劉飛禹，李哲，袁國輝，王軍,2b,2c

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海200444；2.溫州大學(xué) a.建筑工程學(xué)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.海涂圍墾協(xié)同生態(tài)保護(hù)創(chuàng)新中心，浙江 溫州 325035)

沿海城市長期進(jìn)行疏浚工程作業(yè)，疏浚作業(yè)會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥，如果將其加固處理成路基填料，不僅能解決疏浚淤泥的處置問題，還能夠滿足公路建設(shè)的需要。真空預(yù)壓法是較為常用的處理疏浚淤泥的方法之一，該方法在20世紀(jì)50年代早期由Kjellman[1]提出，并被學(xué)者們進(jìn)行了大量試驗研究，如無機(jī)藥劑對工程廢漿藥劑真空預(yù)壓的影響[2]、分級真空排水預(yù)壓法[3]、藥劑摻量對真空固結(jié)特性的影響[4]、兩階段真空預(yù)壓加固疏浚淤泥[5]和真空預(yù)壓法加固潮間帶軟土地基[6]等。然而，由于吹填土中含有大量的細(xì)顆粒，在真空預(yù)壓作用下，細(xì)顆粒會隨水遷移到濾膜中，并在排水板附近形成土柱(如圖1所示)，這導(dǎo)致了排水板的嚴(yán)重淤堵和土體固結(jié)均勻性不佳，此外，真空壓力僅能排出土體中的自由水，無法排除土體中的弱結(jié)合水。在直流電場作用下，電滲法不僅可以排出土體內(nèi)的自由水，還可以排出土顆粒表面富集的弱結(jié)合水[7]，但電滲法導(dǎo)致了電能消耗較高和嚴(yán)重的電極腐蝕問題[8-9]，此外，在電滲后期，由于土體開裂嚴(yán)重，電滲效率降低，并且由于在電滲過程中土體中的水分由陽極向陰極進(jìn)行遷移，土體的固結(jié)亦不均勻。因此，電滲法存在不夠經(jīng)濟(jì)等方面問題，所以至今并未在實踐中發(fā)揮作用。

圖1 細(xì)顆粒向濾膜遷移

為聯(lián)合上述真空預(yù)壓法和電滲法的優(yōu)點并克服其各自存在的缺點，提出了真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法。真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法加固土體的過程中，在直流電場的作用下，水由陽極向陰極進(jìn)行遷移，由于排水板布置在陰極附近，因此，在真空壓力作用下，陰極附近的水被排水板排出。在此條件下，真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法有如下優(yōu)點：1)由于真空預(yù)壓的作用，電極與土體之間的接觸更加緊密，并且陽極與陰極之間的裂縫減少，從而減小了土體的電阻；2)由于電滲的作用，遠(yuǎn)離排水板的土體得到了更好的加固；3)因為真空預(yù)壓只能排出土體中的游離水，而電滲的排水效果取決于土體的電滲透系數(shù)，所以，電滲可以進(jìn)一步排出土體中的弱結(jié)合水；4)由于真空預(yù)壓促進(jìn)了土體的排水，因此，電滲的能耗大大降低。此外，學(xué)者們對真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法已進(jìn)行了一定試驗研究。王軍等[10]對電極與排水板的放置方向進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，電極與排水板放置方向相同將能夠進(jìn)一步促進(jìn)土體的排水。Wang等[11]在真空預(yù)壓聯(lián)合電滲加固疏浚淤泥的方法中運(yùn)用了整體式排水板，并且電滲在真空預(yù)壓的后期開啟，這大大降低了電滲的能耗。Li等[12]提出了真空預(yù)壓聯(lián)合逐級加壓電滲法，研究不同初始加載電壓對土體固結(jié)的影響，結(jié)果表明，初始電勢梯度在0.25～0.3 V/cm范圍時，逐級加壓在排水質(zhì)量和處理效率方面呈現(xiàn)出較好的效果。此外，Liu等[13]為了改善真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法后期階段的處理效果，提出了真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲的方法，試驗結(jié)果表明，該方法有效地提高了土體的強(qiáng)度，并且降低了電能的消耗。然而，聯(lián)合方法作用下的排水板淤堵和土體固結(jié)不均勻的問題依然存在。Yuan等[14]研究發(fā)現(xiàn)，分級真空預(yù)壓法可有效緩解排水板的淤堵，并且經(jīng)分級真空預(yù)壓法處理后的土體固結(jié)程度較高，土體強(qiáng)度分布也更加均勻。

