立體排水-電極聯合體處理高含水率廢棄土的試驗研究

王加勇，陳 庚*，陳永輝，陳 龍

(1. 河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098；2. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京210098)

隨著國民經濟的快速發展，城市化進程的不斷推進，我國許多地區的河流、湖泊泥水環境急劇惡化，河道、航道淤泥淤積日益嚴重，為此我國每年都要進行總量巨大的河湖疏浚工程。我國對于疏浚淤泥的處置方法主要是就近棄土，大量的疏浚淤泥形成了許多的淤泥堆場，這些堆場占用了大量的土地資源。如何對高含水率廢棄土進行固化處理，如何更進一步利用這些高含水率廢棄土成為學者的研究熱點。

電滲排水固結法是一種新興的軟基處理方法，Casagrande[1]首次在德國某鐵路邊坡開挖工程中引入電滲技術，隨后電滲法在軟土地基處理、堤壩穩定、提高樁基承載力、環境巖土等方面得到應用；Bjerrum[2]利用電滲加固挪威靈敏性粘土提出了電滲排水涉及到的七個方向，為后續試驗研究提供了方向；龐寬等[3]研究發現了滲透系數的衰減規律；莊艷峰等[4-5]對于電滲過程中存在的界面電阻進行了研究，并詳細介紹了電動土工合成材料及其應用；龔曉南等[6]對軸對稱條件下的電滲過程進行了室內試驗，并初步驗證了間歇通電的優勢；焦丹等[7]進行軸對稱工況軟黏土不同初始條件及通電條件下的電滲試驗，得出電滲法對軟黏土地基處理效果良好；潘東慶等[8]對于電滲過程中界面電阻進行了研究，對電壓損耗不斷變大的原因進行了分析；Lefebvre等[9]在金屬電極表面添加了一層特殊的化學鍍膜，有效降低了接觸電阻，提高了電滲效率；Laursen[10]用斑駁土第一次進行了簡單電滲試驗，說明土體的含鹽量影響電滲效率；孫益成[11]研究得出非飽和土電滲加固效果不及飽和土的結論；王柳江等[12]對于電極的布置形式進行了研究，研究了陽極的數目以及電極間距對于電滲的影響；李一雯等[13]對長方形、梅花形、平行錯位3種不同電極排列形式進行了研究，認為平行錯位效果最好、成本最低；張雷等[14]采用鐵、銅、鋁和新型復合材料電極進行電滲試驗，發現新型復合電極材料加固強度提升較高且相對均勻。

通過對電滲法處理軟土試驗研究的分析發現，前人在電極材料、通電方式、電極布置、聯合處理等方面對電滲處理軟土方法進行不斷的改進，但傳統工程排水采用的排水體或電極為單一豎向布置，存在結構布置單一、耗能過大等問題。本文針對高含水率廢棄土的自身特點，提出一種適用于超軟土加固的立體排水-電極聯合體，該聯合體可在超軟土中形成立體排水通道，縮減土體固結路徑；同時，實現排水體與電極的復合應用，在土體內部可實現多電極分布，減少電極距，可加速超軟土的排水固結。本文從工程技術創新改進的角度出發，圍繞立體排水-電極聯合體進行試驗研究。

1 立體排水體-電極聯合體結構特征及材料選擇

立體排水-電極聯合體由立體排水-電極結構體與外包濾布組成，圖1為立體排水-電極結構體的構造圖。單體的立體排水-電極結構體主要包括1根豎向電極管和 4 根橫向排水電極管，其中，4 根橫向排水電極管在同一平面相互垂直；并分別在豎向排水管與橫向排水電極管上均勻設置排水孔洞(開孔率不小于5%)；同時在豎向排水電極管的側壁設置用以支撐橫向排水管轉動的轉動軸及轉動葉瓣，該設計可使得橫向排水管能在豎直方向上做 0°～ 90°轉動；在立體排水-電極結構體豎向排水電極管的上端及下端，分別為上部外螺旋接口和下部內螺旋接口。外包濾布采用普通無紡濾布(O95<0.075 mm)，縫合方式為針織縫合、熱軋粘合，保證土顆粒不會進入排水體內部。立體排水-電極聯合體在理論上可實現多次回收利用，利于環保。

