絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法的試驗(yàn)研究

谷志峰

（上海浦東工程建設(shè)管理有限公司， 上海 201210）

0 引言

在處理軟土地基方面， 真空預(yù)壓法和電滲法已成為成熟且有效的技術(shù)。 但隨著國內(nèi)大量河道清淤工程的開展， 軟土地基經(jīng)常使用疏浚淤泥當(dāng)作填料， 然而疏浚淤泥的工程性質(zhì)極差[1]， 使得單一的處理工法加固效率低下， 已較難滿足工程需求。

近年來， 國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)展開了一系列真空預(yù)壓法、 電滲法聯(lián)合處理疏浚淤泥地基的試驗(yàn)研究， 如Wang 等[2]關(guān)于真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法中最優(yōu)電滲啟動(dòng)時(shí)間的探究、 Fu 等[3]關(guān)于真空預(yù)壓聯(lián)合變間距電滲試驗(yàn)研究以及Sun 等[4]關(guān)于真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法中電動(dòng)排水板使用的試驗(yàn)研究。 這些研究表明： 真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法較單一處理工法具有更好的排水固結(jié)效果。 但該方法在處理疏浚淤泥時(shí)仍存在局限性。 一方面， 由于疏浚淤泥主要由細(xì)顆粒組成， 在真空預(yù)壓過程中， 一部分細(xì)顆粒較難在原地絮凝成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)， 會(huì)遷移至排水板附近聚合造成排水板淤堵； 另一方面， 土中水分和鹽分含量會(huì)隨真空-電滲排水作用不斷減少， 土體間較高的界面電阻導(dǎo)致電滲能耗較大且電滲后期排水效率較低。

為改善真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法中排水板淤堵的問題， 趙森等[5]發(fā)現(xiàn)通過向疏浚淤泥內(nèi)添加一定量的絮凝劑可以降低其黏性， 增強(qiáng)滲透性。 武亞軍等[6]采用絮凝-真空預(yù)壓法進(jìn)行了工程廢漿處理試驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)添加絮凝劑能更好的對(duì)廢漿進(jìn)行固液分離， 土體的含水量和孔隙比在處理后都大幅降低，有效緩解排水板淤堵。 Liu 等[7]通過絮凝-真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)比分析了兩種單一絮凝劑FeCl3、APAM 對(duì)疏浚淤泥減量化的處理效果； 試驗(yàn)表明：APAM 可以在較小用量下取得和FeCl3相當(dāng)?shù)氖杩Ｓ倌鄿p量化處理效果， 且對(duì)重金屬物質(zhì)的固化更為有效。 而后， Wang 等[8]研究了復(fù)合絮凝劑FeCl3-APAM 對(duì)河道底泥減量化的處理效果， 發(fā)現(xiàn)復(fù)合絮凝劑在1：5 的配合比下可以最大程度緩解排水板淤堵、 固化河道底泥中的重金屬物質(zhì)。 上述研究大多側(cè)重于絮凝劑對(duì)單一處理工法的優(yōu)化，而關(guān)于絮凝劑對(duì)真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法的優(yōu)化研究目前尚少。 此外， 針對(duì)電滲過程中能耗較大且中后期排水效率低的問題， 劉飛禹等[9]提出采用逐級(jí)加載電壓代替恒定電壓的通電方式， 通過室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 采用逐級(jí)加載電壓的通電方式能有效降低電滲能耗、 提高中后期排水效率。KARUNARATNE G P[10]、 房營光等[11]采用單一逐級(jí)加壓方案的室內(nèi)電滲試驗(yàn)研究， 與傳統(tǒng)電滲法相比， 采用逐級(jí)加載電壓能有效促進(jìn)電滲固結(jié)排水，提高電滲加固效果。 雖然關(guān)于逐級(jí)加壓電滲法的研究已較為成熟， 但關(guān)于逐級(jí)加載電壓級(jí)數(shù)對(duì)逐級(jí)加壓電滲法加固效果的影響國內(nèi)外鮮有學(xué)者研究。