基于以上考慮，提出了一種分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇逐級加壓電滲的方法，研究了間歇通電時間對試驗結(jié)果的影響，以取得一個既經(jīng)濟(jì)又高效的間歇通電時間。通過對監(jiān)測和測試結(jié)果的分析，評估了分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇逐級加壓電滲法對土體的加固效果，并且獲得了最佳的間歇通電時間。

1 試驗方法

1.1 試驗土樣

試驗中使用的土樣是來自溫州甌飛圍墾項目的疏浚淤泥。根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)對疏浚淤泥進(jìn)行物理性能測試，結(jié)果如表1所示。顯而易見，土體的含水率大于液限，因此，其十字板剪切強(qiáng)度幾乎為零。采用密度計法對土樣的粒度分布進(jìn)行分析，圖2為分布曲線。如圖2所示，粒徑范圍0.075～0.005 mm的淤泥含量為51.695%，粒徑小于0.005 mm的黏土含量為45.638%，因此，細(xì)粒黏土是疏浚淤泥的主要組成部分。此外，對疏浚淤泥進(jìn)行電鏡掃描，如圖3所示，疏浚淤泥的單個顆粒一般緊密相連，并呈片狀堆積結(jié)構(gòu)，因此，疏浚淤泥的滲透性較差。

表1 疏浚淤泥基本物理性質(zhì)

圖2 土樣粒徑分布曲線

圖3 疏浚淤泥的電鏡掃描圖(放大倍數(shù)5 000)

1.2 試驗裝置

試驗裝置包括模型桶，真空預(yù)壓系統(tǒng)和電滲系統(tǒng)，試驗裝置見圖4。試驗?zāi)Ｐ屯盀楦?00 mm、半徑300 mm、厚度10 mm的有機(jī)玻璃桶。真空預(yù)壓系統(tǒng)由真空泵、高真空微調(diào)閥、氣水分離瓶、兩層密封土工膜和整體式排水板組成。真空泵的輸出功率為3.88 kW，真空壓力限值為98 kPa；高真空微調(diào)閥被用來達(dá)到試驗所需的真空壓力；試驗過程中，從土體中抽出的水用氣水分離瓶進(jìn)行儲存；兩層土工膜被用來進(jìn)行覆蓋和密封土樣，其由0.14 mm厚的聚氯乙烯薄膜構(gòu)成；整體式排水板是將土體中的水分排出的排水通道，與傳統(tǒng)排水板相比，其抗拉強(qiáng)度和排水能力分別提高了19%和38%[15]。電滲系統(tǒng)由GW SPD-3606穩(wěn)壓電源、鋼筋陽極和鐵絲網(wǎng)狀陰極組成。GW SPD-3606穩(wěn)壓電源的最大電壓為60 V，最大電流可達(dá)到12 A；陽極為高380 mm、直徑240 mm的環(huán)形鋼筋電極，環(huán)形電極四周均勻分布6根直徑為10 mm的鋼筋；陰極為一根高380 mm的鐵絲網(wǎng)，其被綁縛于排水板上，并被放置在試驗?zāi)Ｐ屯暗闹虚g。