圖1 立體排水-電極體結構構造圖Fig.1 Structure diagram of Solid drainage electrode body

針對不同深度土體處理要求，通過接頭處的螺紋連接，將多個單體的立體排水-電極結構體豎向連接，在其表面外包濾布后形成不同長度的立體排水-電極聯合體。為適應室內小尺寸模型試驗需求，實際立體排水-電極聯合體橫向排水電極管與豎向排水電極管采用金屬焊接方式連接，焊接不影響排水體排水，只是在打設時不會自動張開，對試驗結果無影響。圖2為立體排水-電極聯合體實物圖。

圖2 立體排水-電極體實物圖Fig.2 Factual picture of the solid drainage electrode body

2 試驗設計

2.1 試驗裝置

電滲試驗裝置如圖3所示，主體裝置由試驗模型箱、直流電源、電勢采集盒、電腦端組成。模型箱為透明塑料儲物箱，其內部尺寸為450 mm×340 mm×300 mm，底部打設四個直徑為15 mm的孔，用于固定電極以及排水通道，孔洞處連接引水管，其下放置燒杯收集電勢排水，接口處用熱熔膠進行密封。另外選用尺寸為30 mm×30 mm×8 mm的塑鋼板與10 mm×5 mm×100 mm的塑鋼條制作微型沉降標，并在模型箱上邊緣處粘貼三根塑鋼條，用于試驗中土體沉降測量；采用銅芯探針測量電勢分布。

圖3 電滲試驗裝置圖Fig.3 Electroosmosis test device diagram

電源選用兆信RXN-605D型號直流穩壓電源，可提供0～5 A電流和0～60 V電壓。電滲試驗結束后采用十字板剪切儀(MCC-GEO1153)測試試樣強度。

2.2 試驗內容及步驟

本文試驗土樣取自蘇錫常南部高速公路常州至無錫段太湖隧道淤泥土，其基本物理指標如表1所示。試驗總共分為3組，具體的對比情況如表2所示。

表1 原狀土樣的基本物理指標

表2 試驗條件匯總

試驗前三組形成對比試驗，TI和T2對比，主要探究在增加橫向排水電極后，與傳統的豎管電極相比優勢所在；T2和T3對比，研究在增加橫向排水體數量，也就是在空間立體上增加層數后，排水效率能增大多少。

試驗電壓定為30 V，對應的電勢梯度為1.5 V/cm，前人的模型試驗中電勢梯度基本在1～2 V之間，根據實際情況本試驗選擇了中間數。電極的布置形式對電滲加固效果有一定影響，浙江大學李一雯[13]在室內對長方形、梅花形以及平行錯位布置進行了對比研究，從排水量上推薦采用長方形或者平行錯位，梅花形布置的情況下產生的縱貫裂縫比較復雜，會對電滲的效果產生負面效果。結合本試驗的具體情況，本試驗采用了正方形對稱布置的方案，測點布置平面圖如圖4所示。

圖4 測點布置平面圖(單位：mm)Fig.4 Layout plan of measuring points

具體試驗步驟如下：

(1)在模型箱出水口位置粘貼濾膜，固定電極并連接導線、電源、電腦和電勢采集盒；

(2)分層裝填土樣，插入電勢探針，稱量空燒杯質量，并在出水口放置燒杯；

(3)打開電源以及電腦數據采集軟件，調節電源至輸出電壓30 V；

(4)每隔相應時間讀取電流表示數，稱量并計算電滲排水量；

(5)試驗結束后，斷開電源，取樣測含水率，測定抗剪強度，拆除裝置。

3 試驗結果分析

3.1 排水量與排水速率

圖5描述了排水量隨時間的累積曲線，以T1排水速率接近0時作為終止條件。從圖中可以看出各組試驗運行150 h時， T1、T2、T3三組電滲試驗排水量分別是5 223、6 114、7 219 mL。排水累積曲線大致可分為三個階段，前20 h曲線呈線性增長階段；從20～140 h左右，曲線逐漸平緩，排水速率逐漸下降，處于排水衰減期；140 h以后排水速率逐漸趨向于0，排水量幾乎不再增加。T2與T1相比，明顯地看出相對于傳統的單管電極，增加一層橫向排水通道后，T2前兩個階段的的排水速率更高，最終排水量增長17%左右，說明橫向排水路徑的增加以及陽極到陰極排水距離縮短對于電滲排水的促進效果明顯。進一步對比T3與T2發現，T3相較于T2試驗效果提升明顯，無論是排水速率還是最終的排水量都領先于單層電極排水電極，提高18%左右。從利于排水的角度來看，雙層式立體排水電極結構更加合理，相對于傳統單管電極提升38%，土體的排水更加高效。

