分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法處理疏浚淤泥宏細(xì)觀試驗(yàn)研究

楊展鵬，湯家郗，宋琢

（1.廣州市廣園市政建設(shè)有限公司，廣州 510040；2.上海大學(xué)土木工程系，上海 200444；3.廣州一建建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣州 510060）

0 引言

隨著我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為緩解土地資源緊缺這一狀況，海涂圍墾這種通過對(duì)海底疏浚淤泥進(jìn)行處理的方法開始廣泛地用于吹填造陸。海底疏浚淤泥的含水率高、顆粒細(xì)、滲透性差[1-2]，可采用電滲法進(jìn)行處理，提高其抗剪強(qiáng)度。對(duì)疏浚淤泥地基處理后，不僅能減少地面堆土面積，還能對(duì)其進(jìn)行二次利用，提高了資源利用率[3]。

電滲法在巖土工程中廣泛應(yīng)用，已有幾十年歷史，尤其在處理疏浚淤泥時(shí)有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)[4]，于1939年首次應(yīng)用電滲法處理巖土工程問題，此后國內(nèi)外大量學(xué)者陸續(xù)對(duì)其展開了研究。Kaniraj等[5]研究發(fā)現(xiàn)，電滲法處理軟土地基的效果取決于土顆粒電滲透系數(shù)，與顆粒粒徑無關(guān)；劉飛禹、楊展鵬等[6]通過電滲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電滲法處理軟土地基的加固深度較其他處理方法大，處理后的土體也更加均勻。Liu[7]研究了可溶性鹽對(duì)軟粘土電滲固結(jié)的影響，確定了每種可溶性鹽溶液的最佳濃度。

目前已有針對(duì)強(qiáng)夯的加固機(jī)理、設(shè)計(jì)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)等相關(guān)研究。在強(qiáng)夯加固機(jī)理方面，Leonands[8]認(rèn)為強(qiáng)夯加固地基過程存在三種機(jī)理：加密作用、固結(jié)作用和預(yù)加變形作用。在飽和軟黏土的加固機(jī)理方面，Menard和Broise[9]提出動(dòng)力固結(jié)主要是由于飽和軟黏土壓縮性高和土中自由水可以迅速排出。在強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)研究方面，周健等[10]研究了井點(diǎn)降水聯(lián)合低能量強(qiáng)夯處理軟弱土地基，指出關(guān)鍵技術(shù)在于控制單擊夯能；只有合適的單擊夯能，才不會(huì)破壞土體結(jié)構(gòu)，才能有效加固軟土地基。在土體破環(huán)本構(gòu)機(jī)理研究方面，周林祿等[11]針對(duì)飽和砂土液化問題，基于開源地震工程數(shù)值計(jì)算平臺(tái)OpenSees，對(duì)4種砂土本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。程超等[12]基于室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)和靜三軸試驗(yàn)，研究動(dòng)、靜態(tài)液化對(duì)飽和土體本構(gòu)特征的影響，探討兩種液化機(jī)理的差異性。在試驗(yàn)研究方面，李水江等[13]將低能量強(qiáng)夯和真空預(yù)壓及電滲法進(jìn)行結(jié)合，對(duì)溫州地區(qū)某河道清淤工程的飽和軟黏土進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，得到了顯著的加固效果。李曉靜等[14]對(duì)以粉土和粉質(zhì)黏土構(gòu)成的黃泛區(qū)路基場(chǎng)地開展強(qiáng)夯加固，得出了在2000 kN·m夯擊能作用下，各遍數(shù)夯擊時(shí)的最佳夯擊數(shù)和有效加固深度。高有斌等[15]列舉了幾個(gè)電滲法聯(lián)合強(qiáng)夯法加固的工程實(shí)例；Burnotte等[16]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中電滲法電極間距的調(diào)整，使電滲法為后續(xù)的強(qiáng)夯過程提供充足的作業(yè)空間，為電滲聯(lián)合強(qiáng)夯法提供了實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

本文提出分層低能級(jí)強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法來處理疏浚淤泥，通過排水量大小確定強(qiáng)夯夯擊時(shí)間點(diǎn)，研究該工法對(duì)各土層因電滲固結(jié)產(chǎn)生的裂縫的彌合情況的影響，并從微觀角度分析分層強(qiáng)夯對(duì)電滲固結(jié)的影響機(jī)制。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)所用土樣取自溫州地區(qū)某一海涂圍墾工程。通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)量?jī)x器對(duì)海底疏浚淤泥進(jìn)行測(cè)定，獲得土樣的各項(xiàng)基本物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 疏浚淤泥基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical and mechanical parameters of dredged slurry

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 電滲固結(jié)系統(tǒng)

圖1為分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法的模型箱及相關(guān)試驗(yàn)裝置示意圖。4個(gè)圓桶模型底部開口用于排水，在桶底部倒貼一層反濾膜防止排水孔淤堵。電滲陽極和陰極均用直徑7 mm的光圓鋼筋制成，電極按軸對(duì)稱二維平面布置。本次試驗(yàn)電勢(shì)梯度取0.5 V/cm，直流電源電壓取7.5 V。

