立體排水-電極聯(lián)合體處理高含水率廢棄土的試驗(yàn)研究

王加勇，陳 庚*，陳永輝，陳 龍

(1. 河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)許多地區(qū)的河流、湖泊泥水環(huán)境急劇惡化，河道、航道淤泥淤積日益嚴(yán)重，為此我國(guó)每年都要進(jìn)行總量巨大的河湖疏浚工程。我國(guó)對(duì)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(chǎng)，這些堆場(chǎng)占用了大量的土地資源。如何對(duì)高含水率廢棄土進(jìn)行固化處理，如何更進(jìn)一步利用這些高含水率廢棄土成為學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

電滲排水固結(jié)法是一種新興的軟基處理方法，Casagrande[1]首次在德國(guó)某鐵路邊坡開挖工程中引入電滲技術(shù)，隨后電滲法在軟土地基處理、堤壩穩(wěn)定、提高樁基承載力、環(huán)境巖土等方面得到應(yīng)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(gè)方向，為后續(xù)試驗(yàn)研究提供了方向；龐寬等[3]研究發(fā)現(xiàn)了滲透系數(shù)的衰減規(guī)律；莊艷峰等[4-5]對(duì)于電滲過(guò)程中存在的界面電阻進(jìn)行了研究，并詳細(xì)介紹了電動(dòng)土工合成材料及其應(yīng)用；龔曉南等[6]對(duì)軸對(duì)稱條件下的電滲過(guò)程進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，并初步驗(yàn)證了間歇通電的優(yōu)勢(shì)；焦丹等[7]進(jìn)行軸對(duì)稱工況軟黏土不同初始條件及通電條件下的電滲試驗(yàn)，得出電滲法對(duì)軟黏土地基處理效果良好；潘東慶等[8]對(duì)于電滲過(guò)程中界面電阻進(jìn)行了研究，對(duì)電壓損耗不斷變大的原因進(jìn)行了分析；Lefebvre等[9]在金屬電極表面添加了一層特殊的化學(xué)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(jìn)行了簡(jiǎn)單電滲試驗(yàn)，說(shuō)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(jié)論；王柳江等[12]對(duì)于電極的布置形式進(jìn)行了研究，研究了陽(yáng)極的數(shù)目以及電極間距對(duì)于電滲的影響；李一雯等[13]對(duì)長(zhǎng)方形、梅花形、平行錯(cuò)位3種不同電極排列形式進(jìn)行了研究，認(rèn)為平行錯(cuò)位效果最好、成本最低；張雷等[14]采用鐵、銅、鋁和新型復(fù)合材料電極進(jìn)行電滲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新型復(fù)合電極材料加固強(qiáng)度提升較高且相對(duì)均勻。

通過(guò)對(duì)電滲法處理軟土試驗(yàn)研究的分析發(fā)現(xiàn)，前人在電極材料、通電方式、電極布置、聯(lián)合處理等方面對(duì)電滲處理軟土方法進(jìn)行不斷的改進(jìn)，但傳統(tǒng)工程排水采用的排水體或電極為單一豎向布置，存在結(jié)構(gòu)布置單一、耗能過(guò)大等問題。本文針對(duì)高含水率廢棄土的自身特點(diǎn)，提出一種適用于超軟土加固的立體排水-電極聯(lián)合體，該聯(lián)合體可在超軟土中形成立體排水通道，縮減土體固結(jié)路徑；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)排水體與電極的復(fù)合應(yīng)用，在土體內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)多電極分布，減少電極距，可加速超軟土的排水固結(jié)。本文從工程技術(shù)創(chuàng)新改進(jìn)的角度出發(fā)，圍繞立體排水-電極聯(lián)合體進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 立體排水體-電極聯(lián)合體結(jié)構(gòu)特征及材料選擇

