电渗联合堆载预压及化学法加速淤筑土固结的试验研究

桂书润 王龙嘉 班子越 赵飞燕 徐 欣

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.河南新田置业有限公司，河南 郑州 450002；3.同济大学，上海 200092）

0 引言

近年来，由于中国沿海吹填造陆建设以及河流疏浚淤泥量的增加，使得电渗法越来越广泛地用于地基处理中，并获得了一定的成效，但它在淤筑土处理领域中的实际运用范围还比较小。针对淤筑土的特点，尝试开展电渗处理淤筑土的室内试验研究，使用电渗法及其他方法联合加速淤筑体排水，并与传统单一方法进行比较，重点进行单独电渗法、电渗联合堆载预压法、电渗联合化学法三组对比试验［1］，再通过土体基本物理力学特性指标，将每组试验数据加以比较，多方面分析电渗及其联合法对淤筑土固结的处理效果。试验结论可以为工程实践提供更多有力的技术支撑。

避水村台的建设是治理黄河下游滩区洪水的重要措施。建设避水村台可以用挖泥船等设备直接将河道中的淤泥土运送到施工区域，充分利用天然建筑材料，既能降低成本，又能缩短工期。淤筑体不仅具有高含水率、高压缩性、高孔隙比等特点，还含有细黏土颗粒、有机物、氧化物等固体材料，其固结而成的地基具有稳定时间长、承载力较低、沉降量较大等缺点，如果只靠淤筑体的自身固结，其固结强度远远达不到工程标准。因此，对这类特殊土进行研究具有实践价值和重要意义［2］。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验土样取自河南范县避水村台，是由淤筑体修筑而成，土样呈浅黄色，少量褐色，具有高压缩性、高含水率、孔隙比较大、结构性较显著等特点。试验采用扰动土样，把天然土样置于烘箱中完全干燥、碾碎后用2 mm 孔径的筛网筛制，并配制成饱和含水率的吹填泥浆，将所有土样置于一个大的密闭容器内，试验前充分混匀并做好养护，以保证所有土样含水率一致，提高试验的准确性。

1.2 试验装置

试验主要装置有电渗试验箱、电源、量筒、万用表、微型十字板、不锈钢网电极、土工布等。试验中的外加剂为粉末状的生石灰、水泥等。试验装置如图1所示。

图1 试验装置（单位：mm）

电渗试验箱选用尺寸为600 mm×100 mm×200 mm的亚克力板制成。在试验箱的底部的两侧短边处各打一直径3 mm 的小孔，并在外侧拼接好同尺寸的导管，用石蜡密封完好，起到排水的作用。

在试验箱长边75 mm 处的侧壁打2 mm 厚的凹槽用来固定挡土板，挡土板选用2 mm 厚的亚克力板，在其表面打出3 mm 直径的若干小孔作为试验横向排水的排水孔；试验电极选用手工修剪为140 mm×200 mm 的钢丝网电极，试验前应将土工布固定于挡土板与电极网中间，防止试验过程中土颗粒的流失，增加试验的准确性。

1.3 试验方法

笔者主要研究电渗法及其联合法加速淤筑体的排水及固结效果，六组对比试验分别为：①自然固结状态淤筑土；②单独电渗（采用恒定30 V 电压）处理淤筑土［3-5］；③堆载预压法（上部加荷载20 kPa）处理淤筑土固结试验［6］；④化学法（生石灰或水泥掺入量控制为200 g）处理淤筑土固结试验［7-8］。⑤电渗法和堆载预压法联合处理淤筑土试验［9-10］。⑥电渗法和化学法联合处理淤筑土试验［11］。

1.4 试验过程

具体试验内容分为三部分。第一部分为淤筑土自然固结与单独电渗法对比试验，两组采用同含水率、等体积的土样。自然固结组将10 kg 试验土样分成5 次均匀地放入电渗试验箱中，完成装样后，还应在试验土体上覆盖一层土工布；电渗组在此基础上通过电源输出恒定电压30 V，其他条件不变，试验周期为5 d。第二部分为堆载预压法和化学法对比试验，两组采用同含水率、等体积的土样，堆载预压组在试验区土体顶部施加恒定荷载20 kPa；化学组分多次多层均匀掺入200 g 的生石灰和水泥，并搅拌均匀。装样完成后同样覆上一层土工布静置，一个周期后结束试验。第三部分为电渗联合堆载预压法和电渗联合化学法的对比试验，两组采用同含水率、等体积的土样，再在第二部分的基础上通过电源输出恒定电压30 V，使其在电渗的作用下静置，一个周期后结束试验。试验完成后，测试每组土体的脱水量、含水率与力学变化等物理特性，进行对比和能耗分析。

