破壞。試驗中各組動力壓實分別進行3 次滿夯。參照熊巨華等[17]對動力壓實模型參數(shù)的研究，試驗所用夯錘質(zhì)量為2.5 kg，每次夯擊落距分別為0.12、0.16、0.2 m，單次夯擊能根據(jù)式（1）計算，分別為3、4、5 J[18]。

式中：E為單次夯擊的能量，J；Q為夯錘的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取10 m/s2；h為夯錘落距，m。

試驗監(jiān)測點分布如圖1（c）所示。試驗前后分別對含水率、十字板剪切強度以及陽極質(zhì)量進行測量。試驗期間，每隔3 h 監(jiān)測一次土表沉降、排水量及電流強度。

1.2.2 試驗方案

孔壓消散比PPDR（Pore Pressure Dissipation Ratio）定義為：實時孔壓消散值與真空預壓聯(lián)合電滲法試驗組（PT 試驗組）的最大孔壓消散值之比，用于確定各組真空預壓階段動力壓實的啟動時間，表示為

式中：Pt為VP-DC 階段實時孔壓消散值，為前一測得孔壓值減去后一測得孔壓值，kPa；Pmax為PT 組VP 階段最大孔壓消散值，kPa。

4 組對比試驗（T1～T4）如表2 所示。其中，VP-EO 表示真空預壓-電滲試驗；VP-DC-EO 表示真空預壓-動力壓實-電滲試驗。圖2 為PT 組試驗VP 階段孔隙水壓力時程曲線，VP 階段孔壓消散值最大為14.3 kPa。T1～T4 組VP 階段的動力壓實啟動時間均以表2 為依據(jù)；各組試驗VP 階段土體排水均困難時同時啟動電滲，EO 階段土體排水量低于0.01 kg/h 時停止試驗。

圖2 PT 組VP 階段孔壓消散值隨時間的變化關(guān)系Fig.2 Variations in the dissipation value of pore water pressure with time in VP stage of PT group

表2 試驗方案Table 2 Test schemes

表2 中，以PT 組VP 階段孔壓消散最大值14.3 kPa 為基準，根據(jù)PPDR 大小來控制壓實頻率和間隔時間。以T1 為例，首次動力壓實時刻為孔壓消散初始值0 與14.3 kPa 差值的50%；下一次夯擊時刻對應(yīng)于上一次夯前孔壓消散值增加到與14.3 kPa差值的50%，以此類推，其余試驗組同理。

試驗步驟為：1）將電滲陽極架和固定好孔壓計的鐵架放置于模型桶中，將疏浚淤泥土樣倒入模型桶靜置24 h，完成初固結(jié)；2）將陰極整體式排水板插入模型桶土樣中心，使陽極和陰極二維同軸布置；3）連接管線，排水板通過密封接頭與真空軟管連接，外接氣-水分離瓶和真空泵，孔壓計連接孔壓讀數(shù)儀，采集數(shù)據(jù)，記錄孔隙水壓力的變化，將陰極與陽極通過導線相互連接并用導線外接電源；4）將土工膜和土工布鋪設(shè)在土樣上，用玻璃膠密封潛在漏氣位置，并在土工布上鋪設(shè)1 cm 厚細砂墊層。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 孔隙水壓力消散值

根據(jù)采集到的孔隙水壓力值，計算孔隙水壓力（孔壓）消散值，繪出圖3 曲線。從圖中可以看出，各組試驗的孔壓消散值均隨時間不斷增大；初期變化基本一致，但隨著T1～T4 分別啟動動力壓實，孔壓消散值區(qū)別明顯。

圖3 孔隙水壓力消散值隨時間的變化關(guān)系圖Fig.3 Variations in the dissipation value of pore water pressure with time

