周亞東，張 超，李 琳，尚 偉

(1.天津城建大學(xué)天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384； 2.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

吹填造陸是解決沿海城市陸地資源緊缺的有效途徑。新近吹填土在自然條件下通常需要經(jīng)過2～3 a長時間晾曬，直到土體表面形成硬殼層，具有一定承載力才能進行砂墊層鋪設(shè)、機械插板等一系列地基處理施工，嚴(yán)重影響工期。對此，閆澍旺等[1]提出在吹填土上吹填一層粉細砂形成硬殼層，以提高地基的承載能力。董志良等[2-4]對真空預(yù)壓法進行改進并用于超軟吹填土淺層加固，實現(xiàn)了表層結(jié)殼的目的。

電滲法在處理高含水率、低滲透性軟黏土地基時，具有處理速度快、擾動小等特點，近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。李瑛等[5-6]在自制的電滲固結(jié)裝置上,開展二維軸對稱軟黏土電滲固結(jié)試驗，結(jié)果表明土體含水率降低和抗剪強度提高都較為明顯。Wan等[7]提出電極轉(zhuǎn)換以提高電滲效率和改善處理效果。陳卓等[8]發(fā)現(xiàn)電極轉(zhuǎn)換雖有利于土體固結(jié)變形均勻，但平均抗剪強度較常規(guī)電滲差。馮清鵬等[9]研究了在電極區(qū)域添加化學(xué)試劑對高嶺土電滲試驗的影響，發(fā)現(xiàn)添加化學(xué)試劑可以有效降低界面電阻，增大排水量。王柳江等[10-13]對真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合加固軟黏土機理開展了研究，結(jié)果表明兩者聯(lián)合比單一法加固效果更好，土體固結(jié)更均勻。卜凡波等[14-16]通過現(xiàn)場試驗開展了真空預(yù)壓-電滲不同聯(lián)合方式處理淤泥及吹填土的試驗研究，獲得了理想的處理效果。

目前國內(nèi)外針對電滲法的研究通常以施加水平電場為主，研究表明，電滲固結(jié)過程中陽極附近土體固結(jié)速度快、抗剪強度高，而陰極區(qū)域土體固結(jié)效果較差[5-6]。鑒于此，本文將傳統(tǒng)水平電場轉(zhuǎn)為垂直電場，充分利用陽極區(qū)域土體固結(jié)特性，使新近吹填土快速結(jié)殼?；诖耍P者設(shè)計了一種新近吹填土快速結(jié)殼電滲電極，將電滲與真空預(yù)壓相結(jié)合開展吹填土淺層加固試驗研究,對比分析了不同組合方式下排水量、能耗、抗剪強度、承載力等指標(biāo)的變化規(guī)律，以期實現(xiàn)超軟吹填土表層快速結(jié)殼，滿足插板機等機械作業(yè)的要求。

1 試驗設(shè)計

1.1 電滲電極

為充分利用電滲固結(jié)過程中陽極區(qū)域土體固結(jié)快、強度高的特點，使吹填土表層快速形成具有一定厚度的硬殼層，本文設(shè)計的電滲電極為一種立體式垂直電極，陽極和陰極呈上下排布。該電極由薄壁不銹鋼管和PVC管加工而成，如圖1所示。其中，電滲陰極和陽極由不銹鋼管焊接而成，PVC管為豎向排水管。陽極細管和陰極細管呈十字交叉形分別焊接在距陰、陽極主管底部25 mm位置處，其中陰極細管與主管呈85°夾角，以便于使水流入主管。將焊接好的陰極和陽極用PVC管連接，起到絕緣作用。

圖1 電極實物照片

根據(jù)試驗需求，可選擇陰極單側(cè)排水，即只在陰極細管上打孔或開槽，試驗過程中水分只從陰極流入，實現(xiàn)單側(cè)排水；也可選擇陰極、陽極雙側(cè)排水，即在陰、陽極細管上同時打孔或開槽，試驗過程中水分可以通過陰、陽極流入，實現(xiàn)雙側(cè)排水。表1給出了電極材料參數(shù)。

