低含水率盾構(gòu)泥漿的真空-電滲聯(lián)合泥水分離技術(shù)試驗(yàn)研究

金志偉，閻長(zhǎng)虹，李良偉，楊曉勇，溫 亮，范旭陽(yáng)

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.蘇州建筑科學(xué)研究院集團(tuán)， 江蘇 蘇州 215029；3.蘇州軌道交通集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215004)

當(dāng)前在我國(guó)許多城市以地鐵為代表的地下空間資源開(kāi)發(fā)利用進(jìn)入快速發(fā)展階段，在隧道施工中，因盾構(gòu)法具有自動(dòng)化程度高、安全開(kāi)挖拼接襯砌、掘進(jìn)速度快、對(duì)地面環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但是在盾構(gòu)施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿。這些泥漿在運(yùn)輸中容易出現(xiàn)拋撒滴漏等環(huán)境污染問(wèn)題，而且泥漿堆放占用大量土地資源。因此在當(dāng)今越來(lái)越重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)的新形勢(shì)下，隧道盾構(gòu)泥漿處理成為地下工程領(lǐng)域一個(gè)新的研究課題。

在盾構(gòu)施工中為了保證掘進(jìn)面穩(wěn)定和施工安全，通常會(huì)在泥漿中加入膨潤(rùn)土[1-2]，利于泥漿在開(kāi)挖面上形成泥膜；同時(shí)為了防止細(xì)粒土黏住刀具，保持泥漿的塑流性，在泥漿中加入大量的水和多種高分子分散劑和穩(wěn)定劑。因此盾構(gòu)泥漿是一種含有多種添加劑的高含水稀泥漿，它具有顆粒細(xì)、強(qiáng)度低、滲透性低等特性，盾構(gòu)泥漿處理成為當(dāng)前地下工程施工中關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。從已有的研究資料來(lái)看，目前泥漿泥水分離處理主要是采用一些傳統(tǒng)的泥漿處理方法，包括自然沉淀法、微生物處理法、化學(xué)固化處理法、化學(xué)絮凝固液分離處理法等。在泥水分離設(shè)備技術(shù)研究方面也取得一定進(jìn)展，其處理的方法有篩分、離心分離、壓濾和真空過(guò)濾[3]等。這些研究成果主要是針對(duì)鉆探或樁基工程中產(chǎn)生的泥漿處理。

為了對(duì)盾構(gòu)施工高含水泥漿進(jìn)行泥水分離處理，本文嘗試引入軟土地基加固處理的真空預(yù)壓法和電滲法來(lái)對(duì)泥漿進(jìn)行泥水分離處理。關(guān)于真空預(yù)壓法和電滲法對(duì)軟土地基加固的研究成果較多，其中真空預(yù)壓處理高含水軟土地基其效果主要受控于土體的滲透系數(shù)，滲透性好的地基土其固結(jié)處理時(shí)間短，效果也好，反之固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，效果差；而電滲法對(duì)低滲透性土具有良好的排水效果，電滲法不僅可以排出泥漿中的自由水，還可以排出泥漿中的部分結(jié)合水[4]。真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合處理方面的研究成果也較多，如房營(yíng)光[5]等通過(guò)真空-電滲聯(lián)合法對(duì)渣堿土進(jìn)行排水，產(chǎn)生明顯的效果；王柳江等[6]研究表明在土體高含水率的情況下，真空預(yù)壓起主要排水作用，待真空預(yù)壓將土體含水率降至0.85后，再聯(lián)同電滲法排水效果更好；孫召花等[7]考慮到真空預(yù)壓與電滲引起水流方向紊亂，采用真空預(yù)壓與電滲交替加固的方式可以縮短排水的時(shí)間；王軍等[4]通過(guò)自制模型槽，進(jìn)行電滲法和真空預(yù)壓法聯(lián)合加固軟黏土地基的室內(nèi)模型試驗(yàn)，提出真空預(yù)壓作用下排水基本結(jié)束時(shí)，進(jìn)行真空預(yù)壓和電滲聯(lián)合作用更為合理?？傮w來(lái)說(shuō)，軟土地基經(jīng)過(guò)真空預(yù)壓和電滲加固處理，其地基承載力有較大提高，不過(guò)地基軟土是半無(wú)限邊界，無(wú)法隔離周圍地下水的滲入，所以無(wú)論是采用真空預(yù)壓法或電滲法排水還是采用真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合法排水，處理后的地基土含水率仍然較高，有時(shí)工期比較長(zhǎng)，成本高，其處理效果難以控制，所以有時(shí)施工技術(shù)人員一般不愿使用這類處理方法。而盾構(gòu)施工產(chǎn)生的泥漿一般是通過(guò)軌道泥漿車運(yùn)到地面泥漿池，泥漿無(wú)論是在泥漿車中或是在泥漿池中，其邊界條件是完全隔離的，因此與軟土地基的邊界條件、初始狀態(tài)、滲透性等方面有很大不同，因此，非常有必要開(kāi)展真空-電滲法進(jìn)行泥水分離試驗(yàn)研究，探討其處理效果，解決地鐵施工泥漿處理問(wèn)題。