針對(duì)以上問題， 本文提出絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法來優(yōu)化傳統(tǒng)真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法。通過研究在不同加載電壓級(jí)數(shù)下絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法處理疏浚淤泥時(shí)土體排水、 電流強(qiáng)度和十字板剪切強(qiáng)度， 得到了最優(yōu)的加載電壓級(jí)數(shù)， 以期對(duì)工程應(yīng)用有所裨益。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣來自溫州某河道疏浚工程， 具體參數(shù)見表1， 試樣的顆粒級(jí)配曲線見圖1。 試驗(yàn)選取以無機(jī)Ca（OH）2為主的復(fù)合絮凝劑作為添加藥劑。

表1 疏浚淤泥的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of dredged silt

圖1 疏浚淤泥的初始顆粒級(jí)配曲線Fig.1 The initial particle grading curve of dredged silt

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置實(shí)物圖見圖2， 試驗(yàn)裝置示意圖見圖3。 由圖可知， 該裝置主要由真空預(yù)壓系統(tǒng)和電滲系統(tǒng)組成： 真空預(yù)壓系統(tǒng)包括模型桶、 真空泵、真空軟管、 氣-水分離瓶、 密封膜以及排水板。 模型桶采用厚度10 mm 的有機(jī)玻璃制成， 內(nèi)徑160 mm， 高度 390 mm； 真空泵輸出功率 3.88 kW， 真空壓力上限值0.098 MPa； 氣-水分離瓶用于收集試驗(yàn)中排出的水； 密封膜為0.14 mm 厚的聚氯乙烯膜； 排水板采用新型整體式防淤堵排水板。 電滲系統(tǒng)由直流電源、 陽極、 陰極和電源導(dǎo)線組成。選用GW SPD-3606 穩(wěn)壓直流電源， 可為電滲過程提供穩(wěn)壓輸出， 最大電壓60 V， 最大電流12 A；陰極由直徑8 mm、 長360 mm 的鋼筋制成； 陽極由直徑8 mm 的鋼筋和環(huán)形鋼筋制成， 環(huán)形鋼筋的內(nèi)環(huán)半徑150 mm， 四周均勻焊接長度360 mm 的6 根鋼筋。 電極布置形式采用梅花形布置， 較傳統(tǒng)電極布置形式而言， 使用的電極數(shù)目更少， 消耗的電能更少， 并且處理后土體的均勻性更好[12]。 當(dāng)真空預(yù)壓末期土體排水困難時(shí)（單位時(shí)間土體排水量小于 0.02 kg）， 啟動(dòng)電滲。

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 The physical diagram of test apparatus

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test apparatus

1.3 試驗(yàn)方案

為研究加載電壓級(jí)數(shù)對(duì)絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法加固效果的影響以及絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法對(duì)傳統(tǒng)真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法的改進(jìn)效果， 依據(jù)電滲法室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電勢(shì)梯度的取值 （0.5 ～1.5 V/cm）[9]， 選取 4 組電壓值： 9 V、 12 V、 15 V、 18 V 和 21 V（對(duì)應(yīng)的電勢(shì)梯度分別為 0.6、0.8、1、1.2 和 1.4 V/cm）， 設(shè)置了 6 組加載方案（T1-T6）， 見表 2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes

表 2 中： T1 表示第一組試驗(yàn)； F 表示絮凝試驗(yàn)； VP 表示真空預(yù)壓試驗(yàn)； EO 表示電滲試驗(yàn)；SEO 表示逐級(jí)加壓電滲試驗(yàn)； F-VP-EO 表示絮凝-真空預(yù)壓-電滲試驗(yàn)； F-VP-SEO（9 V/1.2 d-12 V/1.2 d-15 V/1.2 d-18 V/1.2 d-21 V/1.2 d）表示絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲試驗(yàn)， 并在電滲過程中按先后順序分別以 9 V、 12 V、 15 V、 18 V 和21 V 的電壓通電1.2 d； 表2 中其它符號(hào)含義均以此類推。 除加載電壓級(jí)數(shù)不同外， 其它試驗(yàn)條件均保持一致， 如總電滲時(shí)長 （6 d）、 各組土樣總質(zhì)量（54.78 kg）等。