真空預壓階段結(jié)束時，PT、T1、T2、T3 和T4組孔壓消散值大小分別為14.3、14.8、16、16.4、15.4 kPa，大小排序為T3＞T2＞T4＞T1＞PT。動力壓實對土體表面的沖擊作用會使土體內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，排水通道數(shù)量增加[19]；同時，由于沖擊作用，排水板附近聚集形成的致密土柱開裂，有利于土中自由水排出，加速孔隙水壓力消散[20]，緩解淤堵效應(yīng)，因此，T1～T4 的孔壓消散值均高于PT。由于T1～T4 的動力壓實啟動時間點不同，使得產(chǎn)生超孔隙水壓力的時間不同，故孔壓消散過程也有差異。由圖3 可知，夯擊時刻產(chǎn)生的超孔隙水壓力使孔壓消散值突變減小，新增排水路徑形成后，孔壓得以更快消散。因靠近陰極的土體排水路徑較短，孔壓消散最快，故排水板周圍土體固結(jié)更快。

對于T1 組，動力壓實雖使土體產(chǎn)生裂縫，但該時段真空預壓排水較容易，因此促進效果不明顯；另一方面，動力壓實啟動過早會使土體孔隙封閉，產(chǎn)生“鎖水”現(xiàn)象，導致孔隙內(nèi)自由水不能及時排出；對于T4 組，由于啟動時間位于真空預壓階段后期，土中自由水含量過少，故動力壓實產(chǎn)生的超孔隙水壓力較小，達不到理想促進效果。對于T2 組，動力壓實產(chǎn)生的超孔隙水壓力最大，孔壓消散速率大于T1 組，但小于T3 組，T2 組的孔壓消散值在第一次夯擊后被T3 組反超。這是由于T2 組與T3 組啟動動力壓實的PPDR 不同，使得土柱開裂產(chǎn)生的排水通道數(shù)量不同，T3 在PPDR 為70%時夯擊，動力壓實產(chǎn)生的排水路徑比T2 更多，孔壓消散更快，因此，改善效果更顯著。綜上所述，T3 的動力壓實啟動時間最優(yōu)。

2.2 排水量

將土中排出的水收集在氣-水分離瓶中，圖4 繪制了各組試驗排水量隨時間變化的關(guān)系曲線。由圖4 可知，試驗初期各組排水量變化基本相同。啟動動力壓實后，T1～T4 排水質(zhì)量明顯增加；動力壓實啟動時間不同，使排水量出現(xiàn)顯著差異。真空預壓階段結(jié)束時，各組排水量分別為4.57、4.82、5.34、5.67、5.08 kg。整個試驗結(jié)束后，排水量分別達到7.17、7.35、7.75、8.03、7.55 kg。

圖4 排水量隨時間的變化關(guān)系圖Fig.4 Variations in the change of discharge with time

對比上述試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，T1～T4 的排水量均高于PT，真空預壓使土體趨于密實，動力壓實使土體內(nèi)部開裂，產(chǎn)生新的排水通道，有效提高了排水效率。對于T1～T4，夯擊使得排水量急劇增大，T2～T4 的排水量高于T1，且T3 的排水量最高。T1 啟動動力壓實的時間較早，土中自由水較多，夯擊使土體孔隙產(chǎn)生了“鎖水”現(xiàn)象，排水效果較弱，因此，T1 排水量小于T2～T4。T4 動力壓實啟動時間最晚，由于真空預壓使得土中自由水大量排出，夯擊時土中自由水最少，真空度大量損失，動力壓實后的排水效率及排水量高于T1 但低于T2 與T3，因此，動力壓實啟動時間過早或過晚，都不能達到理想效果。對比T2 和T3 的排水量可知，T3 排水量更大，故動力壓實產(chǎn)生的排水路徑更多，啟動時間更優(yōu)。最后，各組試驗排水困難時同時啟動電滲，進一步對土體固結(jié)。電滲階段PT～T4 的排水量逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定值。綜上，當PPDR 為70%時啟動動力壓實，可獲得最佳排水效果。

2.3 土表沉降

為準確直觀地反映土表沉降隨時間的變化關(guān)系，試驗中設(shè)置了3 個測點，每一次夯擊后采用沉降標尺測量土表沉降并計算平均值，將平均值作為土表沉降值。圖5 為試驗過程中各組試驗土體表面沉降隨時間的變化曲線。T1～T4 分別啟動動力壓實后，土表沉降瞬間增大，瞬時沉降幅值隨動力壓實次數(shù)增加而逐漸減小。土表沉降瞬間增大的主要原因是，動力壓實對土表施加正壓力后，疏浚淤泥細顆粒擠入真空預壓排水后形成的孔隙中；土表瞬時沉降值隨夯擊次數(shù)逐漸減小是由于土顆粒在固結(jié)過程中不斷趨于密實，土中孔隙體積逐漸減小。