表1 電極材料參數(shù)

1.2 試驗裝置

試驗裝置主要由模型桶、汽水分離器、真空泵及直流電源組成。其中，模型桶為有機玻璃材料，內(nèi)徑190 mm、壁厚10 mm、高度500 mm。試驗所用真空泵為XD-020型旋片式真空泵，抽氣速率為20 m3/h，功率為900 W，極限真空度為0.1 MPa。直流電源為兆信KXN-645D直流穩(wěn)壓電源，最大輸出電壓為60 V，最大輸出電流為5 A。

試驗時在開槽電極細管上包裹一層土工布，起到反濾作用。為防止電極在超軟土體中下沉或傾斜，在距陽極上方30 mm處設(shè)置厚度15 mm的圓形泡沫浮板并固定，然后將電極保持垂直沉入土樣中心位置至浮板貼近土樣表面。試驗裝置剖面圖如圖2所示。

圖2 試驗裝置剖面示意圖(單位：mm)

1.3 試驗土樣

試驗土樣取自天津濱海新區(qū)臨港新城吹填土場地，經(jīng)室內(nèi)試驗測定，得到該原狀土樣初始含水率為68%，相對密度為2.72，塑限為23.2%，液限為41.3%，容重為16.2 kN/m3。

為模擬新近吹填土特性，將土樣加水?dāng)嚢柚?00%目標(biāo)含水率。試驗前取適量土樣倒入攪拌桶內(nèi)，計算達到目標(biāo)含水率所需水量并倒入攪拌桶，采用手握式小型攪拌機充分攪拌均勻，然后緩慢倒入試驗?zāi)Ｐ屯啊?/p>

1.4 試驗方案

為研究電極在電滲、真空作用下對高含水率吹填土的加固效果，設(shè)計試驗方案如表2所示。其中，試驗T1～T3為單側(cè)陰極排水，試驗T4～T6采取陰、陽極雙側(cè)排水。真空-電滲試驗采取同步加固的方式，通過一端與真空泵相連、一端伸入電極的導(dǎo)管抽真空，在真空負壓和電滲的作用下，土體水分會通過伸入電極的導(dǎo)管進入汽水分離器，進而達到排水的目的；試驗T6采取電極轉(zhuǎn)換的方式，設(shè)定每隔12 h為1次電極轉(zhuǎn)換周期。

表2 試驗條件對照

試驗過程中，每隔2 h記錄1次排水量和電流讀數(shù)。試驗結(jié)束后，采用PS-VST-P型便攜式十字板剪切儀測試土體抗剪強度。該儀器由彈簧扭力計、延長桿及不同尺寸的十字板頭(本試驗采用C、D兩種板頭)等組成，其最大測試深度3 m，最大測試量程0～260 kPa，測試精度優(yōu)于10%。采用PS-MPT-A型微型貫入儀測定土體的液性指數(shù)并粗估土的承載力和壓縮系數(shù)。微型貫入儀由3只不同力度的測力計和3只不同規(guī)格的測頭組成，測量精度優(yōu)于±5%，本文試驗采用A測頭對試驗結(jié)束后表層土體進行測量。根據(jù)使用要求，正確讀取測桿上滑標(biāo)靠近0點一側(cè)邊界所示位置的讀數(shù)即貫入阻力Pt值(單位：100 kPa)。每次貫入試驗的平行試驗不宜少于3次，將平行試驗中偏差大的讀數(shù)剔除，以其余讀數(shù)平均值作為試驗結(jié)果。根據(jù)最終測得的貫入阻力Pt值，分別查閱對照表，得到被測土的液性指數(shù)IL和允許承載力Rpt及壓縮系數(shù)α1-2。同時測定土樣表層以下0、10、20 cm處土體的含水率，同一平面內(nèi)土樣含水率及抗剪強度取樣兩個點并取其平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 排水量

