孫召花，吳添玥，Cauderty Munashe Kasu

（南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

為了充分利用土地資源，通常將整治或疏通江河湖海、港灣所形成的吹填沉積土處理后再利用。物質(zhì)成分以粉土和黏土為主的吹填土，細(xì)顆粒含量高，屬于具有高含水率和高壓縮性的欠固結(jié)軟弱土[1-3]，在開發(fā)和利用的過程中面臨著困難和挑戰(zhàn)。真空預(yù)壓法是吹填土地基常用的預(yù)處理方法[4-6]，然而，真空預(yù)壓法無法排出吹填土中黏粒及膠粒所吸附的大量結(jié)合水，雖加固后的地基沉降量較大，但其抗剪強(qiáng)度及承載力仍偏低[7-9]。

真空預(yù)壓、電滲兩種方法結(jié)合被認(rèn)為是一種有效的吹填土地基處理方法[10]。電滲排水速率與電滲透系數(shù)有關(guān)，由于電滲透系數(shù)一般不受土顆粒粒徑大小的影響，因此電滲法特別適用于處理顆粒較細(xì)的軟黏土；此外，電滲法不僅能夠排出土體中的自由水，還可以排出真空預(yù)壓無法排出的結(jié)合水[11]。關(guān)于電滲法的原理、電極材料、固結(jié)理論及設(shè)計(jì)方法等已有較多的研究[12-16]，如具有導(dǎo)電、過濾及排水功能且不易腐蝕的新型電極材料導(dǎo)電塑料排水板（electric vertical drain，EVD）的研發(fā)推進(jìn)了電滲法的發(fā)展。真空-電滲聯(lián)合可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，克服各自的缺點(diǎn)[17-20]。

現(xiàn)有真空預(yù)壓、電滲的聯(lián)合方式通常為同步加固[17-18]，即兩種加固方法同時(shí)工作。由于EVD 集電極、排水及真空度傳遞通道為一體，在真空預(yù)壓作用下形成以EVD 為中心的徑向真空滲流，在電滲作用下形成從陽極到陰極的電滲流，因此，當(dāng)真空預(yù)壓與電滲同步對軟基加固時(shí)，陽極EVD 處形成的真空滲流與電滲流將會相互干擾，如圖1 所示。

圖1 陽極和陰極處的滲流示意圖Fig.1 Seepage near the anode and cathode

為避免真空滲流與電滲流的相互干擾，本文提出真空-電滲異步加固設(shè)計(jì)方法，并以溫州沿海圍海造地吹填工程為依托，開展真空-電滲異步加固吹填土地基現(xiàn)場試驗(yàn)，探討具體加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工程成果分析，檢驗(yàn)真空-電滲異步加固法設(shè)計(jì)理論的合理性，為工程技術(shù)人員的現(xiàn)場施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

溫州民營經(jīng)濟(jì)科技產(chǎn)業(yè)基地圍海造地工程包括丁山園區(qū)一期圍墾7.87 km2、天成園區(qū)圍墾6.27 km2、永興南園圍墾的南片2.07 km2，以及海城街道東部的部分用地約1.53 km2。

1.1 工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料分析，吹填層以下原灘涂場地工程地質(zhì)層為0 細(xì)砂、①黏土、②1含細(xì)砂淤泥、②2淤泥、③淤泥質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤黏土、⑥黏土。含細(xì)砂淤泥滲透系數(shù)在10-6～10-7cm/s 之間，為弱透水層，水平方向滲透性略好于垂直方向滲透性，淤泥層的滲透系數(shù)在10-7～10-8cm/s 之間，為微透水層。場地水位埋深較淺，地下水水位為0.60～1.50 m，變幅一般在0.50～1.50 m。吹填厚度為3.0～4.5 m。

1.2 吹填淤泥物理力學(xué)性質(zhì)