圖4 真空預(yù)壓電滲系統(tǒng)裝置

1.3 試驗方案

試驗前，將土樣攪拌均勻，然后倒入5個試驗?zāi)Ｐ屯爸?，土樣的深度?80 mm。然后，將排水板和電極放入土樣中，在土表鋪上一層土工織布和兩層土工膜，再用軟管將排水板、氣水分離瓶、高真空微調(diào)閥以及真空泵連接起來，形成真空預(yù)壓系統(tǒng)；此外，用電線將鋼筋陽極，鐵絲網(wǎng)陰極和電源連接起來，形成電滲系統(tǒng)。為了減少水土分離和自重沉降的影響，試驗的第1步是讓土樣靜置48 h，并將分離的水分排出。Li等[12]研究表明，初始電位梯度在0.25～0.3 V/cm范圍時，逐級加壓電滲在排水質(zhì)量和處理效率方面取得了較好的效果，因此，選擇的逐級加載電壓分別為4.5、6.0、7.5 V。電滲啟動時間為每一級真空預(yù)壓開始出現(xiàn)排水困難時(排水速率小于10 g/h)；當(dāng)完成每一級的間歇通電后，開始施加下一級真空荷載，當(dāng)完成80 kPa真空荷載的間歇通電時，繼續(xù)80 kPa的真空荷載；最終，當(dāng)停止排水時結(jié)束試驗。

試驗中，試驗T1為分級真空預(yù)壓的對照試驗，試驗T2～T4分別為每次間歇通電時間12、24、36 h的分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲試驗，試驗T5為每次間歇通電時間24 h的分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇逐級加壓電滲試驗，試驗方案見表2。

表2 試驗方案

1.4 監(jiān)測與測試系統(tǒng)

在試驗過程中每12 h監(jiān)測一次真空度、電流、排水量和土表沉降量，在試驗的早期增加監(jiān)測頻率；試驗結(jié)束后，測試土體的含水率、十字板剪切強(qiáng)度和電極腐蝕量。監(jiān)測與測試系統(tǒng)見圖5。

圖5 監(jiān)測與測試系統(tǒng)平面圖(單位：mm)

2 結(jié)果分析

2.1 真空度和電流

在土體固結(jié)過程中，試驗T1～T5采用的膜下真空壓力加載方式皆為20 kPa→40 kPa→80 kPa，因此，不同試驗土體固結(jié)效果的差異來自于不同電滲時間和電壓加載方式的影響。

圖6為電流隨時間變化的情況。首先，在電滲的初期階段電流呈先增大后減小趨勢，這是排水通道的形成和土體與電極之間低的界面電阻造成的[16]。其次，從間歇通電的第2階段開始，電流開始下降，這是因為隨著含水率和含鹽量的降低，土體電導(dǎo)率的傳導(dǎo)途徑惡化，并且在電解過程中電極處產(chǎn)生大量氣體，氣體的排出使電極與土體之間產(chǎn)生了空隙，減小了土體和電極之間的接觸面；此外，電極在電解過程中發(fā)生腐蝕，這也增加了土體與電極之間的界面電阻，降低了電流。從間歇通電的第2階段開始，試驗T2～T4的電流的大小依次為T2>T3>T4，這表明延長間歇通電時間的同時也降低了電流的大小，從而影響了電滲的作用，這是因為上一階段間歇通電的時間越長，土體的排水量越多，從而在下一階段間歇通電時，土體的含水率和含鹽量降低。最后，試驗T5在間歇通電的第1階段其電流低于試驗T2～T4，但從間歇通電的第2階段開始，隨著下一級電壓的施加，其電流開始提升，在間歇通電的第3階段時，其電流開始超越試驗T2～T4，表明逐級加壓電滲能夠有效緩解電流降低的趨勢并提升電滲的效果。