圖3為6組試驗排水量隨通電時間的變化曲線。從圖3可以看出，相同時刻真空-電滲聯(lián)合作用試驗(T3、T4)的排水量大于單純電滲試驗(T1)和單純真空預(yù)壓試驗(T2、T5)，且雙側(cè)排水效果優(yōu)于單側(cè)。其中，單純電滲試驗(T1)在80 h后排水量趨于穩(wěn)定，最終排水量低于其他各組試驗。試驗T6在試驗T4的基礎(chǔ)上增加了電極反轉(zhuǎn)，從圖3可以看出，電極反轉(zhuǎn)后其排水效果不理想，排水量小于常規(guī)真空-電滲聯(lián)合試驗T4。陳卓等[8]的單純電滲試驗在電極反轉(zhuǎn)后也有類似現(xiàn)象，這是因為電極反轉(zhuǎn)前陽極區(qū)域土體孔隙水排出快，形成高固結(jié)區(qū)，電極反轉(zhuǎn)后電滲流逆向，水分需通過高固結(jié)區(qū)排出，排水困難，滲流量減小。

圖3 排水量與時間關(guān)系曲線

值得注意的是，在比較試驗T3與T4，T2與T5的排水量后發(fā)現(xiàn)，相同條件下雙側(cè)排水的效果較陰極單側(cè)排水并沒有顯著提高。這是因為陰極排水體位于土體深部，其上下影響區(qū)域較大；而陽極排水體位于土體表層，影響區(qū)域小。因此，陰極排水體在吹填土淺層加固中起主導(dǎo)作用。

2.2 電流及能耗

圖4為試驗過程中電滲電流隨時間的變化。從圖4可以看出，初始時間段電流略有增大，隨后迅速減小，這可能與電滲早期土體成分的非均質(zhì)特性有關(guān)[11]。從電流開始減小至試驗結(jié)束，電滲試驗(T1)的電流總是大于真空預(yù)壓-電滲試驗(T3、T4、T6)，這是由于試驗T3、T4、T6在真空和電滲的共同作用下孔隙水被快速排出，土體電阻率升高。試驗T6電流隨時間呈階梯式變化，每次進行電極轉(zhuǎn)換后，電流先升高隨后又迅速下降至大于電極轉(zhuǎn)換之前的電流，這與陳卓等[8]的試驗結(jié)果相似。

圖4 通電電流與通電時間的關(guān)系曲線

為了研究電滲的效率，引入能耗系數(shù)C，它表示在電滲每排出1 mL水所要消耗的電能，計算公式[5]為

(1)

式中：It、Vt分別為t時刻土體中的電流和累積排出的水量;U為電源的輸出電壓；V總為排出的總水量。

圖5為能耗系數(shù)隨時間的變化關(guān)系曲線。從圖5可以看出，在整個試驗過程中，單純電滲試驗(T1)能耗系數(shù)較高，電滲后期能耗系數(shù)急劇增大，繼續(xù)電滲將不經(jīng)濟。真空-電滲聯(lián)合作用(T3、T4、T6)時能耗系數(shù)較低，且變化幅度較小，可見真空預(yù)壓有利于降低電滲能耗。其中，基于電極反轉(zhuǎn)的真空-電滲聯(lián)合試驗(T6)較試驗T3、T4能耗表現(xiàn)更為優(yōu)異。

圖5 能耗系數(shù)與通電時間的關(guān)系

2.3 含水率

試驗結(jié)束后沿土體深度方向進行含水率測試，試驗結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，6組試驗結(jié)束后土體含水率較初始情況均有不同程度的下降，降低幅度為31.0%～61.4%。其中，單純電滲試驗(T1)土體含水率沿深度升高，陽極附近土體含水率降低至50.7%，表現(xiàn)出良好的表層結(jié)殼特性。真空-電滲聯(lián)合試驗(T3、T4)土體含水率降低幅度最大，且沿深度方向分布更均勻。而基于電極反轉(zhuǎn)的真空-電滲聯(lián)合作用試驗(T6)，土層含水率差異最大，表現(xiàn)為土層中部含水率最高。試驗開始12 h后，電極首次反轉(zhuǎn)，水分由陰極低固結(jié)區(qū)流經(jīng)陽極高固結(jié)區(qū)排出，導(dǎo)致排水速率減緩。待到下一次電極轉(zhuǎn)換時，原陰極低固結(jié)區(qū)變?yōu)楦吖探Y(jié)區(qū)，使得水分積聚在土層中部。電極多次反轉(zhuǎn)后陰陽極區(qū)域各形成不同程度的高固結(jié)區(qū)，導(dǎo)致土層中部孔隙水排出困難，進一步驗證了前文根據(jù)排水量得出的結(jié)論。

