電滲聯合堆載預壓及化學法加速淤筑土固結的試驗研究

桂書潤 王龍嘉 班子越 趙飛燕 徐 欣

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；2.河南新田置業有限公司，河南 鄭州 450002；3.同濟大學，上海 200092）

0 引言

近年來，由于中國沿海吹填造陸建設以及河流疏浚淤泥量的增加，使得電滲法越來越廣泛地用于地基處理中，并獲得了一定的成效，但它在淤筑土處理領域中的實際運用范圍還比較小。針對淤筑土的特點，嘗試開展電滲處理淤筑土的室內試驗研究，使用電滲法及其他方法聯合加速淤筑體排水，并與傳統單一方法進行比較，重點進行單獨電滲法、電滲聯合堆載預壓法、電滲聯合化學法三組對比試驗［1］，再通過土體基本物理力學特性指標，將每組試驗數據加以比較，多方面分析電滲及其聯合法對淤筑土固結的處理效果。試驗結論可以為工程實踐提供更多有力的技術支撐。

避水村臺的建設是治理黃河下游灘區洪水的重要措施。建設避水村臺可以用挖泥船等設備直接將河道中的淤泥土運送到施工區域，充分利用天然建筑材料，既能降低成本，又能縮短工期。淤筑體不僅具有高含水率、高壓縮性、高孔隙比等特點，還含有細黏土顆粒、有機物、氧化物等固體材料，其固結而成的地基具有穩定時間長、承載力較低、沉降量較大等缺點，如果只靠淤筑體的自身固結，其固結強度遠遠達不到工程標準。因此，對這類特殊土進行研究具有實踐價值和重要意義［2］。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗土樣取自河南范縣避水村臺，是由淤筑體修筑而成，土樣呈淺黃色，少量褐色，具有高壓縮性、高含水率、孔隙比較大、結構性較顯著等特點。試驗采用擾動土樣，把天然土樣置于烘箱中完全干燥、碾碎后用2 mm 孔徑的篩網篩制，并配制成飽和含水率的吹填泥漿，將所有土樣置于一個大的密閉容器內，試驗前充分混勻并做好養護，以保證所有土樣含水率一致，提高試驗的準確性。

1.2 試驗裝置

試驗主要裝置有電滲試驗箱、電源、量筒、萬用表、微型十字板、不銹鋼網電極、土工布等。試驗中的外加劑為粉末狀的生石灰、水泥等。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置（單位：mm）

電滲試驗箱選用尺寸為600 mm×100 mm×200 mm的亞克力板制成。在試驗箱的底部的兩側短邊處各打一直徑3 mm 的小孔，并在外側拼接好同尺寸的導管，用石蠟密封完好，起到排水的作用。

在試驗箱長邊75 mm 處的側壁打2 mm 厚的凹槽用來固定擋土板，擋土板選用2 mm 厚的亞克力板，在其表面打出3 mm 直徑的若干小孔作為試驗橫向排水的排水孔；試驗電極選用手工修剪為140 mm×200 mm 的鋼絲網電極，試驗前應將土工布固定于擋土板與電極網中間，防止試驗過程中土顆粒的流失，增加試驗的準確性。

1.3 試驗方法

筆者主要研究電滲法及其聯合法加速淤筑體的排水及固結效果，六組對比試驗分別為：①自然固結狀態淤筑土；②單獨電滲（采用恒定30 V 電壓）處理淤筑土［3-5］；③堆載預壓法（上部加荷載20 kPa）處理淤筑土固結試驗［6］；④化學法（生石灰或水泥摻入量控制為200 g）處理淤筑土固結試驗［7-8］。⑤電滲法和堆載預壓法聯合處理淤筑土試驗［9-10］。⑥電滲法和化學法聯合處理淤筑土試驗［11］。

1.4 試驗過程

具體試驗內容分為三部分。第一部分為淤筑土自然固結與單獨電滲法對比試驗，兩組采用同含水率、等體積的土樣。自然固結組將10 kg 試驗土樣分成5 次均勻地放入電滲試驗箱中，完成裝樣后，還應在試驗土體上覆蓋一層土工布；電滲組在此基礎上通過電源輸出恒定電壓30 V，其他條件不變，試驗周期為5 d。第二部分為堆載預壓法和化學法對比試驗，兩組采用同含水率、等體積的土樣，堆載預壓組在試驗區土體頂部施加恒定荷載20 kPa；化學組分多次多層均勻摻入200 g 的生石灰和水泥，并攪拌均勻。裝樣完成后同樣覆上一層土工布靜置，一個周期后結束試驗。第三部分為電滲聯合堆載預壓法和電滲聯合化學法的對比試驗，兩組采用同含水率、等體積的土樣，再在第二部分的基礎上通過電源輸出恒定電壓30 V，使其在電滲的作用下靜置，一個周期后結束試驗。試驗完成后，測試每組土體的脫水量、含水率與力學變化等物理特性，進行對比和能耗分析。