圖6 電流隨時間的變化

2.2 排水量

圖7為排水量隨時間的變化情況。首先，從整體上來說，試驗T1～T5在分級真空預(yù)壓和間歇通電的作用下，其排水固結(jié)趨勢皆呈現(xiàn)階梯狀發(fā)展。其次，在20 kPa的真空壓力下，試驗T1～T5很快在48 h時出現(xiàn)排水困難；然而，分級真空預(yù)壓試驗T1在下一級40 kPa真空壓力的作用下，其排水固結(jié)再一次發(fā)生，當(dāng)試驗進(jìn)行到156 h時，試驗T1在40 kPa的真空壓力作用下出現(xiàn)排水困難，于是開始80 kPa的真空壓力；試驗T2～T5由于間歇通電的作用，其在20 kPa真空壓力作用下排水固結(jié)繼續(xù)發(fā)生，當(dāng)間歇通電時間結(jié)束時，開始40 kPa的真空壓力，在40、80 kPa的真空壓力作用下，同理，一旦開始出現(xiàn)排水困難，開啟間歇通電。最終，試驗T1～T5的排水量分別為4.855、5.65、6.2、6.3、6.72 kg，試驗T4分別比試驗T1、T2和T3多排水約29.76%、11.5%和1.61%，表明間歇通電時間越長，越有利于疏浚淤泥的排水固結(jié)；然而，土體的排水量并不與間歇通電時長呈正比，當(dāng)間歇通電時長超過24 h后，間歇通電時長的增加對土體排水效果的影響減弱，這是由于當(dāng)間歇通電時間過長時，電極與土體之間的界面電阻增大，土體內(nèi)電流減小，從而降低了間歇電滲的作用。此外，試驗T5分別比試驗T1～T4多排水38.41%、18.94%、8.39%和6.67%，這表明間歇逐級加壓電滲的排水效果要優(yōu)于間歇電滲的排水效果，這是因為雖然間歇電滲試驗的高電壓在電滲的早期能夠帶來更快的排水速率，但是排水速率降低的也更快，這導(dǎo)致了在電滲后期排水速率變慢；然而，雖然間歇逐級加壓電滲試驗的排水速率在電滲的早期不高，但由于電壓的逐漸升高，其排水速率降低的趨勢變緩，因此，在電滲的后期其排水量超越了間歇電滲試驗的排水量。

圖7 排水量隨時間的變化

2.3 土表沉降

圖8為平均土表沉降隨時間的變化。從圖8可以看出，沉降的發(fā)展趨勢與排水量的變化趨勢基本一致。由于間歇電滲的作用，分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲試驗T2～T5在開啟電滲后，其沉降量開始分別超越分級真空預(yù)壓試驗T1的沉降量。此外，試驗T5雖在試驗前期其沉降量低于試驗T3和T4，但由于逐級加壓的作用，其沉降量在試驗后期開始超越試驗T3和T4。最終，在試驗結(jié)束時，試驗T1～T5的沉降量分別為5.01、5.98、6.7、7.0、7.2 cm，試驗T4的沉降量分別比試驗T1～T3的沉降量多39.72%、17.06%和4.48%，這意味著間歇電滲進(jìn)一步促進(jìn)了疏浚淤泥的排水固結(jié)，然而，當(dāng)間歇通電時間超過24 h后，通電時長的進(jìn)一步增加對疏浚淤泥的排水固結(jié)作用減弱。此外，試驗T5的沉降量分別比試驗T3、T4的沉降量多7.46%和2.86%，這表明間歇逐級加壓電滲法對疏浚淤泥的加固效果比間歇電滲法更佳。