圖5 排水量隨時間變化曲線Fig.5 Drainage curve with time

3.2 含水率與抗剪強度

電滲處理后土體的剪切強度和含水率將直接影響到電滲處理技術的實際應用，試驗后的試樣剪切強度用十字板剪切儀測定，含水率測點布置與抗剪強度測點一樣，如圖4所示。在陰陽兩極附近、陰陽極連線中點(中點)以及陽極與陽極(陰極與陰極)連線中點處(中心)，從上到下按照表層、中間層、底層取樣測試。最后，每個部分的剪切強度和含水率取其平均值，如圖6和圖7所示。

圖6 試驗后含水率變化柱形圖Fig.6 Column chart of water content change after test

圖7 試驗后抗剪強度變化柱形圖Fig. 7 Column chart of shear strength after test

由圖6和圖7可知，抗剪強度的增加與含水率的降低呈正相關，分別在陽極和陰極處獲得了它們的最大值和最小值。T1—T3各組試驗最低含水率均出現在陽極附近，其中最小值為T3試驗組的28.5%，相比原始含水率降低百分比達54%。T1—T3三組試驗呈現明顯的強度梯度劃分，T3>T2>T1，增加橫向排水體后對于土體強度的增加效果比較明顯?？辜魪姸茸畲笾稻霈F在陽極附近，其中最大值為T3試驗組6.79 kPa，最小值出現在T2試驗組的陰極處為0.47 kPa。除此之外，對比T1—T3陰極附近和中心點可以發現，中心點和陰極點抗剪強度差異很小。陰極由于是水流的匯集和排水處，水分難以完全排出，造成強度較低；中心位置由于四處水分匯聚，強度雖然比陰極要高，但遠遠不如陽極。

試驗各組含水率和強度對比如表3所示，忽略各點含水率的差異整體分析，T1、T2、T3相比于原始土樣的含水率分別下降了32.5%、36.1%、42.6%，橫向排水體的增加使得含水率呈現階梯式降低，說明橫向排水體的存在對于含水率的降低有重要的影響。而對于土體抗剪強度來說，增加橫向排水體后，T2、T3相比于T1提升明顯，是T1的1.5倍和3.0倍，相較于含水率降低程度的1.1倍和1.3倍，增加橫向排水體后，對于土體強度的提升更為明顯。另外對比T2和T3，增加一層排水體土體含水率變異系數由1.23降至0.93，強度均勻性也更好，說明其雙層式結構更為合理。

表3 試驗各組含水率和強度對比表

3.3 沉降變化

圖8顯示了各組試驗沉降情況，T1—T3試驗沉降最小的位置都在陽極附近，沉降最小值1.5 cm位于T3的陽極，沉降最大值3.05 cm發生在T1單元體中心處。按照電滲排水固結的機理，陽極水分遷移至陰極排出使陽極附近土體發生固結沉降，陽極附近的土體的含水率是最低的，排水量是最大的，沉降理論上應該達到最大值，但是實際結果陽極沉降并不是最大值，甚至都達不到陰陽極中間的值。試驗出現的這種現象，本文認為導致陽極沉降值沒有達到理論數值是因為立體排水-電極結構體的存在，在陽極附近搭建一個固定的骨架，這個骨架給陽極附近土體提供一個支撐作用，阻止了陽極附近的沉降；另外，土體陽極表層隨著排水的不斷進行，在陽極排水體附近形成土樁，使附近土體表面隆起，進一步使陽極沉降降低。至于沉降最大處在正方形中心也是預期之中，因為中心點的土體可以同時向周圍的排水體進行排水，排水路徑最短也最多，而在陰陽極中間處，由于距離另一個陰極較遠，實際上可考慮為單一排水路徑。

3.4 電勢分布及其變化

針對本文中立體排水-電滲聯合體來說，橫向排水體的增加勢必會影響其分布，因此不采用傳統從陽極到陰極間隔電勢測針布置方案。而是在陰陽兩極附近、陰陽極連線中點(中點)以及陽極與陽極(陰極與陰極)連線中點處(中心)四個位置，在中間層設置探針。由于試驗儀器故障，陽極附近電勢數據丟失，在此僅對位于陰極附近、陰陽極中點、中心點進行分析。具體的電勢隨時間變化的情況見圖9。