立體排水-電極聯(lián)合體由立體排水-電極結(jié)構(gòu)體與外包濾布組成，圖1為立體排水-電極結(jié)構(gòu)體的構(gòu)造圖。單體的立體排水-電極結(jié)構(gòu)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(shè)置排水孔洞(開孔率不小于5%)；同時(shí)在豎向排水電極管的側(cè)壁設(shè)置用以支撐橫向排水管轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸及轉(zhuǎn)動(dòng)葉瓣，該設(shè)計(jì)可使得橫向排水管能在豎直方向上做 0°～ 90°轉(zhuǎn)動(dòng)；在立體排水-電極結(jié)構(gòu)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?jī)?nèi)螺旋接口。外包濾布采用普通無(wú)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(huì)進(jìn)入排水體內(nèi)部。立體排水-電極聯(lián)合體在理論上可實(shí)現(xiàn)多次回收利用，利于環(huán)保。

圖1 立體排水-電極體結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖Fig.1 Structure diagram of Solid drainage electrode body

針對(duì)不同深度土體處理要求，通過(guò)接頭處的螺紋連接，將多個(gè)單體的立體排水-電極結(jié)構(gòu)體豎向連接，在其表面外包濾布后形成不同長(zhǎng)度的立體排水-電極聯(lián)合體。為適應(yīng)室內(nèi)小尺寸模型試驗(yàn)需求，實(shí)際立體排水-電極聯(lián)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(shè)時(shí)不會(huì)自動(dòng)張開，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。圖2為立體排水-電極聯(lián)合體實(shí)物圖。

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

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

電滲試驗(yàn)裝置如圖3所示，主體裝置由試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洹⒅绷麟娫础㈦妱?shì)采集盒、電腦端組成。模型箱為透明塑料儲(chǔ)物箱，其內(nèi)部尺寸為450 mm×340 mm×300 mm，底部打設(shè)四個(gè)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(shì)排水，接口處用熱熔膠進(jìn)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(biāo)，并在模型箱上邊緣處粘貼三根塑鋼條，用于試驗(yàn)中土體沉降測(cè)量；采用銅芯探針測(cè)量電勢(shì)分布。

圖3 電滲試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Electroosmosis test device diagram

電源選用兆信RXN-605D型號(hào)直流穩(wěn)壓電源，可提供0～5 A電流和0～60 V電壓。電滲試驗(yàn)結(jié)束后采用十字板剪切儀(MCC-GEO1153)測(cè)試試樣強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

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

表1 原狀土樣的基本物理指標(biāo)

表2 試驗(yàn)條件匯總

試驗(yàn)前三組形成對(duì)比試驗(yàn)，TI和T2對(duì)比，主要探究在增加橫向排水電極后，與傳統(tǒng)的豎管電極相比優(yōu)勢(shì)所在；T2和T3對(duì)比，研究在增加橫向排水體數(shù)量，也就是在空間立體上增加層數(shù)后，排水效率能增大多少。

試驗(yàn)電壓定為30 V，對(duì)應(yīng)的電勢(shì)梯度為1.5 V/cm，前人的模型試驗(yàn)中電勢(shì)梯度基本在1～2 V之間，根據(jù)實(shí)際情況本試驗(yàn)選擇了中間數(shù)。電極的布置形式對(duì)電滲加固效果有一定影響，浙江大學(xué)李一雯[13]在室內(nèi)對(duì)長(zhǎng)方形、梅花形以及平行錯(cuò)位布置進(jìn)行了對(duì)比研究，從排水量上推薦采用長(zhǎng)方形或者平行錯(cuò)位，梅花形布置的情況下產(chǎn)生的縱貫裂縫比較復(fù)雜，會(huì)對(duì)電滲的效果產(chǎn)生負(fù)面效果。結(jié)合本試驗(yàn)的具體情況，本試驗(yàn)采用了正方形對(duì)稱布置的方案，測(cè)點(diǎn)布置平面圖如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置平面圖(單位：mm)Fig.4 Layout plan of measuring points

具體試驗(yàn)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(dǎo)線、電源、電腦和電勢(shì)采集盒；