目前施工人員通常在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)采用沉淀法、臥螺離心機(jī)脫水、壓濾和真空過(guò)濾排水等方法對(duì)盾構(gòu)泥漿進(jìn)行泥水分離處理，經(jīng)過(guò)初步處理的泥漿含水率雖然有較大的下降但仍然很高，不利于運(yùn)輸，容易污染環(huán)境。為此本文對(duì)初步處理后的泥漿即含水率接近液限的泥漿作進(jìn)一步的泥水分離試驗(yàn)研究，首先自行研制了真空負(fù)壓法和電滲法泥水分離試驗(yàn)裝置，采用真空負(fù)壓法、電滲法進(jìn)行盾構(gòu)泥漿泥水分離試驗(yàn)，結(jié)果顯示在土體真空負(fù)壓處理的開(kāi)始階段脫水效果顯著，但是到了中后期呈現(xiàn)疲軟勢(shì)態(tài)；而電滲脫水效果不受土顆粒的大小影響，不過(guò)在含水率較高時(shí)，排水速度較慢，處理時(shí)間較長(zhǎng)；在充分考慮真空負(fù)壓和電滲特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)后，提出采用開(kāi)展真空負(fù)壓-電滲聯(lián)合法泥漿泥水分離試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)處理后泥漿得到進(jìn)一步硬化，其含水率接近塑限，可以直接資源化利用。

1 盾構(gòu)泥漿的基本特征

本次泥水分離試驗(yàn)的泥漿樣品取自蘇州地鐵在建三號(hào)線盾構(gòu)隧道的施工現(xiàn)場(chǎng)，盾構(gòu)施工土層主要為粉質(zhì)黏土夾少量粉土。泥漿粒度成分累積曲線如圖1所示，從圖中可以看出泥漿粒徑分布范圍都在0.25 mm以下，泥漿顆粒組成黏粒含量為28.13%，粉粒含量為58.45%，砂粒含量為13.42%，泥漿顆粒以粉粒和黏粒為主，含有少量的砂粒。其中d60=0.016 5，d30=0.005 5，d10=0.002 0，故其均勻系數(shù)Cu=8.07，曲率系數(shù)Cc=0.90。泥漿級(jí)配為不良，土粒粒徑分布較寬，土粒不均勻，大顆粒形成的孔隙有足夠的小顆粒充填，因此造成泥漿的滲透性較差，不利于泥漿中水分的排出。

圖1 試驗(yàn)?zāi)酀{粒度成分累計(jì)曲線圖Fig.1 Accumulation curve of the test slurry particle size component

泥漿基本物理性質(zhì)如表1所示,將現(xiàn)場(chǎng)取得的高含水的泥漿放入沉淀池進(jìn)行初步處理，讓其泥漿中的自由水部分排出，對(duì)初步處理后泥漿共取了5批次，其含水率如表2所示，從表2可以看出初步處理后的泥漿含水率小于或接近液限。

表1 試驗(yàn)土樣的基本物理參數(shù)