2 结果分析

2.1 颗粒级配

原土样颗分试验结果如图2 所示，土样中有37%的颗粒粒径小于0.005 mm，土样中含有大量的极细颗粒。根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）中应用17 mm液限的同时保留10 mm液限的方法，得出土样为粉质黏土。

图2 颗分试验结果

电渗试验后颗分结果如图2 所示，土样中有23%的颗粒粒径小于0.005 mm，土样中仍然含有大量的极细颗粒，黏粒含量减少。

2.2 含水率

施加120 h 30 V电压的电渗试验之后含水率如图3 所示，阳极附近土体的含水率低，阴极附近土体的含水率高；除单独化学法外的几组试验的含水率下降量幅值均大于自然固结下降幅值；电渗联合化学法与电渗联合堆载预压法试验的排水率明显高于单独化学法和单独堆载预压法；电渗联合化学法试验的排水率并不高，电渗联合堆载预压法排水效果最为理想。

图3 电渗及其联合法试验后含水率

2.3 塑性图

塑性图是一种以塑性指数为纵坐标，以液限为横坐标，用于细粒土分类的图，如图4所示。可将细粒土分为低塑性无机黏土（CL）、高塑性无机黏土（CH）、低塑性无机粉土（ML）、有机粉土（OL）、高塑性无机粉土（MH）和有机黏土（OH）。将土样的塑性指数和液限值点在塑性图上，根据点所落的区域定出土的名称。根据《土的工程分类标准》（GB/T 50145—2007）用塑性图对细粒土进行分类。由图4可知，原土样和电渗后土样均为低塑性无机黏土（CL），经过电渗试验后的土样中，黏粒含量减少，土样的塑限和液限均下降。

图4 塑性图

2.4 不排水抗剪强度参数

淤筑土电渗试验完成后，对阳极处土样进行快剪试验，相关力学参数如表1 所示，结果表明三组不同的电渗试验中，电渗联合堆载预压法处理后土样的黏聚力C、内摩擦角φ的值均为最大。

表1 试验力学参数

2.5 累计排水量和排水速率

结合图5、图6，能够得出淤筑土的电渗试验无论是累计排水量还是排水速率相比于传统单一的方法都有了明显的提升；在各种方法中电渗联合堆载预压法的提升效果最为明显。

图5 电渗及其联合法试验累积排水量对比

图6 电渗及其联合法试验排水速率对比

2.6 能耗分析

当试验电压30 V和周期固定的情况下，电渗法处理淤筑土的能耗可以直观地反应在电流的变化上［12］，试验过程中电流变化情况如图7 所示，从三组电渗及其联合法的对比试验可以看出，电渗联合堆载预压法在各个时间点的电流均最低，根据W=UIt计算出总能量消耗，得出电能消耗结果如表2所示。

图7 相同电压下三组试验电流的变化

表2 能耗对比表

由表2和图8可得，相比于单独电渗试验，电渗联合堆载预压法与电渗联合化学法均能显著降低电能的消耗。试验过程中，在外电压不变的条件下，电流随着水量的排出而不断减小。

图8 能耗对比图

3 结论

笔者主要对淤筑土电渗及其联合法固结试验的可行性进行研究，通过对6 种试验方式前后淤筑土的基本物理特性、累计排水量及排水速率、能量消耗等作对比，得出了以下结论。

①电渗法处理后，淤筑土的粒度组成及塑性状态均有所改善。土样中小于0.005 mm 粒径的颗粒从37%降至23%。塑性指数由15.18降至12.81。

②与未施加电渗法的三组对照试验相比，电渗试验无论是排水速率还是累计排水量相比于传统单一的方法都有了明显的提升；在各种方法中电渗联合堆载预压法的提升效果最为明显。

③电渗联合化学法的累积排水量和电渗法累积排水量差别极小，仅仅在能耗上有所降低，未能达到预期加固效果。

④电渗联合法不仅能增加排水率，还能节省能耗，相较于单独的电渗试验，电渗联合堆载预压法与电渗联合化学法均能显著降低电能的消耗。

⑤直剪试验结果反应电渗联合堆载预压法加固淤筑土的强度最高，三组不同的电渗试验中，电渗联合堆载预压法处理后土样的黏聚力C、内摩擦角φ的值均为最大。