吹填土的物理力學(xué)指標(biāo)分別為：平均含水率w=124%，孔隙比e=2.56，液限為50%，塑限為25%。該吹填土為淤泥，黏粒含量高，處于流塑狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度幾乎為0。顆粒分析結(jié)果為：小于0.005 mm粒徑的顆粒（即黏粒含量）占總顆粒數(shù)的42%；小于0.075mm 粒徑的顆粒占總數(shù)的91.6%；小于0.25 mm的顆粒占99%；大于0.25 mm 粒徑的顆粒比例不到1%，屬于黏性土。該吹填土為黏粒含量較高、含水量較高、流塑狀的淤泥。

2 真空-電滲異步加固設(shè)計(jì)方案

真空-電滲異步加固法是指真空預(yù)壓與電滲兩種方法交替進(jìn)行，由電滲提供水平向的排水動(dòng)力、真空預(yù)壓提供豎向的排水動(dòng)力，避免了真空預(yù)壓與電滲滲流方向不一致所產(chǎn)生的相互干擾，這兩種方法異步加固能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

2.1 設(shè)計(jì)條件

工程現(xiàn)場配備一臺PWF 高頻脈沖電鍍直流電源，最大輸出電流為1 000 A、最大輸出電壓為60 V，電極材料為EVD，橫截面尺寸為100 mm × 4 mm。按照設(shè)計(jì)要求吹填淤泥經(jīng)過約1 個(gè)半月的處理，地基承載力特征值不低于50 kPa。

2.2 電滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括確定電極間距、布置方式、插入地基的深度、通電方式、分區(qū)面積、排水措施及電滲處理時(shí)間等。設(shè)計(jì)電極布置間距為1 m × 1 m，鋪設(shè)一層編織布后采用人工插板，平均插板深度為吹填土層的厚度3.5 m，電滲系統(tǒng)布局如圖2 所示。

圖2 電滲系統(tǒng)布局示意圖Fig.2 System layout of electroosmosis

通電方式包括穩(wěn)流、穩(wěn)壓及間歇通電，由于電流在電滲過程中起決定性作用，電滲初始階段應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)流通電。穩(wěn)流通電過程中，隨著土體中含水率的降低，電壓逐漸增大直至達(dá)到電源額定電壓，此時(shí)可切換電源為穩(wěn)壓通電。確定穩(wěn)流電流的大小，預(yù)先在現(xiàn)場場地中插入4 對電極進(jìn)行穩(wěn)流通電，電流由小逐漸增大，直至陽極發(fā)出吱吱的響聲或出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱、接頭燒斷等現(xiàn)象停止通電，此時(shí)可確定每對電極能夠承受的最大電流I′=1.6 A，電極能夠承受的最大電流I′與電極材料、通電電流、電壓、土體的濕度與溫度等有關(guān)。設(shè)計(jì)每對電極的實(shí)際最大通電電流為。

分區(qū)面積宜根據(jù)現(xiàn)場直流電源的額定電流、電壓及電滲設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的參數(shù)確定，適用于現(xiàn)場的直流電源主要有自制可控硅整流器、專用直流電源和直流電焊機(jī)?？筛鶕?jù)現(xiàn)場實(shí)際情況配備合適的直流電源，出于安全考慮電源的額定電壓不應(yīng)高于80 V，并應(yīng)對場地和工作人員采取可靠的隔離措施。當(dāng)已知電源的額定電流為I0，同性、異性電極間距為z，每對EVD 電極能夠承受的最大電流為I′時(shí)，可確定電滲場地分區(qū)面積為按正方形面積劃分，場地邊長取L=33 m，共有34 根支導(dǎo)線，每根支導(dǎo)線上連接有34 個(gè)EVD 電極，共布置1 156 個(gè)電極。假設(shè)每根支導(dǎo)線連接有m 個(gè)EVD 電極，場地共有（n+1）條支導(dǎo)線，相鄰的兩根支導(dǎo)線分別與電源正負(fù)極連接形成一條電滲回路，共有n 個(gè)電滲回路。每個(gè)電滲回路中的m 個(gè)電極對之間的土體負(fù)載形成的電路為并聯(lián)電路，假定每對電極之間的土體電阻相差不大，電滲場地電阻簡化計(jì)算模型如圖3 所示。每對電極之間的電阻R 由土體電阻Rs、電極電阻Re及界面電阻Ri[21]組成，分別為