(2)分層裝填土樣，插入電勢(shì)探針，稱量空燒杯質(zhì)量，并在出水口放置燒杯；

(3)打開電源以及電腦數(shù)據(jù)采集軟件，調(diào)節(jié)電源至輸出電壓30 V；

(4)每隔相應(yīng)時(shí)間讀取電流表示數(shù)，稱量并計(jì)算電滲排水量；

(5)試驗(yàn)結(jié)束后，斷開電源，取樣測(cè)含水率，測(cè)定抗剪強(qiáng)度，拆除裝置。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 排水量與排水速率

圖5描述了排水量隨時(shí)間的累積曲線，以T1排水速率接近0時(shí)作為終止條件。從圖中可以看出各組試驗(yàn)運(yùn)行150 h時(shí)， T1、T2、T3三組電滲試驗(yàn)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(gè)階段，前20 h曲線呈線性增長(zhǎng)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(duì)于傳統(tǒng)的單管電極，增加一層橫向排水通道后，T2前兩個(gè)階段的的排水速率更高，最終排水量增長(zhǎng)17%左右，說(shuō)明橫向排水路徑的增加以及陽(yáng)極到陰極排水距離縮短對(duì)于電滲排水的促進(jìn)效果明顯。進(jìn)一步對(duì)比T3與T2發(fā)現(xiàn)，T3相較于T2試驗(yàn)效果提升明顯，無(wú)論是排水速率還是最終的排水量都領(lǐng)先于單層電極排水電極，提高18%左右。從利于排水的角度來(lái)看，雙層式立體排水電極結(jié)構(gòu)更加合理，相對(duì)于傳統(tǒng)單管電極提升38%，土體的排水更加高效。

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

3.2 含水率與抗剪強(qiáng)度

電滲處理后土體的剪切強(qiáng)度和含水率將直接影響到電滲處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，試驗(yàn)后的試樣剪切強(qiáng)度用十字板剪切儀測(cè)定，含水率測(cè)點(diǎn)布置與抗剪強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)一樣，如圖4所示。在陰陽(yáng)兩極附近、陰陽(yáng)極連線中點(diǎn)(中點(diǎn))以及陽(yáng)極與陽(yáng)極(陰極與陰極)連線中點(diǎn)處(中心)，從上到下按照表層、中間層、底層取樣測(cè)試。最后，每個(gè)部分的剪切強(qiáng)度和含水率取其平均值，如圖6和圖7所示。

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

圖7 試驗(yàn)后抗剪強(qiáng)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(qiáng)度的增加與含水率的降低呈正相關(guān)，分別在陽(yáng)極和陰極處獲得了它們的最大值和最小值。T1—T3各組試驗(yàn)最低含水率均出現(xiàn)在陽(yáng)極附近，其中最小值為T3試驗(yàn)組的28.5%，相比原始含水率降低百分比達(dá)54%。T1—T3三組試驗(yàn)呈現(xiàn)明顯的強(qiáng)度梯度劃分，T3>T2>T1，增加橫向排水體后對(duì)于土體強(qiáng)度的增加效果比較明顯。抗剪強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在陽(yáng)極附近，其中最大值為T3試驗(yàn)組6.79 kPa，最小值出現(xiàn)在T2試驗(yàn)組的陰極處為0.47 kPa。除此之外，對(duì)比T1—T3陰極附近和中心點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，中心點(diǎn)和陰極點(diǎn)抗剪強(qiáng)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(qiáng)度較低；中心位置由于四處水分匯聚，強(qiáng)度雖然比陰極要高，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如陽(yáng)極。

試驗(yàn)各組含水率和強(qiáng)度對(duì)比如表3所示，忽略各點(diǎn)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(xiàn)階梯式降低，說(shuō)明橫向排水體的存在對(duì)于含水率的降低有重要的影響。而對(duì)于土體抗剪強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，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(duì)于土體強(qiáng)度的提升更為明顯。另外對(duì)比T2和T3，增加一層排水體土體含水率變異系數(shù)由1.23降至0.93，強(qiáng)度均勻性也更好，說(shuō)明其雙層式結(jié)構(gòu)更為合理。