1.4 試驗(yàn)程序

根據(jù)模型桶尺寸以及試驗(yàn)土樣干密度確定各組試驗(yàn)所需土樣干質(zhì)量為29.65 kg。 依據(jù)摻入比（S）公式（1）以及文獻(xiàn)[5]中所確定的以無機(jī) Ca(OH）2為主的復(fù)合絮凝劑最優(yōu)摻入比1.5%， 計(jì)算出各組試驗(yàn)所需復(fù)合絮凝劑的摻量為444.75 g。 將土樣與復(fù)合絮凝劑統(tǒng)一攪拌5 min， 均勻混合后靜置24 h， 土樣深度為 360 mm。 靜置后， 將排水板插入有機(jī)玻璃模型桶中心位置， 使陰極和陽極在模型桶中同軸布置， 并將匯集在陰極附近的水分通過排水板排出， 達(dá)到加固土體的效果。

連接排水板和真空軟管， 將聚氯乙烯膜鋪設(shè)在土樣上， 氣-水分離瓶和真空泵通過真空軟管連接， 用玻璃膠密封潛在的漏氣位置， 將陰極、 陽極與電源連接。

為評(píng)估各組試驗(yàn)對(duì)疏浚淤泥的改良效果， 在試驗(yàn)前后， 對(duì)土體含水量、 十字板剪切強(qiáng)度、 滲透系數(shù)以及塑性指數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。 在試驗(yàn)期間， 每2 h監(jiān)測(cè)一次土體排水量、 土體表面沉降量和電流強(qiáng)度， 檢測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置見圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm）Fig.4 Layout of measuring points（Unit：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 排水量

累計(jì)排水量隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線見圖5。 在真空預(yù)壓階段， T1 的累計(jì)排水量低于其他試驗(yàn)組。這與 T2～T6 試驗(yàn)組內(nèi)的絮凝劑有關(guān)。 一方面， 絮凝劑可通過有效的化學(xué)絮凝作用中和微小土顆粒表面的電荷， 促使大部分微小土顆粒相互聚集變大， 增大土顆粒間的孔隙， 降低土體黏性， 土中孔隙水更容易通過真空預(yù)壓作用排出； 另一方面，絮凝劑對(duì)真空預(yù)壓有 “主動(dòng)防淤堵” 作用[6]， 絮凝劑可以降低真空預(yù)壓過程中水流動(dòng)的摩擦阻力，緩解真空滲流過程中的淤堵， 促進(jìn)真空固結(jié)排水。

圖5 累計(jì)排水量隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線Fig.5 The curve of cumulative drainage varying with time

當(dāng)真空時(shí)長達(dá)236 h 時(shí)， 各組試驗(yàn)土體排水量均趨于穩(wěn)定， 啟動(dòng)電滲。 由于T2 試驗(yàn)前添加了絮凝劑， 使得T2 相對(duì)于T1 在真空預(yù)壓階段土體排水量較多， 啟動(dòng)電滲時(shí)土中含水量較低， 土體電阻較高， 電滲階段排水效率較低， 排水量為1.925 kg， 比 T1 在該階段的排水量少 19.9%。 雖然T3～T6 試驗(yàn)前也添加了絮凝劑， 但由于 T3～T6 采用逐級(jí)加載電壓的通電方式， 每次加載電壓時(shí)，電流強(qiáng)度均得到提高， 電流衰減得到抑制， 有效提高了電滲排水效率。 T3～T6 在電滲階段的排水量比 T1 分別高出 11.3%、 23%、 35.8%和 44%。 比較T3～T6 在電滲階段的排水量發(fā)現(xiàn)， T6 的排水量最高， 達(dá)到3.462 kg。 說明在電滲階段采用的加載電壓級(jí)數(shù)越多， 越有利于促進(jìn)電滲固結(jié)排水。 此外，相比于啟動(dòng)電滲時(shí)的含水量對(duì)電滲階段排水量的影響， 加載電壓級(jí)數(shù)的影響更為顯著， 排水量會(huì)隨著電壓升高出現(xiàn)較為顯著的躍升。 但相比于初始施加較高電壓的T2 而言， T3～T6 在電滲中后期的排水效率顯著高于T2。 這是由于較高的初始加載電壓雖然能夠短暫地提高電滲初期排水效率，但會(huì)導(dǎo)致土中電阻劇增， 使電流強(qiáng)度衰減較快，電滲中后期排水效率較低。