圖6 試驗后土體含水率變化曲線

2.4 抗剪強度

采用PS-VST-P型便攜式十字板剪切儀，對試驗后土體抗剪強度進行測試。抗剪強度隨深度的變化如圖7所示。初始情況下土體含水率較高，抗剪強度幾乎為零。試驗結(jié)束后，各組試驗土樣抗剪強度均有不同程度提高。其中，單純電滲試驗(T1)表層土體抗剪強度達到24.5 kPa，明顯高于底部土體的抗剪強度7.5 kPa。單純真空試驗(T2)土體抗剪強度沿深度變化規(guī)律與單純電滲相反，底部土體抗剪強度最高，達到27 kPa。真空-電滲聯(lián)合試驗(T3)土體加固后的抗剪強度及均勻性都明顯優(yōu)于前兩組，抗剪強度由表層31.3 kPa降低到底部24.8 kPa，加固效果較好。雙側(cè)排水條件下，表層土體抗剪強度均大于40 kPa。相同深度土體抗剪強度在真空-電滲聯(lián)合作用時最高，表層土體抗剪強度最大達到43.3 kPa。電極反轉(zhuǎn)存在時，試驗T6土體抗剪強度沿深度差異較大，土體中部僅達到10 kPa。

圖7 抗剪強度隨深度變化

2.5 液性指數(shù)、承載力與壓縮系數(shù)分布

采用PS-MPT-A型便攜式微型貫入儀測定試驗后土體的液性指數(shù)、承載力及壓縮系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 試驗后土體液性指數(shù)、承載力及壓縮系數(shù)

從表3可以看出，試驗T3表層土體的液性指數(shù)滿足0.75

2.6 土體性狀及電極腐蝕

試驗結(jié)束后，觀察土體表面及電極，發(fā)現(xiàn)試驗T3結(jié)束后土體表層在陽極細管附近出現(xiàn)裂縫(圖8(a))，增大了界面電阻。當(dāng)陽極細管開孔且施加真空負壓時，試驗T4結(jié)束后土體表面平整，未出現(xiàn)明顯裂縫(圖8(b))，說明陽極區(qū)受到真空負壓作用，可以有效避免陽極附近土體裂縫的產(chǎn)生。

圖8 試驗后土樣表面裂縫

圖9為試驗后陽極腐蝕狀況圖，可見試驗T1、T3、T4后陽極管上有不同程度的腐蝕。這3組試驗腐蝕程度逐漸減小，并且陽極附近土樣的顏色呈紅褐色，這是因為陽極發(fā)生了氧化和水解反應(yīng)，不銹鋼電極產(chǎn)生的Fe3+滲入陽極附近的土體而呈現(xiàn)紅褐色，產(chǎn)生的Fe3+可以與OH-結(jié)合形成Fe(OH)3膠體，使土體變得密實。

圖9 試驗后陽極腐蝕狀況

3 結(jié) 論

a.設(shè)計的電滲電極可以達到高含水率吹填土快速結(jié)殼的目的。單純電滲處理后土層抗剪強度沿深度衰減，電滲-真空聯(lián)合作用下土層抗剪強度更高且分布均勻。

b.陰陽極雙側(cè)排水條件下，電滲-真空聯(lián)合作用試驗加固效果最好，但排水量及抗剪強度等參數(shù)指標(biāo)較陰極單側(cè)排水提高幅度不大。

c.電極反轉(zhuǎn)有利于降低電滲能耗，但排水效果差，土體加固效果不如常規(guī)真空-電滲聯(lián)合作用試驗均勻。