表3 試驗(yàn)各組含水率和強(qiáng)度對(duì)比表

3.3 沉降變化

圖8顯示了各組試驗(yàn)沉降情況，T1—T3試驗(yàn)沉降最小的位置都在陽(yáng)極附近，沉降最小值1.5 cm位于T3的陽(yáng)極，沉降最大值3.05 cm發(fā)生在T1單元體中心處。按照電滲排水固結(jié)的機(jī)理，陽(yáng)極水分遷移至陰極排出使陽(yáng)極附近土體發(fā)生固結(jié)沉降，陽(yáng)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(yīng)該達(dá)到最大值，但是實(shí)際結(jié)果陽(yáng)極沉降并不是最大值，甚至都達(dá)不到陰陽(yáng)極中間的值。試驗(yàn)出現(xiàn)的這種現(xiàn)象，本文認(rèn)為導(dǎo)致陽(yáng)極沉降值沒有達(dá)到理論數(shù)值是因?yàn)榱Ⅲw排水-電極結(jié)構(gòu)體的存在，在陽(yáng)極附近搭建一個(gè)固定的骨架，這個(gè)骨架給陽(yáng)極附近土體提供一個(gè)支撐作用，阻止了陽(yáng)極附近的沉降；另外，土體陽(yáng)極表層隨著排水的不斷進(jìn)行，在陽(yáng)極排水體附近形成土樁，使附近土體表面隆起，進(jìn)一步使陽(yáng)極沉降降低。至于沉降最大處在正方形中心也是預(yù)期之中，因?yàn)橹行狞c(diǎn)的土體可以同時(shí)向周圍的排水體進(jìn)行排水，排水路徑最短也最多，而在陰陽(yáng)極中間處，由于距離另一個(gè)陰極較遠(yuǎn)，實(shí)際上可考慮為單一排水路徑。

3.4 電勢(shì)分布及其變化

針對(duì)本文中立體排水-電滲聯(lián)合體來(lái)說(shuō)，橫向排水體的增加勢(shì)必會(huì)影響其分布，因此不采用傳統(tǒng)從陽(yáng)極到陰極間隔電勢(shì)測(cè)針布置方案。而是在陰陽(yáng)兩極附近、陰陽(yáng)極連線中點(diǎn)(中點(diǎn))以及陽(yáng)極與陽(yáng)極(陰極與陰極)連線中點(diǎn)處(中心)四個(gè)位置，在中間層設(shè)置探針。由于試驗(yàn)儀器故障，陽(yáng)極附近電勢(shì)數(shù)據(jù)丟失，在此僅對(duì)位于陰極附近、陰陽(yáng)極中點(diǎn)、中心點(diǎn)進(jìn)行分析。具體的電勢(shì)隨時(shí)間變化的情況見圖9。

圖9 電勢(shì)隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Potential versus time curve

從整體來(lái)看，在陰陽(yáng)極中點(diǎn)以及中心處，在后期單管電極的電勢(shì)會(huì)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(shì)處于同一梯度水平，沒有明顯高低，說(shuō)明橫向排水體的加入使得電勢(shì)會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)較高的水平，相較于單管電極，立體電滲排水體對(duì)于中部的土體有著更好的加固作用。

從陰極處的電勢(shì)變化來(lái)看，由于雙層電極組測(cè)點(diǎn)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(shì)低說(shuō)明水分排出及時(shí)，而且陰極處保持一個(gè)較低的電勢(shì)會(huì)使得土體中部的電勢(shì)梯度維持一個(gè)較高的水平，有利于電滲的持續(xù)高效進(jìn)行。