圖5 土表平均沉降隨時間的變化關(guān)系圖Fig.5 Variations in the surface average settlement with time

真空預壓階段結(jié)束時，各組土表平均沉降值排序為T3＞T2＞T4＞T1＞PT?？梢园l(fā)現(xiàn)，T1～T4的土體表面沉降發(fā)展快于PT，且沉降平均值比PT高，說明動力壓實有效促進了土體固結(jié)，大幅增加土表沉降值，土體強度得到提高。對比T1～T4 的沉降發(fā)展曲線及沉降平均值發(fā)現(xiàn)，動力壓實的間隔時間因PPDR 不同也存在差異，T3 獲得了最大土表沉降值6.35 cm，分別較PT、T1、T2 和T4 高41.1%、21.2%、5.8%、11.2%，說明不同的動力壓實啟動時間對于沉降值的影響存在差異。研究中PPDR 為70%時啟動動力壓實可以獲得最好的壓實效果，使土體達到最大的強度。

各組試驗進行到210 h 時真空預壓排水困難、啟動電滲進一步使土體排水。PT、T1、T2、T3 及T4 電滲階段結(jié)束的最終土表平均沉降量為5.96、6.48、7.44、7.78、7.07 cm。綜上所述，在真空預壓階段引入動力壓實法并聯(lián)合電滲法能有效促進土體的固結(jié)沉降。

2.4 含水率和十字板剪切強度

試驗結(jié)束后，用微型十字板剪切儀在相應(yīng)測點進行十字板剪切試驗，并測量相應(yīng)點位的含水率，水平方向5 個測點數(shù)據(jù)取平均值作為深度方向的數(shù)據(jù)，垂直深度0、180、360 mm 處的含水率和十字板剪切強度平均值如圖6 所示。由圖6 可知，在土體不同深度的垂直方向上，各組含水率和十字板剪切強度的變化趨勢呈負相關(guān)關(guān)系；表層土體的含水率均低于深層土體，表層土體的十字板剪切強度均高于深層土體，這是因為真空度會沿著豎向排水板逐漸衰減，表層土的真空壓力高于深層土，因此，固結(jié)效果更好；距離表層越近，十字板剪切強度差異越明顯，主要體現(xiàn)在PT 與T1～T4 間的差異。由于T1～T4 引入動力壓實，處理后土體的十字板剪切強度較高，并且，隨著土體深度的增加，動力壓實的沖擊應(yīng)力會減弱，因此，深度大的測點十字板剪切強度差異較小。

圖6 試驗后土體沿深度方向的含水率與十字板剪切強度平均值的分布Fig.6 Distribution of the water content and the vane shear strength average value along the depth direction after the test

將測點處含水率和十字板剪切強度取平均值分析，得到PT、T1、T2、T3、T4 的含水率平均值分別為43.8%、42.3%、40.2%、39.3%、41.1%，十字板剪切強度分別為25.3、42.7、56.7、65、47.7 kPa。比較這些數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，含水率平均值的排序為PT＞T1＞T4＞T2＞T3；十字板剪切強度平均值為PT＜T1＜T4＜T2＜T3。因此，動力壓實有效地改善了真空預壓的處理效果，經(jīng)T3 組處理后的土體強度最高。

2.5 電流強度

圖7 繪制了電滲階段各組試驗電流強度隨時間的變化關(guān)系。由圖7 可知，由于形成排水通道的土體與電極之間界面電阻較低，電滲階段初期電流強度逐漸增大；在電滲啟動后240、210、150、120、180 h，PT、T1、T2、T3 和T4 分別達到電流強度峰值；隨著電滲試驗的進行，土中自由水和鹽含量降低，陽極腐蝕導致導電通道的界面電阻逐漸增大，電流強度逐漸減小。

圖7 電流強度隨時間的變化關(guān)系圖Fig.7 Variations in the change of current intensity with time