圖9 電勢隨時間變化曲線Fig.9 Potential versus time curve

從整體來看，在陰陽極中點以及中心處，在后期單管電極的電勢會明顯小于單層和雙層電極，而單層和雙層電極在這兩處基本上電勢處于同一梯度水平，沒有明顯高低，說明橫向排水體的加入使得電勢會保持在一個相對較高的水平，相較于單管電極，立體電滲排水體對于中部的土體有著更好的加固作用。

從陰極處的電勢變化來看，由于雙層電極組測點距離陰極處電極距離較近的原因，使得雙層電極明顯小于另外兩組，陰極處電勢低說明水分排出及時，而且陰極處保持一個較低的電勢會使得土體中部的電勢梯度維持一個較高的水平，有利于電滲的持續高效進行。

3.5 電流變化與能耗分析

圖10顯示了電流強度隨時間的變化。T1—T3三組試驗早期電流略有提高，考慮是電滲初期土體內部水分從陽極向陰極遷移，增大了土體水的流動性，使得電阻減小電流增大。對比T3與T2發現，雙層式聯合體電流始終高于單層式聯合體，增加橫向排水體的數量有利于土體維持較高的電流水平，說明增加排水通道縮短排水路徑后可以促進土體中水分子運動，對立體排水-電極聯合體的結構改進有一定的啟示。而對T2與T1電滲作對比，發現差異不是很明顯，只是在電滲初期含水率略高于單管電極，在這之后基本處于同一水平，呈現出隨時間的增加逐漸遞減并最后趨于穩定的規律。

圖10 電流強度隨時間變化曲線Fig.10 Curve of current intensity with time

能耗過高是影響電滲排水固結廣泛應用的主要因素之一。有研究表明，電滲中用于排水的能耗遠低于使土體發熱所用的能耗，有效降低能耗問題亟待解決。本文采用穩壓輸出，試驗能耗的計算主要基于電流變化的情況，所用公式如下：

(1)

式中：It表示在t0和t1之間的平均電流；U為定值，電壓在整個試驗過程中控制為定量；Wt表示在t0和t1之間的能耗。

分段計算出各段能耗以后，分段累加直至試驗結束得到最終能耗。圖11為試驗各組能耗的累積曲線圖，T1—T3的最終能耗分別為0.85、0.94、1.35 kW·h。增加橫向排水體后，特別是雙層式立體排水-電極聯合體試驗的能耗有明顯的增加，但電流的強度也有一個較高的提升，電流增大意味著排水的能力更強，體現出雙層立體排水的優勢。

圖11 各組試驗累積能耗Fig.11 Cumulative energy consumption of each test group

為了更好地對比各組的情況，引入統一能耗系數概念，其公式為：

(2)

Qt表示從t0和t1之間的累積排水量，C的單位為kW·h/L，物理意義為排出1 L水所需要耗費的能量。以150 h作為終止時間，對各組進行分別求解，得出T1—T3的能耗系數分別為0.163、0.154、0.187。T2與T1相比，增加橫向排水體后，能耗系數反而降低，考慮排水量體現了立體排水-電極聯合體的優越性。而對于雙層電極來說其能耗之所以大，是因為增加橫向排水通道之后其與土體接觸面積變大，且電極在試驗過程中相比單管以及雙管電極與土體結合更緊密，有效電壓更高，故其能耗相對較高。綜合來看從排水量、土體處理后強度等方面來看，雖然能耗有所增加，但立體排水-電極聯合體這種新結構還是具有一定的優勢與應用前景。

4 結論

1)立體排水-電極聯合體增加了橫向排水通道，縮短了排水固結排水路徑，排水量以及排水速率均優于傳統豎向排水體，單層式聯合體后比傳統豎向排水體排水量增大17%，雙層式聯合體后比傳統豎向排水體排水量進一步增大到38%，新型結構設計合理。

2)從土體強度增長來看，增加橫向排水體后提升明顯，是傳統豎向單管電極的1.5倍和3.0倍，相較于含水率降低程度的1.1倍和1.3倍，對于土體強度的提升更為明顯，并且雙層式聯合體處理后抗剪強度變異系數僅有0.93，土體內部強度更加均勻。

3)針對立體排水-電極聯合體空間布置的情況，發現可以使土體中部的電勢梯度維持一個較高的水平，有利于電滲的持續高效進行。經濟上引入了統一能耗系數的概念，可以看到雙層式聯合體能耗系數是傳統豎向排水體的1.15倍，但綜合土體處理效果來看，認為立體排水-電極聯合具有良好的應用前景。