表2 初步處理后泥漿含水率

由表2可以看出，經(jīng)過(guò)初步處理的泥漿含水率仍然較高，具有一定流動(dòng)性，不利于泥漿的安全運(yùn)輸，在運(yùn)輸過(guò)程中容易造成污染，而且送到堆場(chǎng)堆放高度受限，占地面積大，也容易發(fā)生滑塌或泥流災(zāi)害，危害性很大。

2 泥漿脫水的機(jī)理

2.1 真空負(fù)壓的機(jī)理

泥漿在進(jìn)行開(kāi)敞式真空負(fù)壓排水試驗(yàn)前，泥漿孔隙中充滿水和氣，并與大氣連通，泥漿處于水氣平衡狀態(tài)，因此有：

u0=pa

(1)

式中：u0——泥漿中原有的孔隙水壓力；

Pa——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力值。

泥漿開(kāi)始抽真空后，泥漿孔隙通道任一點(diǎn)處的壓力可表示為：

u1=pa-pv

(2)

式中：u1——抽真空后孔隙通道內(nèi)任意點(diǎn)處的壓力；

pv——孔隙通道內(nèi)任意點(diǎn)處的真空度。

土體中水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)勢(shì)能由壓力水頭梯度和位置水頭梯度控制，土體中任一點(diǎn)水頭的表達(dá)：

(3)

根據(jù)式(1)、式(3)可得，抽真空前泥漿任一點(diǎn)的水頭表達(dá)式：

(4)

根據(jù)式(2)、式(3)可得，抽真空后泥漿通道等高度處任一點(diǎn)的水頭表達(dá)式為：

(5)

水的滲流速度表達(dá)式為：

v=K(J-J0)

(6)

式中：v——滲流速度；

K——滲透系數(shù)；

J——水力梯度；

J0——起始水力梯度。

水力梯度的表達(dá)式：

(7)

式中：L——滲流路徑；

H——滲流路徑L上的水頭差。

根據(jù)式(4)～(7)可得：

(8)

抽氣前，泥漿內(nèi)的孔隙水壓力保持靜態(tài)平衡，孔隙水為一等勢(shì)體，無(wú)水流動(dòng)。抽氣后，泥漿孔隙內(nèi)的氣體分子密度降低，孔隙內(nèi)的壓強(qiáng)不斷減小，在大氣壓強(qiáng)的作用下，外界的氣體分子不斷涌入泥漿的孔隙之中，逐漸在泥漿中形成大的小孔隙通道交互的連通網(wǎng)絡(luò)。在總應(yīng)力不變的情況下，真空度的傳遞使得孔隙通道內(nèi)形成負(fù)的超靜孔隙水壓力。由于試驗(yàn)中泥漿的含水率接近液限，泥漿孔隙中的水大部分為結(jié)合水，具有一定的黏滯阻力，當(dāng)泥漿中的水力坡度大于起始水力坡度，即v>0，泥漿孔道中的真空度pv>J0pwgL時(shí)，泥漿中的水在水頭差的作用下向孔隙通道滲流。當(dāng)泥漿中的真空度pv增加時(shí)，向孔隙通道滲流的位置由近及遠(yuǎn)地向距通道邊緣較遠(yuǎn)的點(diǎn)延伸。泥漿的抽真空表面為恒定的負(fù)壓邊界，負(fù)壓邊界與外界形成的壓強(qiáng)差最大,在壓強(qiáng)差的作用下氣體分子沿著孔隙通道不斷地向負(fù)壓邊界運(yùn)移。氣體分子在運(yùn)移的過(guò)程中會(huì)對(duì)流向孔隙通道內(nèi)的水分子產(chǎn)生推力和拖曳力，使得水分子向泥漿的負(fù)壓邊界運(yùn)移。因此，真空負(fù)壓對(duì)泥漿排水分為兩個(gè)過(guò)程：一是泥漿中的水在水頭差的作用下向孔隙通道滲流；二是流向孔隙通道的水在壓強(qiáng)差的作用下向負(fù)壓邊界運(yùn)移。真空負(fù)壓對(duì)泥漿排水過(guò)程中的總應(yīng)力沒(méi)有增加，根據(jù)有效應(yīng)力原理，土中有效應(yīng)力的增量等于孔隙水壓力的減少量。則抽真空作用形成的泥漿中有效應(yīng)力的增量為pv。