圖8 平均土表沉降隨時間的變化

2.4 含水率

從不同的深度以及距陽極不同的位置取出土樣測量土體強(qiáng)度提升后的含水率。由于數(shù)據(jù)龐大，取水平方向以及豎直方向含水率的平均值進(jìn)行比較。圖9(a)、(b)為含水率沿水平方向和深度方向的分布。從圖9(a)可以看出，試驗T1距排水板越近，含水率越低，這是因為距排水板越近，真空壓力越高[17]；試驗T2～T5距陽極越近含水率越低，但在陰極附近含水率突然下降，這是因為在電滲過程中，土體中的水在電場的作用下從陽極向陰極進(jìn)行遷移，并且陰極(排水板)附近真空壓力較高。從圖9(b)可以看出，土體表層含水率最低，并沿著土體深度方向遞增，這是因為真空壓力沿著排水板衰減，土體的表層真空壓力最高。從圖9(a)、(b)中皆可以看出，試驗T1、T2、T3、T4和T5的平均含水率為T1>T2>T3>T4>T5，這是因為間歇通電的時間越長，排水效果越好，并且間歇逐級加壓電滲相較于間歇電滲的排水效果更佳。此外，在均勻性方面，試驗T1、T2、T3、T4和T5在水平方向上含水率的最大差異分別為4.43%、1.14%、0.87%、0.8%和0.75%，因此，分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲極大地改善了土體固結(jié)的均勻性，這是因為土體內(nèi)的細(xì)顆粒在低真空壓力下能夠在原地聚集成大的顆粒團(tuán)，并且電滲的陽極位于遠(yuǎn)離排水板的位置，陰極位于排水板附近，在電滲的作用下，遠(yuǎn)離排水板的水分恰好能夠被遷移到排水板周圍并被排水板排出。

圖9 土體加固后含水率的分布

2.5 十字板剪切強(qiáng)度

十字板剪切強(qiáng)度用一個微型十字板剪切儀進(jìn)行測試，十字板剪切測點和上述的含水率測點位于同一位置，同樣也取水平方向和深度方向的平均值進(jìn)行比較。十字板剪切強(qiáng)度在測試之前幾乎為零。從圖10(a)可以看出，試驗T1距排水板越近，十字板剪切強(qiáng)度越高；試驗T2～T5距陽極越近，十字板剪切強(qiáng)度越高，然而，在陰極附近十字板剪切強(qiáng)度突然升高，這和含水率變化的原因一致。同時，如圖10(b)所示，沿深度方向上，十字板剪切強(qiáng)度的減小趨勢和含水率的增加趨勢十分相似。此外，試驗T5的十字板剪切強(qiáng)度沿水平方向相差的最大值為1.1 kPa，而試驗T1～T4的最大差值分別為3.59、1.9、1.5、1.3 kPa，因此，試驗T5土體固結(jié)的均勻性最佳。

圖10 土體加固后十字板剪切強(qiáng)度的分布

基于十字板剪切強(qiáng)度圖，土體承載力可以估算為[18]

Fa=(π+2)Cu

(1)

式中：Cu為土體的十字板剪切強(qiáng)度。根據(jù)式(1)，試驗T1～T5的最小土體承載力分別為97.87、111.06、124.22、128.79、131.11 kPa，試驗T5的承載力分別比試驗T1～T4的承載力提升了33.96%、18.05%、5.55%和1.8%，表明間歇通電時間越長，土體固結(jié)的越充分，然而，當(dāng)間歇通電時間超過24 h后，承載力的提升效果并不明顯；此外，間歇逐級加壓電滲比間歇電滲對土體承載力的提升效果更佳。

2.6 電極腐蝕和能耗

陽極腐蝕通常是電滲的主要缺點之一。腐蝕反應(yīng)通常包括水的電解和電極的氧化還原反應(yīng)。陽極的反應(yīng)為

(2)

(3)

陰極的反應(yīng)為

(4)

從式(2)～式(4)可以看出，在電滲過程中，陽極通過氧化溶解，釋放氧氣，生成氫離子，陰極會產(chǎn)生氫氣和氫氧根離子。因此，電極表面產(chǎn)生的氣泡增加了電阻，從而降低了電流和處理效率。