圖3 電滲回路電阻簡化計(jì)算模型示意圖Fig.3 Simplified resistance calculation model of electroosmosis circuits

式中：ρs為土的電阻率；ls為電極間距；As為土體通電橫截面面積；ρe為電極的電阻率；le為電極的長度；Ae為電極的橫截面面積；ki為界面電阻率；s1為電極導(dǎo)電面積；s2為土體導(dǎo)電面積。本試驗(yàn)中參數(shù)取值分別為ρs=62 Ω·m，ls=1 m，As=1 m × 3.5 m=3.5 m2，ρe=0.001 Ω·m，le=3.5 m，Ae=0.1 m × 0.004 m=0.000 4 m2，ki=1.15 Ω·m2，s1=0.1 m × 3.5 m=0.35 m2，s2=1 m × 3.5 m=3.5 m2，計(jì)算可得Rs=17.7 Ω，Re=17.5 Ω，Ri=5.9 Ω，則R=Rs+Re+Ri=41.1 Ω。

式中：∑R 為場地的總電阻；m 為每個(gè)電滲回路中的電極對數(shù)目；n 為場地內(nèi)的電滲回路數(shù)目；U 為直流電源施加的電壓。參數(shù)取值分別為m=34，n=17，U=60 V，可得∑R=0.07 Ω，I=857 A。

與按I′算得的場地總電流相差不大，因此選取直流電源最初通電方式為850 A 穩(wěn)流通電。直流電源的輸入母線選用120 mm2銅芯電纜，輸出母線為240 mm2電纜線，支導(dǎo)線的橫截面面積為10 mm2。

2.3 真空預(yù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空預(yù)壓法的分區(qū)面積與電滲分區(qū)面積相同，排水濾管選用直徑為40 mm 的波紋濾管，僅靠在陰極一側(cè)，形成閉合的貫通管路，再連接功率為7.5 kW的真空泵，對真空泵排出的水進(jìn)行收集測量排水量。真空預(yù)壓荷載設(shè)計(jì)值不宜小于85 kPa，由于吹填土地基往往非常軟弱、強(qiáng)度很低，無法采用機(jī)械鋪設(shè)砂墊層。水平排水層中應(yīng)設(shè)置排水濾管，排水濾管分為排水支管與排水總管，排水支管全部靠近陰極位置處，EVD 電極通過土工布條固定在排水支管上，其他的施工工藝與無砂墊層真空預(yù)壓法類似。

2.4 真空預(yù)壓與電滲異步加固時(shí)間的確定

真空-電滲異步加固設(shè)計(jì)方法的核心內(nèi)容為確定真空預(yù)壓與電滲異步加固時(shí)間，即真空預(yù)壓與電滲交替加固時(shí)各自實(shí)施的時(shí)間。場地全部施工準(zhǔn)備工作完畢后，首先開啟真空泵進(jìn)行真空預(yù)壓，最初的排水速率為18.2 L/min，待排水速率降至初始排水速率的2/3 即12.1 L/min，共歷時(shí)7 d，停止真空預(yù)壓，以防止土體在真空預(yù)壓作用下過早形成硬殼層，影響深層土體的加固。隨后，真空預(yù)壓作為電滲的輔助排水措施開始異步加固。直流電源開始按850 A 穩(wěn)流通電，直流電源顯示電路中的電壓為U1=25 V，電極間距L=1 m，首先設(shè)定電滲時(shí)間te=1 h，則電勢梯度ie為

代入數(shù)值，計(jì)算可得ie=25 V/m。

電滲排至陰極附近的水量為

式中：ke為電滲透系數(shù)；A 為每對電極之間的土體通電橫截面面積。參數(shù)取值分別為ke=1.5×10-5cm2/s·V，A=3.5 m2，計(jì)算可得Qe=270 L。