電滲末期土體排水困難時(shí)， 試驗(yàn)停止。 T1～T6的總排水量分別為 8.074 kg、 8.61 kg、 9.35 kg、9.652 kg、 9.945 kg 和 10.15 kg。 通過比較 T1～T6的總排水量發(fā)現(xiàn)， T3～T6 的總排水量高于 T1 和T2， 且T6 的總排水量最高。 說明絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法相比于傳統(tǒng)真空預(yù)壓聯(lián)合電滲方法獲得了最優(yōu)的土體排水效果； 同時(shí)， 加載電壓級(jí)數(shù)越多， 越有利于促進(jìn)土體排水固結(jié)。

2.2 土體表面沉降

如圖6 所示， T1～T6 在真空預(yù)壓階段的土體表面沉降量變化趨勢(shì)均先增大后趨于平緩。 由于T2～T6 試驗(yàn)前添加了絮凝劑， 因此在真空預(yù)壓階段T2～T6 的土體排水量較T1 更多， 土體表面沉降發(fā)展更為顯著。

圖6 土體表面沉降隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of soil surface settlement varying with time

當(dāng)真空時(shí)長達(dá) 236 h 時(shí)， 啟動(dòng)電滲。 T1 在電滲階段的排水量較T2 多， 但由于電滲在真空預(yù)壓末期開啟， 因此電滲階段土體排水量較低， 試驗(yàn)所排水主要集中于真空預(yù)壓階段， 最終在總體排水量上T2 多于 T1， 因此T2 較T1 的最終土體表面沉降量高5.2%。 由于T3～T6 采用逐級(jí)加載電壓的通電方式， 因此在電滲中后期階段的排水效率與T2 相比較高， 最終土體表面沉降量較T2 分別高5.4%、 9.6%、 12.9%和 15.3%。 說明絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法相比于其它方法而言， 土體表面沉降發(fā)展更為顯著， 有利于減少處理后的沉降變形； 且逐級(jí)加載電壓級(jí)數(shù)越多， 土體表面沉降發(fā)展越顯著。

如圖7 所示， 各組試驗(yàn)中間測(cè)點(diǎn)處的最終土體表面沉降量大于兩邊測(cè)點(diǎn)， 且在距離陽極較近處的測(cè)點(diǎn)最終土體表面沉降量最小。 這是因?yàn)樵陔姖B過程中， 陽離子帶動(dòng)水流從陽極流向陰極，土顆粒在水中負(fù)離子的帶動(dòng)下從陰極往陽極發(fā)生電泳。 較陰極區(qū)而言， 陽極區(qū)由于土顆粒聚集和附近沉淀物致密的緣故， 土體表面沉降較?。?而陰極區(qū)較中間土體而言， 由于土中水分匯集導(dǎo)致土體表面沉降也較小。

圖7 各測(cè)點(diǎn)處最終土體表面沉降量Fig.7 The final soil surface settlement at each measuring point

2.3 電流強(qiáng)度

電滲階段電流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線見圖8。 各試驗(yàn)組的電流強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。 在電滲早期可觀察到電流強(qiáng)度逐漸增大，究其原因： 一方面， 由于土顆粒還未發(fā)生遷移，土中較易形成暢通的排水通道； 另一方面， 高含水率使電極與土體間界面電阻較低， 因此電流強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的態(tài)勢(shì)。 由于T2 在真空預(yù)壓階段排水較多， 開啟電滲時(shí)含水量較T1 低， 土體電阻較高，因此初始電流強(qiáng)度較低。 而T3～T6 的初始加載電壓與T1 和T2 相比較低， 因此初始電流強(qiáng)度也較低。

圖8 電流隨時(shí)間變化關(guān)系曲線Fig.8 Curve of current varying with time

比較各組試驗(yàn)電流強(qiáng)度衰減的幅度發(fā)現(xiàn)， T3～T6 電流強(qiáng)度衰減的幅度小于T1 和T2； 且在T3～T6 中， T6 電流強(qiáng)度衰減的幅度最小， 僅為1.44A，分別低于 T3～T5 電流強(qiáng)度衰減幅度的 47.1%、38.7%和22.6%。 這與T3～T6 在電滲階段采用逐級(jí)加載電壓的通電方式有關(guān)。 每次增加電壓后， 電流強(qiáng)度得到提高， 電流強(qiáng)度降低的趨勢(shì)得到減緩；且加載電壓級(jí)數(shù)越多， 越有利于抑制電路電流的衰減。