2 結果分析

2.1 顆粒級配

原土樣顆分試驗結果如圖2 所示，土樣中有37%的顆粒粒徑小于0.005 mm，土樣中含有大量的極細顆粒。根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）中應用17 mm液限的同時保留10 mm液限的方法，得出土樣為粉質黏土。

圖2 顆分試驗結果

電滲試驗后顆分結果如圖2 所示，土樣中有23%的顆粒粒徑小于0.005 mm，土樣中仍然含有大量的極細顆粒，黏粒含量減少。

2.2 含水率

施加120 h 30 V電壓的電滲試驗之后含水率如圖3 所示，陽極附近土體的含水率低，陰極附近土體的含水率高；除單獨化學法外的幾組試驗的含水率下降量幅值均大于自然固結下降幅值；電滲聯合化學法與電滲聯合堆載預壓法試驗的排水率明顯高于單獨化學法和單獨堆載預壓法；電滲聯合化學法試驗的排水率并不高，電滲聯合堆載預壓法排水效果最為理想。

圖3 電滲及其聯合法試驗后含水率

2.3 塑性圖

塑性圖是一種以塑性指數為縱坐標，以液限為橫坐標，用于細粒土分類的圖，如圖4所示。可將細粒土分為低塑性無機黏土（CL）、高塑性無機黏土（CH）、低塑性無機粉土（ML）、有機粉土（OL）、高塑性無機粉土（MH）和有機黏土（OH）。將土樣的塑性指數和液限值點在塑性圖上，根據點所落的區域定出土的名稱。根據《土的工程分類標準》（GB/T 50145—2007）用塑性圖對細粒土進行分類。由圖4可知，原土樣和電滲后土樣均為低塑性無機黏土（CL），經過電滲試驗后的土樣中，黏粒含量減少，土樣的塑限和液限均下降。

圖4 塑性圖

2.4 不排水抗剪強度參數

淤筑土電滲試驗完成后，對陽極處土樣進行快剪試驗，相關力學參數如表1 所示，結果表明三組不同的電滲試驗中，電滲聯合堆載預壓法處理后土樣的黏聚力C、內摩擦角φ的值均為最大。

表1 試驗力學參數

2.5 累計排水量和排水速率

結合圖5、圖6，能夠得出淤筑土的電滲試驗無論是累計排水量還是排水速率相比于傳統單一的方法都有了明顯的提升；在各種方法中電滲聯合堆載預壓法的提升效果最為明顯。

圖5 電滲及其聯合法試驗累積排水量對比

圖6 電滲及其聯合法試驗排水速率對比

2.6 能耗分析

當試驗電壓30 V和周期固定的情況下，電滲法處理淤筑土的能耗可以直觀地反應在電流的變化上［12］，試驗過程中電流變化情況如圖7 所示，從三組電滲及其聯合法的對比試驗可以看出，電滲聯合堆載預壓法在各個時間點的電流均最低，根據W=UIt計算出總能量消耗，得出電能消耗結果如表2所示。

圖7 相同電壓下三組試驗電流的變化

表2 能耗對比表

由表2和圖8可得，相比于單獨電滲試驗，電滲聯合堆載預壓法與電滲聯合化學法均能顯著降低電能的消耗。試驗過程中，在外電壓不變的條件下，電流隨著水量的排出而不斷減小。

圖8 能耗對比圖

3 結論

筆者主要對淤筑土電滲及其聯合法固結試驗的可行性進行研究，通過對6 種試驗方式前后淤筑土的基本物理特性、累計排水量及排水速率、能量消耗等作對比，得出了以下結論。

①電滲法處理后，淤筑土的粒度組成及塑性狀態均有所改善。土樣中小于0.005 mm 粒徑的顆粒從37%降至23%。塑性指數由15.18降至12.81。

②與未施加電滲法的三組對照試驗相比，電滲試驗無論是排水速率還是累計排水量相比于傳統單一的方法都有了明顯的提升；在各種方法中電滲聯合堆載預壓法的提升效果最為明顯。

③電滲聯合化學法的累積排水量和電滲法累積排水量差別極小，僅僅在能耗上有所降低，未能達到預期加固效果。

④電滲聯合法不僅能增加排水率，還能節省能耗，相較于單獨的電滲試驗，電滲聯合堆載預壓法與電滲聯合化學法均能顯著降低電能的消耗。

⑤直剪試驗結果反應電滲聯合堆載預壓法加固淤筑土的強度最高，三組不同的電滲試驗中，電滲聯合堆載預壓法處理后土樣的黏聚力C、內摩擦角φ的值均為最大。