停止電滲開啟真空泵，計(jì)算得出真空泵抽出270 L 水所用的時(shí)間為

式中：kh為土體的徑向滲透系數(shù)；h0為抽真空降低的地下水位高度；a 為排水體的影響半徑；r0為排水體的等效半徑。參數(shù)取值分別為kh=5 × 10-7cm/s；h0=1.8 m，a=0.5 m，r0=0.088 m，其余參數(shù)的取值與式（6）（7）相同。計(jì)算可得tv=3 h。

按照電滲1 h 和真空預(yù)壓3 h 的異步方式加固3 d，隨后測得電滲透系數(shù)發(fā)生了改變，再按上述方式分別確定電滲和真空預(yù)壓的加固時(shí)間。通過不斷地調(diào)整持續(xù)進(jìn)行15 d 試驗(yàn)后，土體中的電壓迅速上升，開啟58 V 穩(wěn)壓通電，電流從400 A 開始不斷下降，電滲和真空預(yù)壓時(shí)間仍按上述方法確定，分別為4 h 和1 h，如此異步加固，直至地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

真空-電滲異步加固過程中監(jiān)測場地的真空度、孔隙水壓力和表面沉降變化，真空表布置3 個(gè)，用于監(jiān)測膜下真空度；孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)3 只，采取一孔一計(jì)的方法埋設(shè)，埋設(shè)深度分別為1，2 和3 m，埋設(shè)于場地斜對角線；分別在場地中心、吹填厚度最大和最小的位置各布置沉降板1 個(gè)。

3.1.1 真空度

真空度能夠反映真空泵是否正常工作及真空膜密封狀況是否良好，并可直觀反映真空泵的抽真空效果。試驗(yàn)開始后，開啟真空泵，真空度緩慢持續(xù)增長，歷時(shí)1 h 達(dá)到90 kPa，排水主管與排水次管中的真空表讀數(shù)相差不超過0.5 kPa。7 d 后，開啟真空預(yù)壓與電滲異步加固模式，真空泵每次開啟后10 min 內(nèi)，真空度即可達(dá)到85 kPa，表明真空預(yù)壓可以間歇式工作。

3.1.2 孔隙水壓力

真空-電滲異步加固約30 d，1 m 深處孔隙水壓力由初始值7.1 kPa 下降到-16.4 kPa，變化幅度為23.5 kPa。2 m 和3 m 深度處的孔隙水壓力消散值分別為20.3 和18.3 kPa，如圖4 所示。隨著深度的增加，孔隙水壓力消散值逐漸減小。

圖4 孔隙水壓力變化曲線Fig.4 Curves of pore water pressure at different point

這主要是由兩個(gè)方面的原因造成的：1）經(jīng)過吹填的淤泥結(jié)構(gòu)性遭到破壞，泥水分離現(xiàn)象不明顯，抽真空過程中上部土層的細(xì)小顆粒將編織布的透水縫隙堵塞，在一定程度上影響了真空度的傳遞；2）試驗(yàn)過程中，從多次取土測含水率情況來看，淺層0.5 m 深土體的含水率降幅較大，固結(jié)速度較快，形成一個(gè)硬殼層，并且由于細(xì)小顆粒在排水體及其周圍的沉積，引發(fā)真空度傳遞通道的堵塞，導(dǎo)致真空度及孔隙水壓力的消散沿深度方向衰減。

3.1.3 表面沉降

沉降觀測用于了解土體沉降和總體平均固結(jié)度隨加載時(shí)間的變化規(guī)律。圖5 為各沉降板的平均沉降值隨時(shí)間改變而變化曲線，在真空-電滲初期曲線較陡，隨后趨于平緩。即初期沉降速率較大，隨著加固時(shí)間的延長，沉降量逐天增大，但沉降速率逐漸變緩；至第25 d 后，沉降趨于穩(wěn)定，每天沉降量小于5 mm，總沉降量為0.54 m，沉降量、沉降速率與吹填淤泥層厚度存在很大的關(guān)系。