2.2 電滲的機(jī)理

水是極性分子，易和孔隙水中溶解的的陽(yáng)離子形成水化陽(yáng)離子。黏土礦物由于晶格中的同晶置換作用，其表面通常帶有負(fù)電荷，靠近顆粒表面的極性水分子和水化陽(yáng)離子因受到較強(qiáng)的靜電引力作用而被土顆粒牢牢吸附，形成固定層。在固定層外的極性水分子和水化陽(yáng)離子受到的靜電引力較小，在滲透力和熱運(yùn)動(dòng)的影響下有向外擴(kuò)散的趨勢(shì)，形成擴(kuò)散層。當(dāng)黏粒-水界面上形成雙電層時(shí)，在電場(chǎng)中存在兩種電位：熱力電位，為黏土礦物與水界面上的電位，其數(shù)值受電位離子總數(shù)決定；動(dòng)電電位，為固定層與擴(kuò)散層界面上的電位，其數(shù)值由電位離子與固定層中反粒子總數(shù)之差決定[8]。

固定層被土顆粒牢固吸附，可看作固體顆粒的一部分，因此固定層的運(yùn)動(dòng)速度為零。自動(dòng)電電位開(kāi)始，水化陽(yáng)離子在電場(chǎng)作用下速度逐漸增加，直到電位等于零處，離子的速度達(dá)到最大，在這之后保持不變。

假設(shè)在雙電層中外加電場(chǎng)的方向平行于固定層與擴(kuò)散層的分界界面，取擴(kuò)散層中1個(gè)體積單元，面積為A，厚度為dx，距離顆粒表面的長(zhǎng)度為x，該處的電荷密度為ρ，電壓梯度為i，黏滯系數(shù)為η，則作用在該體積單元上的電場(chǎng)力：

dF=iρAdx

(9)

根據(jù)牛頓黏滯力公式，該體積單元所受兩側(cè)流體的黏滯阻力：

(10)

-df——體積單元所受的黏滯阻力，為負(fù)數(shù)，表示與電場(chǎng)力方向相反；

v——體積單元處的速度。

當(dāng)電滲流處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，體積單元所受的電場(chǎng)力和黏滯阻力相平衡，由式(9)、式(10)可得：

(11)

根據(jù)靜電學(xué)理論，雙電層中的電勢(shì)φ服從泊松分布：

(12)

式中：ρ——體積電荷密度；

ε——介質(zhì)的介電常數(shù)。

由式(1)、式(12)可得：

(13)

對(duì)式(13)進(jìn)行兩次積分可得：

(14)

(15)

邊界條件：在雙電層之外，有：

(16)

在動(dòng)電電位處有：

φ=ζ，v=0

(17)

式中：ζ——?jiǎng)与婋娢弧?/p>

把式(16)代入式(14)、式(17)代入式(15)中可得：

(18)

把式(18)代入式(15)中可得電滲的滲流速度：

(19)

從式(19)式中可知雙電層中在等電勢(shì)處，電滲滲流速度的影響因素有介電常數(shù)、電壓梯度、黏滯系數(shù)及動(dòng)電電位。試驗(yàn)中介電常數(shù)、電壓梯度及黏滯系數(shù)通常較為穩(wěn)定，動(dòng)電電位是表征顆粒表面結(jié)合水膜厚度和擴(kuò)散層厚度的主要指標(biāo)，動(dòng)電電位由擴(kuò)散層中的離子來(lái)補(bǔ)償,因此擴(kuò)散層中陽(yáng)離子的濃度決定了動(dòng)電電位的大小。通過(guò)在泥漿兩端加入電極而將原有的靜電平衡打破，孔隙水中的水化陽(yáng)離子拖曳極性水分子向陰極運(yùn)移。因此，電滲時(shí)擴(kuò)散層的厚度減小，動(dòng)電電位降低。在等電勢(shì)處，電滲的滲流速度呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)外加電場(chǎng)對(duì)體積單元中水化陽(yáng)離子的電場(chǎng)力小于所受兩側(cè)流體的黏滯阻力時(shí)，電滲結(jié)束。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)裝置