2.4 含水量和十字板剪切強(qiáng)度

含水量和十字板剪切強(qiáng)度是評(píng)估疏浚淤泥改良效果的兩個(gè)重要因素。 試驗(yàn)后使用十字板剪切儀在距陽極水平距離 39 mm、 65 mm、 91 mm、117 mm 和 143 mm， 深度 0 mm、 180 mm 和 360 mm處進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)； 同時(shí)， 在上述各位置處取土測(cè)量試驗(yàn)后土體含水量， 試驗(yàn)結(jié)果如圖9、 圖10 所示。

如圖 9（a）、10（a）所示， 淺層土體含水量低于深層土體， 淺層土體的十字板剪切強(qiáng)度高于深層土體。 這與淺層土體的真空壓力高于深層土體同時(shí)排水板主要集中于水平排水有關(guān)[13]。 通過比較所有試驗(yàn)組最表層和最深層土體的含水量和十字板剪切強(qiáng)度的差值發(fā)現(xiàn)， T2 比 T1 分別低 7.4%和21.4%； T3～T6 最表層和最深層土體含水量差值分別比 T2 低 11.1%、 15.9%、 26.9%和 38.1%， 剪切強(qiáng)度差值分別比 T2 低 18.2%、 36.4%、 54.5%和63.6%。 說明絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法能有效提高處理后土體的均勻性， 且加載電壓級(jí)數(shù)越高， 土體均勻性越好。

圖9 試驗(yàn)后土體含水量分布：（a）沿深度方向；（b）距陽極不同位置處Fig.9 Distributions of the soil water content after test：(a） along the depth；（b） with different distance to the anode

圖10 試驗(yàn)后土體十字板剪切強(qiáng)度分布：（a）沿深度方向；（b）距陽極不同位置處Fig.10 Distributions of the vane shear strength after test：(a） along the depth；（b） with different distance to the anode

如圖 9（b）和 10（b）所示， 就含水量和十字板剪切強(qiáng)度與到陽極距離之間的變化規(guī)律而言， 離陽極越近， 含水量越低， 十字板剪切強(qiáng)度越高。造成這一現(xiàn)象的主要原因如下： 一方面， 根據(jù)電滲排水機(jī)理， 孔隙水從陽極被驅(qū)動(dòng)并積聚在陰極附近， 因此陽極區(qū)土中含水量較陰極區(qū)更低， 土體固結(jié)程度更高， 十字板剪切強(qiáng)度更大； 另一方面， 從電化學(xué)角度上來看， 由于陰極區(qū)發(fā)生還原反應(yīng) （2H2O+2e-→2OH-+H2） 會(huì)生成大量 H2， 排出的氣泡會(huì)使淺層土體不斷產(chǎn)生縱向裂縫， 原本深層土體的排水通道被縱向裂縫打斷， 從而造成陰極附近孔隙水無法排出。 但由于排水板處真空壓力較高， 且真空壓力隨著距排水板水平距離的增加線性減小[14]， 因此試驗(yàn)后土中含水量的最高點(diǎn)以及十字板剪切強(qiáng)度的最低點(diǎn)不在排水板附近。

3 結(jié)論

（1）絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法較傳統(tǒng)真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法而言， 土體出流量更多， 土體表面沉降發(fā)展更顯著。 此外， 在電滲階段采用逐級(jí)加載電壓的通電方式能有效減緩電滲過程中電阻劇增的趨勢(shì)， 增強(qiáng)電路電流， 抑制電路電流的衰減。

（2）與傳統(tǒng)真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法相比， 絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法有效改善了真空預(yù)壓中排水板淤堵的問題， 處理后的土體含水量更低，十字板剪切強(qiáng)度更高， 均勻性更好；

（3）在絮凝-真空預(yù)壓-逐級(jí)加壓電滲法處理疏浚淤泥過程中， 采用的加載電壓級(jí)數(shù)越多， 電流強(qiáng)度衰減的幅度越小， 土體出流量越多， 加固效果越好； 且在本試驗(yàn)中采用分4 級(jí)加載電壓的通電方式處理疏浚淤泥， 處理后的土體十字板剪切強(qiáng)度達(dá)到64 kPa， 含水量降至40.3%， 加固效果最好。