3.5 電流變化與能耗分析

圖10顯示了電流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。T1—T3三組試驗(yàn)早期電流略有提高，考慮是電滲初期土體內(nèi)部水分從陽(yáng)極向陰極遷移，增大了土體水的流動(dòng)性，使得電阻減小電流增大。對(duì)比T3與T2發(fā)現(xiàn)，雙層式聯(lián)合體電流始終高于單層式聯(lián)合體，增加橫向排水體的數(shù)量有利于土體維持較高的電流水平，說(shuō)明增加排水通道縮短排水路徑后可以促進(jìn)土體中水分子運(yùn)動(dòng)，對(duì)立體排水-電極聯(lián)合體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)有一定的啟示。而對(duì)T2與T1電滲作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出隨時(shí)間的增加逐漸遞減并最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

圖10 電流強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Curve of current intensity with time

能耗過(guò)高是影響電滲排水固結(jié)廣泛應(yīng)用的主要因素之一。有研究表明，電滲中用于排水的能耗遠(yuǎn)低于使土體發(fā)熱所用的能耗，有效降低能耗問題亟待解決。本文采用穩(wěn)壓輸出，試驗(yàn)?zāi)芎牡挠?jì)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(gè)試驗(yàn)過(guò)程中控制為定量；Wt表示在t0和t1之間的能耗。

分段計(jì)算出各段能耗以后，分段累加直至試驗(yàn)結(jié)束得到最終能耗。圖11為試驗(yàn)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(lián)合體試驗(yàn)的能耗有明顯的增加，但電流的強(qiáng)度也有一個(gè)較高的提升，電流增大意味著排水的能力更強(qiáng)，體現(xiàn)出雙層立體排水的優(yōu)勢(shì)。

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

為了更好地對(duì)比各組的情況，引入統(tǒng)一能耗系數(shù)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(fèi)的能量。以150 h作為終止時(shí)間，對(duì)各組進(jìn)行分別求解，得出T1—T3的能耗系數(shù)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(shù)反而降低，考慮排水量體現(xiàn)了立體排水-電極聯(lián)合體的優(yōu)越性。而對(duì)于雙層電極來(lái)說(shuō)其能耗之所以大，是因?yàn)樵黾訖M向排水通道之后其與土體接觸面積變大，且電極在試驗(yàn)過(guò)程中相比單管以及雙管電極與土體結(jié)合更緊密，有效電壓更高，故其能耗相對(duì)較高。綜合來(lái)看從排水量、土體處理后強(qiáng)度等方面來(lái)看，雖然能耗有所增加，但立體排水-電極聯(lián)合體這種新結(jié)構(gòu)還是具有一定的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

1)立體排水-電極聯(lián)合體增加了橫向排水通道，縮短了排水固結(jié)排水路徑，排水量以及排水速率均優(yōu)于傳統(tǒng)豎向排水體，單層式聯(lián)合體后比傳統(tǒng)豎向排水體排水量增大17%，雙層式聯(lián)合體后比傳統(tǒng)豎向排水體排水量進(jìn)一步增大到38%，新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

2)從土體強(qiáng)度增長(zhǎng)來(lái)看，增加橫向排水體后提升明顯，是傳統(tǒng)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(duì)于土體強(qiáng)度的提升更為明顯，并且雙層式聯(lián)合體處理后抗剪強(qiáng)度變異系數(shù)僅有0.93，土體內(nèi)部強(qiáng)度更加均勻。

3)針對(duì)立體排水-電極聯(lián)合體空間布置的情況，發(fā)現(xiàn)可以使土體中部的電勢(shì)梯度維持一個(gè)較高的水平，有利于電滲的持續(xù)高效進(jìn)行。經(jīng)濟(jì)上引入了統(tǒng)一能耗系數(shù)的概念，可以看到雙層式聯(lián)合體能耗系數(shù)是傳統(tǒng)豎向排水體的1.15倍，但綜合土體處理效果來(lái)看，認(rèn)為立體排水-電極聯(lián)合具有良好的應(yīng)用前景。