圖2 電滲-真空聯(lián)合排水試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Vacuum negative pressure incorporated with the electro-osmosis drainage test device

試驗(yàn)采用了自主設(shè)計(jì)的豎向真空電滲聯(lián)合處理泥漿排水的圓柱形試驗(yàn)箱，如圖2所示。試驗(yàn)箱的尺寸為180 mm×160 mm (直徑×高)。模型箱底部設(shè)置有密布的小孔，起到陰極排水的作用。真空裝置采用額定功率為370 W的真空泵，電滲裝置包括電極和36 V的穩(wěn)壓直流電源。陽(yáng)極是直徑140 mm的鐵片，用一物體放至在鐵片的上部，保證泥漿與鐵片保持良好的接觸。陰極是細(xì)鐵絲組成的鐵絲網(wǎng)，用紗布包裹放置在陰極部位。

圖3 室內(nèi)試驗(yàn)裝置Fig.3 Indoor experiment device

3.2 試驗(yàn)方案

為了找出真空負(fù)壓與電滲聯(lián)合的最優(yōu)泥水分離方案，制定了以固定時(shí)間間隔的試驗(yàn)方案，這里采用含水率低于液限的泥漿，如表3所示。采用5組等質(zhì)量(6.83 kg)的泥漿分別開(kāi)展了電滲、真空負(fù)壓、電滲+真空電滲、真空+真空電滲、真空電滲聯(lián)試驗(yàn)。每組試驗(yàn)以排水時(shí)間80 min作為試驗(yàn)結(jié)束條件。

表3 真空與電滲不同組合形式試驗(yàn)方案

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 排水類型的變化

泥漿中的孔隙水在黏粒的靜電引力、分子引力、氫鍵等吸附力作用下，在黏粒表面形成結(jié)合水膜。根據(jù)吸附的水分子與顆粒結(jié)合能的大小，結(jié)合水可分為吸附結(jié)合水、次定向吸附結(jié)合水與滲透結(jié)合水[8]。在土質(zhì)學(xué)中，次定向吸附結(jié)合水與滲透結(jié)合水的分界含水率對(duì)黏性土來(lái)說(shuō)是塑限(WP)，滲透結(jié)合水與自由水的分界含水率為液限(WL)[9-10]，即液塑限含水率是黏土中開(kāi)始出現(xiàn)自由水和滲透結(jié)合水的界限含水率。根據(jù)泥漿中水的黏滯性不同，孔隙水排出的優(yōu)先級(jí)為自由水>滲透結(jié)合水>次定向吸附結(jié)合水>吸附結(jié)合水。

本次試驗(yàn)采用含水量接近液限的泥漿，泥漿中孔隙水主要以結(jié)合水的形式存在。泥漿中滲透結(jié)合水與黏粒的連接較弱，是結(jié)合水向自由水過(guò)渡的一層水，因此真空負(fù)壓或電滲對(duì)泥漿排水時(shí)，即在強(qiáng)制條件下泥漿孔隙中的滲透結(jié)合水可以轉(zhuǎn)化為自由水排出，結(jié)合水膜變薄，結(jié)合水與黏粒的結(jié)合能持續(xù)地變大，排水速率不斷地減小。在排結(jié)合水的過(guò)程中，顆粒骨架和雙電層中未被排出的結(jié)合水承擔(dān)有效應(yīng)力，滲透結(jié)合水轉(zhuǎn)化成的自由水承擔(dān)孔隙水壓力。

泥漿真空-電滲聯(lián)合作用泥水分離試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到120 min時(shí)，泥漿含水率降到19.48%，大于泥漿次定向吸附結(jié)合水的界限含量15.9%，大于泥漿吸附結(jié)合水界限含量的14.08%(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式WG=0.885WP[11])。說(shuō)明真空-電滲聯(lián)合對(duì)泥漿排水時(shí)，排出泥漿中的自由水和滲透吸附結(jié)合水，而受范德華力吸附偶極水分子形成的次定向吸附結(jié)合水未能排出，顯然受共價(jià)鍵和靜電引力控制的吸附結(jié)合水很難排出。