試驗前后分別稱量陽極的質(zhì)量，其差值即為陽極的腐蝕量。圖11為各組試驗陽極腐蝕量的情況，試驗T2～T5的腐蝕質(zhì)量分別是116.93、155.72、196.46、141.15 g。首先，試驗T4的陽極腐蝕質(zhì)量多于試驗T2和T3陽極腐蝕質(zhì)量的68.02%和26.16%，說明間歇通電時間越長，陽極腐蝕越嚴(yán)重。此外，試驗T5的陽極腐蝕質(zhì)量比試驗T3的陽極腐蝕質(zhì)量減少了9.36%，這表明間歇逐級加壓電滲法緩解了陽極的腐蝕情況，這是因為間歇逐級加壓電滲的電流強(qiáng)度小于間歇電滲的電流強(qiáng)度，而腐蝕速率與所施加電流強(qiáng)度成正比[19]。

為了反映間歇電滲作用下的能量消耗情況，引入間歇電滲的平均能耗系數(shù)C，意為在間歇電滲的作用下，排出單位體積的水所需的電能，表達(dá)式為

(5)

式中：Ui為間歇電滲的電壓，V；It為間歇電滲過程中某一時刻的電流值，A；Q1為分級真空預(yù)壓試驗T1的最終排水量，kg；Qj分別為分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲試驗T2～T5的最終排水量，kg。計算結(jié)果見圖11，試驗T2～T5的間歇電滲平均能耗系數(shù)分別為0.93、1.35、1.57、0.68 kWh/kg,試驗T4的平均能耗系數(shù)分別比試驗T2和T3的平均能耗系數(shù)增加了54.84%和16.3%，表明間歇通電時間越長，間歇電滲的平均能耗系數(shù)越高。此外，試驗T5的平均能耗系數(shù)分別比試驗T2～T4的平均能耗系數(shù)降低了26.88%、49.63%和56.69%，表明采用24 h間歇通電時長的間歇逐級加壓方法有效地降低了電滲過程中產(chǎn)生的能耗。在成本方面，Li等[12]和Wang等[20]所研究的真空預(yù)壓聯(lián)和電滲法中電滲的能耗系數(shù)皆大于1 kWh/kg，因此，試驗采用的24 h間歇通電時長的間歇逐級加壓法具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖11 陽極腐蝕量和平均能耗系數(shù)

3 結(jié)論

1)間歇通電時間越長，土體排水及沉降量越大，但間歇通電時間越長，電流下降也越快，因此，間歇通電時長超過24 h后，分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲法對土體承載能力的提升僅為3.68%。此外，由于間歇逐級加壓電滲法可有效延緩電流降低的趨勢，間歇逐級加壓電滲法對土體的提升效果在試驗后期超越了間歇常電壓電滲法對土體的提升效果，最終，在試驗結(jié)束時，其提升值為5.55%。

2)分級真空預(yù)壓法處理過的土體在水平方向上含水率和十字板剪切強(qiáng)度的最大差異分別僅為4.43%和3.59 kPa，因此，分級真空預(yù)壓法有效地改善了土體固結(jié)的均勻性。此外，分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇逐級加壓電滲法又進(jìn)一步改善了土體固結(jié)的均勻性，其水平方向上含水率和十字板剪切強(qiáng)度的最大差值分別為0.75%和1.1 kPa。

3)相比分級真空預(yù)壓法以及分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲法，分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇逐級加壓電滲法加固過的土體獲得了更低的含水率和更高的十字板剪切強(qiáng)度。此外，經(jīng)該法加固過的土體最低承載能力分別比其他幾種方法加固過的土體的最低承載能力提高了33.96%、18.05%、5.55%和1.8%。

4)電極腐蝕量和電能消耗與間歇通電時長成正相關(guān)，但間歇通電時長超過24 h后，間歇通電時間的延長對土體的加固效果便不再明顯，因此，最佳間歇通電時長為24 h。此外，分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇逐級加壓電滲法顯著地降低了電極的腐蝕量和電能的消耗，其電極腐蝕量和電能消耗分別比分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲法降低了9.36%和49.63%。