圖5 表面沉降時(shí)程圖Fig.5 Surface settlement vs time

3.2 檢測數(shù)據(jù)分析

為檢驗(yàn)真空-電滲異步加固設(shè)計(jì)方法在超軟吹填土地基中的應(yīng)用效果，沿場地對角線開展2 組十字板剪切和在場地中心開展1 組載荷板試驗(yàn)。

3.2.1 十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場采用十字板頭尺寸為50 mm × 100 mm 的電阻應(yīng)變式十字板剪切儀測試不同深度處原狀土及其擾動(dòng)土的抗剪強(qiáng)度Cu及C′u，試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖6。

表1 十字板剪切強(qiáng)度匯總Tab.1 Summary of vane shear strength

圖6 十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Vane shear test results

處理前的吹填土呈流塑狀態(tài)，基本無承載能力，處理后2 m 深度范圍內(nèi)吹填土的抗剪強(qiáng)度得到了大幅度提高，重塑土的不排水抗剪強(qiáng)度與原狀土的不排水抗剪強(qiáng)度之間的差異表明吹填土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性?？捎渺`敏度

來衡量吹填土結(jié)構(gòu)性對強(qiáng)度的影響。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊（第四版）》[22]中的公式得到相應(yīng)點(diǎn)位處的地基承載力為

式中：q 為地基承載力；μ 為強(qiáng)度修正系數(shù)；γ 為土的重度；h 為土體深度。

兩組試驗(yàn)的十字板剪切強(qiáng)度、靈敏度及地基承載力各項(xiàng)數(shù)據(jù)見表1。由表可見處理后的吹填土靈敏度大部分在1～4 之間，屬于低靈敏土或中等靈敏土，由于式（10）的深度修正使得地基承載力呈現(xiàn)出隨深度的增加而增大的現(xiàn)象。從圖6（a）和（b）中可以了解不同深度土體的結(jié)構(gòu)性及受剪時(shí)的破壞過程。

3.2.2 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

載荷板的尺寸為0.75 m × 0.75 m，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。當(dāng)加載低于52 kPa 時(shí)，p-s 曲線基本上成直線關(guān)系，線性階段沉降量達(dá)到4.77 mm；當(dāng)加載至110 kPa 時(shí)，曲線基本平滑；當(dāng)加載至120 kPa 時(shí)，曲線陡降，檢測點(diǎn)總沉降量為95.57 mm，得到地基承載力特征值為52 kPa。

圖7 載荷板p-s 曲線圖Fig.7 p-s Curve of plate loading test

3.3 加固后土體物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)結(jié)束后，在場地中多點(diǎn)取土開展室內(nèi)土工試驗(yàn)，取樣深度最大為2.5 m，測試土體的含水率、孔隙比、液塑限和抗剪強(qiáng)度等，土體主要平均物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。場地中的含水率測試點(diǎn)共計(jì)48 個(gè)，分別位于距陽極附近、陰極附近及陰陽電極中間土體處各點(diǎn)位0.2 m、1.0 m、2.0 m 和3.0 m 深度處，其中陽極附近多點(diǎn)測試土體的平均含水率為54%，陰極附近土體的平均含水率為70%，差異是由直流電場的單向性引起的。真空-電滲試驗(yàn)區(qū)處理后的土體液塑限較處理前的液塑限有所降低，開展的16組液塑限試驗(yàn)均表明處理后土體的塑性指數(shù)增大，平均塑性指數(shù)提高了4%，這是由于黏土經(jīng)電滲處理后活性提高導(dǎo)致的，塑性指數(shù)的增加很可能是剪切強(qiáng)度提高和敏感性明顯下降的一個(gè)重要因素[14]。

表2 加固后土體平均物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Average physical and mechanical properties of soil after treatment