圖4 含水率時(shí)程曲線Fig.4 Variation of moisture content with time

從圖4中還可得出，電滲對(duì)泥漿滲透結(jié)合水的排水效果比真空負(fù)壓更加顯著，電滲對(duì)泥漿中黏粒雙電層的影響深度可達(dá)吸附結(jié)合水與滲透結(jié)合水的分界界面，而真空負(fù)壓只能脫離黏粒雙電層中滲透結(jié)合水外緣的水分子。因此對(duì)相同質(zhì)量、相同含水量的泥漿而言，真空-電滲法決定了泥漿排水量的上限，真空負(fù)壓法決定了泥漿排水量的下限。

4.2 電流變化

在泥漿真空-電滲聯(lián)合作用的泥水分離試驗(yàn)中，對(duì)電滲的電流強(qiáng)度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其結(jié)果圖5所示。圖5的電流強(qiáng)度變化曲線為電滲過(guò)程中電路的實(shí)時(shí)電流強(qiáng)度的變化特征，大致分為三個(gè)階段。第一階段為短暫的上升，主要原因是外加電場(chǎng)打破了泥漿孔隙中離子的平衡狀態(tài)，水化陽(yáng)離子拖曳水分子向陰極運(yùn)移，水分子運(yùn)移時(shí)在泥漿中開(kāi)辟了新的貫通型孔隙通道，使泥漿導(dǎo)電路徑增多，從而導(dǎo)致了電路中的電流增大。第二階段為電流的下降階段，主要由于四個(gè)原因造成的：一是由于泥漿中水的排出，泥漿中的水化陽(yáng)離子聚集在陰極或伴隨著水排出泥漿，泥漿中運(yùn)移水分子載體的減少導(dǎo)致電流降低；二是泥漿顆粒中的雙電層的厚度減小，水分子受靜電引力作用增強(qiáng)，水體的黏滯性增強(qiáng)；三是電滲時(shí)，陰極發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和聚集在陰極的水增大了泥漿的界面電阻；四是顆粒骨架在有效應(yīng)力的作用下，顆粒間距減小，導(dǎo)致了泥漿中孔隙通道的壓縮甚至閉合，泥漿中導(dǎo)電路徑受阻，電流強(qiáng)度值減小。第三個(gè)階段為電流的穩(wěn)定階段，電流僅為0.05 A，這時(shí)電滲過(guò)程基本結(jié)束，泥漿中的滲透結(jié)合水已基本排出。

圖5 電流強(qiáng)度變化曲線Fig.5 Curves of current intensity

4.3 排水量

排水量是衡量泥漿排水方法優(yōu)劣的最直接的評(píng)價(jià)指標(biāo)，也是試驗(yàn)中最重要的記錄數(shù)據(jù)。各組試驗(yàn)的排水量曲線如圖6所示，試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)真空排水量51 mL，低于電滲排水量77 mL，這主要由兩點(diǎn)原因：一是試驗(yàn)?zāi)酀{的主要成分為粉質(zhì)黏土，泥漿的含水率低，泥漿中的孔隙水主要以結(jié)合水形式存在，由于結(jié)合水具有黏滯性，排水速度比自由水慢。泥漿的電滲是主動(dòng)排水，當(dāng)單元水體包含的水化陽(yáng)離子所受的電場(chǎng)力大于單元體所受兩側(cè)的黏滯阻力時(shí)，陽(yáng)離子會(huì)拖曳水分子向陰極運(yùn)移，這個(gè)過(guò)程不僅發(fā)生在自由水當(dāng)中也發(fā)生在雙電層中。二是真空負(fù)壓試驗(yàn)中，泥漿中流體的運(yùn)移動(dòng)力是通過(guò)壓差引起的水力滲流，電滲試驗(yàn)過(guò)程中，泥漿中水的運(yùn)移動(dòng)力是電場(chǎng)作用的電滲流。從表1中可知，試驗(yàn)?zāi)酀{的水力滲透系數(shù)kh=8.37×10-6cm/s，因此由真空所引起的水力滲流在泥漿中較小，所以排水速度較慢。而試驗(yàn)中泥漿的電滲滲透系數(shù)ke=5.18×10-5cm2/sV，若要產(chǎn)生與試驗(yàn)中的單位電勢(shì)梯度ie=2 V/cm相同的排水速率，水力坡度必須為ih=ie·ke/kh=12，因此對(duì)低水力滲透系數(shù)的泥漿而言，較小的電勢(shì)梯度就產(chǎn)生較大的孔隙水滲流，而真空負(fù)壓要實(shí)現(xiàn)相同的孔隙水滲流則需要進(jìn)一步提高真空泵的功率。