由圖7 還可以看出，T1～T4 組的電流強度均比PT 低。這是由于動力壓實作用使得T1～T4 組真空預壓階段排水量高于PT，因此啟動電滲時的初始含水率較低，導電性較差，故電流強度和峰值電流強度均低于PT，且峰值衰減時刻也早于PT。動力壓實的啟動時間不同，影響真空預壓排水效果和土體含水率，還間接影響電滲階段土體導電性能，導致T1～T4 組達到的電流強度峰值不同；含水率越低，電滲產(chǎn)生的電流強度越小，并且達到峰值的時間點越早。由于PT 真空預壓階段未引入動力壓實，自由水和離子含量最高，因此電流強度最大；T1～T4 組的動力壓實啟動時間越優(yōu)，真空預壓排水及土中排水通道數(shù)量的增加越顯著，電流越小。在PPDR 為70%時啟動動力壓實，T3 所產(chǎn)生的電流強度最小，能耗最小。

各組電流強度衰減速率排序為PT＞T1＞T4＞T2＞T3，PT 的初始含水率更高，電滲過程中，電流強度衰減速率最快，動力壓實可以緩解電流強度的衰減，從而提高電滲排水效率。試驗結(jié)果表明，動力壓實的啟動時間越優(yōu)，緩解電流強度衰減的效果越好，電滲效率越高。因此，T3 電滲固結(jié)效果最優(yōu)。

2.6 電極腐蝕與平均能耗系數(shù)

各組試驗結(jié)束后的陽極腐蝕量如圖8 所示。從圖中可以看出，PT、T1、T2、T3 和T4 的陽極腐蝕量分別為444、398、374、370、386 g；通過對比發(fā)現(xiàn)，在電滲階段結(jié)束后，T1～T4 組的陽極腐蝕量分別比PT 少11.56%、18.72%、20%、15.03%。這是因為，動力壓實后土體的排水路徑更多，真空預壓排水量更大，使得電滲啟動時T1～T4 組土體的含水率較低、電滲反應(yīng)較弱。另外，T1～T4 組的陽極腐蝕量排序為T1＞T4＞T2＞T3，T3 的陽極腐蝕量最小。這一結(jié)果與電流強度分析結(jié)果一致：由于T3的真空預壓階段排水最多，因此電滲階段的電化學反應(yīng)產(chǎn)生的陽極腐蝕量最少。

圖8 陽極腐蝕量與平均能耗系數(shù)Fig.8 The mass and the average energy consumption coefficient of corroded anode

引入平均能耗系數(shù)Ctotal[21]計算整個試驗過程中排出單位質(zhì)量水所需的能量。

式中：P為真空泵的功率，kW；t為試驗總時長，h；Ut為任意時刻的電壓值，V；It為任意時刻的電流值，A；Q為總排水量，kg。

經(jīng)計算，PT～T4 組的平均能耗系數(shù)分別為39.94、38.96、36.95、35.66、37.93 kWh/kg。通過比較發(fā)現(xiàn)，T1～T4 組的平均能耗系數(shù)低于PT，且T3 的平均能耗系數(shù)最低。說明真空預壓聯(lián)合動力壓實和電滲法比傳統(tǒng)真空預壓-電滲法能耗更低，且處理后T3 產(chǎn)生的能耗最小。

3 結(jié)論

1）與真空預壓聯(lián)合電滲法相比，真空預壓聯(lián)合逐級動力壓實和電滲法可使排水板附近淤堵土柱開裂，有效提高排水效率，改善疏浚淤泥的工程性質(zhì)?？讐合⒅怠⑴潘?、土表沉降等指標均比傳統(tǒng)真空預壓聯(lián)合電滲法更優(yōu)。因此，對于疏浚淤泥地基，真空預壓聯(lián)合逐級動力壓實和電滲法的處理加固效果更顯著。

2）該工法將動力壓實加入到傳統(tǒng)真空預壓聯(lián)合電滲法中，土體固結(jié)效果與動力壓實的啟動時間密切相關(guān)。在試驗中，當PPRD 為70%時啟動壓實，試驗后土體的排水量增大11.99%，土表沉降增大41.11%，在各組試驗中效果最好。

3）真空預壓聯(lián)合逐級動力壓實和電滲法處理后的陽極腐蝕量較傳統(tǒng)工法更少、能耗更低，說明真空預壓階段引入動力壓實可以有效緩解陽極腐蝕，減小土體界面電阻，降低能耗。