真空-電滲試驗(yàn)場地卸載結(jié)束后，將真空密封膜及土工布等上覆膜揭開，駛?cè)?8 t 的挖土機(jī)進(jìn)行小面積深層開挖，觀測土樣開挖后狀態(tài)，如圖8 所示，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的吹填淤泥已由無強(qiáng)度的流泥、流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◤?qiáng)度和承載力的軟塑、可塑狀態(tài)土。

圖8 開挖后土體狀態(tài)Fig.8 State of soil after excavation

3.4 耗能分析及經(jīng)濟(jì)效果評價(jià)

真空-電滲異步試驗(yàn)區(qū)的能量消耗包括直流電源輸出的能量及真空泵消耗的能量[17]，具體為

式中：W 為試驗(yàn)消耗的總能量；U 為直流電源的穩(wěn)壓輸出電壓；It為穩(wěn)壓通電時(shí)的電流；I 為直流電源的穩(wěn)流輸出電流；Ut為穩(wěn)流通電時(shí)的電壓；P 為真空泵的功率，取值7.5 kW；t 為真空預(yù)壓處理時(shí)間。利用式（11）計(jì)算出真空-電滲異步試驗(yàn)區(qū)單位體積土體消耗能量為3.2 kWh/m3。

表3 給出了真空預(yù)壓、真空-電滲同步、真空-電滲異步3 種加固方法的直接費(fèi)用，不包含管理費(fèi)等，電極和塑料排水板的打設(shè)及其他施工費(fèi)都包含在人工機(jī)械費(fèi)中。由表可知，真空-電滲異步加固的綜合經(jīng)濟(jì)效益較高，EVD 電極真空-電滲異步的單位面積費(fèi)用為92.2 元/m2，而鋼管電極的真空-電滲同步單位面積費(fèi)用為130.3 元/m2，比EVD 真空-電滲異步加固費(fèi)高出41%。這是因?yàn)椋紫?，EVD的費(fèi)用低于鋼管，而且EVD 電滲所產(chǎn)生的電費(fèi)及打設(shè)過程中所花費(fèi)的人工機(jī)械費(fèi)也高于鋼管；其次，真空-電滲異步節(jié)省能耗可以降低電費(fèi)。真空預(yù)壓試驗(yàn)區(qū)的單位面積費(fèi)用為63.2 元/m2，比EVD 真空-電滲的加固費(fèi)低31%，此部分費(fèi)用為直流電源、導(dǎo)線和電極的單位造價(jià)，其中待EVD 被推廣使用后，可對生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整達(dá)到批量化生產(chǎn)，從而可進(jìn)一步降低電極的費(fèi)用?？傮w來看，基于EVD的真空-電滲異步加固法處理吹填土地基能夠降低工程成本、節(jié)約工期。

表3 本研究與以往實(shí)例現(xiàn)場試驗(yàn)直接費(fèi)用Tab.3 In-situ direct cost of this study and other previous examples

4 結(jié)論

真空-電滲異步加固設(shè)計(jì)方法具體包括電滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)、根據(jù)電源功率確定分區(qū)面積、真空預(yù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及真空預(yù)壓與電滲異步加固時(shí)間的確定等內(nèi)容，能夠?yàn)榇堤钔恋鼗幚矸桨柑峁┮罁?jù)，合理進(jìn)行現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)。吹填土地基采用該設(shè)計(jì)方法經(jīng)過28 d 的加固即可達(dá)到52 kPa 的承載力，真空-電滲同步加固法單位面積加固費(fèi)比該方法高出41%，盡管真空預(yù)壓法單位面積加固費(fèi)比該方法低31%，但其加固時(shí)間是真空-電滲異步加固法的4倍。綜上所述，真空-電滲異步加固法有助于吹填淤泥的快速排水固結(jié)，綜合經(jīng)濟(jì)效益高，對吹填淤泥的后續(xù)處置、資源化利用起到十分積極的作用。