圖6 各組試驗(yàn)排水量曲線Fig.6 Drainage curves of five tests

從圖6可知，真空-電滲聯(lián)合作用排水量為95 mL，比真空負(fù)壓或電滲單獨(dú)作用效果好。這是因?yàn)閱为?dú)進(jìn)行真空負(fù)壓試驗(yàn)時(shí)，由于泥漿的級(jí)配不良以及低滲透性易形成淤堵效應(yīng)，阻礙泥漿中真空度的傳遞。因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)使得抽真空邊界和電滲的陰極重合，電滲流向陰極運(yùn)移，使得抽真空區(qū)的水分增加，有效地減緩由真空負(fù)壓作用導(dǎo)致的泥漿底部表面硬殼層的形成。電滲的本質(zhì)是水分子在電場(chǎng)作用下遷移，水分子對(duì)孔隙壁有楔入壓力，可以有效地減緩真空度傳遞通道的閉塞。此外，電滲時(shí)陰極產(chǎn)生的氫氣和滯留在陰極處的水在負(fù)壓的作用下排出，減小了電極與泥漿的界面電阻。因此真空負(fù)壓聯(lián)合電滲可以提高泥漿排水的效率。

圖6還顯示，真空和電滲聯(lián)合方法的排水量低于電滲(階段I)+真空電滲(階段II)。這是因?yàn)檎婵针姖B聯(lián)合作用時(shí)，泥漿排水初期排水速率較快，但泥漿在有效應(yīng)力和真空負(fù)壓的雙重作用下加快了泥漿孔隙的閉塞，泥漿顆粒相互擠壓密實(shí)發(fā)生錯(cuò)位排列，顆粒的間距減小，導(dǎo)致泥漿顆粒之間的黏聚力大于水的楔入壓力，限制了泥漿排水的效果。而電滲的本質(zhì)是水分子在電場(chǎng)作用下遷移，水分子運(yùn)移過(guò)程中在泥漿中開(kāi)辟了新的貫通的孔隙通道，泥漿中導(dǎo)電路徑增多，導(dǎo)致了電路中的電流增大。電滲時(shí)泥漿孔隙只在有效應(yīng)力的作用下，顆粒骨架發(fā)生壓縮，泥漿中孔隙的閉合速率較慢，因此電滲+真空電滲聯(lián)合的排水效果更加顯著。

5 結(jié)論

(1)運(yùn)用真空負(fù)壓法和電滲法進(jìn)行盾構(gòu)泥漿泥水分離處理，大大優(yōu)于在地基軟土固結(jié)處理的效果，能夠較好地使泥漿中的水有效排出。

(2)真空負(fù)法壓和電滲法均可以排出泥漿中的自由水和滲透結(jié)合水，但無(wú)法排出泥漿中的吸附結(jié)合水；真空負(fù)壓法對(duì)泥漿中的自由水排出效果要優(yōu)于電滲法，而電滲法對(duì)泥漿中的滲透結(jié)合水的排出效果要優(yōu)于真空負(fù)壓法。

(3)真空負(fù)壓與電滲聯(lián)合法對(duì)泥漿進(jìn)行排水比真空負(fù)壓法或電滲單獨(dú)對(duì)泥漿排水處理效果更好。

(4)在泥漿泥水分離處理中，首先利用電滲法進(jìn)行排水，將使泥漿中的水匯集到一起，同時(shí)使泥漿收縮形成滲流通道，隨后用聯(lián)合真空負(fù)壓法進(jìn)行排水，處理效果更加顯著。

(5)電滲作用的時(shí)間應(yīng)根據(jù)泥漿的含水率及處理具體要求來(lái)確定，以減少不必要浪費(fèi)。