1.2.2分層強(qiáng)夯系統(tǒng)與工藝參數(shù)

圖1（b）所示為本次試驗(yàn)所采用的自主設(shè)計(jì)的開口環(huán)形夯錘，尺寸如圖所示。為更好地開展強(qiáng)夯，在每一分層土體表面鋪設(shè)一層2 mm厚土工布，防止夯擊破壞土表。在本試驗(yàn)中，取分層數(shù)1、2、3的最小公倍數(shù)6作為強(qiáng)夯的遍數(shù)，每遍滿夯1次。設(shè)計(jì)本試驗(yàn)夯錘質(zhì)量為2.5 kg，各組分層強(qiáng)夯的夯擊落距為0.2 m。土樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖1（c）所示。試驗(yàn)期間每隔3 h監(jiān)測(cè)一次排水量、電流強(qiáng)度和土表沉降。試驗(yàn)前后分別對(duì)土體測(cè)量含水量和十字板剪切強(qiáng)度。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic of test apparatus（unit:mm）

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表2所示。本文選取了沿模型桶深度均分1層（一層360 mm厚）、2層（每層180 mm厚）、3層（每層120 mm厚）的分層強(qiáng)夯土層厚度，總試驗(yàn)時(shí)間以T1試驗(yàn)時(shí)長為準(zhǔn)。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes

為確保強(qiáng)夯總夯擊能相同，將6遍強(qiáng)夯平均分配到各分層強(qiáng)夯試驗(yàn)組中，T2土層為1整層，在表面夯擊6遍；T3分兩層，在底層和頂層表面各夯擊3遍；T4分3層，在底部、中部和頂部土表各夯擊2遍。對(duì)于啟夯時(shí)間，T2在試驗(yàn)開始24 h后，T3分別在24 h和96 h，T4在24 h、72 h和120 h。

1.4 試驗(yàn)步驟

在模型桶內(nèi)放置陽極架，土樣倒入桶后插入陰極棒，靜置24 h。用導(dǎo)線連接陰極與陽極并外接電源，在土表鋪設(shè)一層圓形土工布，避免夯錘直接接觸土體。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)取T1～T4陰極附近同一點(diǎn)處土樣做電鏡掃描分析，獲得同一放大倍數(shù)的電鏡圖像。

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 排水量

圖2為T1～T4試驗(yàn)組的排水量隨時(shí)間變化關(guān)系圖。首先，由圖中曲線可知，各組土體的排水量隨時(shí)間不斷增加，采用分層的強(qiáng)夯方式能使排水量急劇增大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)T1、T2、T3和T4的排水量分別為4.63 kg、5.0 kg、5.55 kg和6.35 kg。

圖2 排水量隨時(shí)間的變化關(guān)系圖Fig.2 Variations of drainage volume with time

其次，對(duì)比T1和T2～T4發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)夯與分層強(qiáng)夯能促進(jìn)排水效果，這是因?yàn)閺?qiáng)夯的沖擊作用使電滲固結(jié)產(chǎn)生的土體表面裂縫愈合，減小了土體電阻，使電滲固結(jié)效率得到提高。因此，T2、T3、T4電滲階段的排水量高于T1，比T1分別高出7.99%、19.87%和37.15%。最后，通過比較T2、T3和T4電滲過程的排水量發(fā)現(xiàn)，分3層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法與分2層、1層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法以及單獨(dú)電滲法相比，排水量分別增加了14.41%、30.6%和37.15%，這主要是因?yàn)榉謱訌?qiáng)夯能對(duì)不同深度的土體表面進(jìn)行夯擊，使底部、中部土體因電滲固結(jié)而產(chǎn)生的裂縫彌合，比單層強(qiáng)夯更能提高土體的導(dǎo)電性，因而電滲固結(jié)的排水量也得到提高。說明分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法相比單層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法獲得了更優(yōu)的排水效果，并且分層數(shù)越多，分層強(qiáng)夯對(duì)電滲固結(jié)排水的促進(jìn)效果越顯著。

2.2 電流強(qiáng)度

圖3為各組試驗(yàn)電流強(qiáng)度變化曲線。首先，T1、T2、T3和T4的電流強(qiáng)度大小隨時(shí)間增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。在電滲初期階段，由于土體內(nèi)部形成排水通道，土體與電極之間的界面電阻較低[16]，因此電流強(qiáng)度逐漸增大。其次，隨著電滲試驗(yàn)進(jìn)行，電流達(dá)到峰值，土體內(nèi)自由水不斷排出，含水量和鹽分含量不斷降低，陽極腐蝕導(dǎo)致界面電阻增大，隨后電流逐漸衰減，最終趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)槭^多的陽極區(qū)形成了硬殼層，使土體電阻增大；土體內(nèi)不同部位失水程度有差異，影響了土體電流的流通，使得電流衰減加快[17]。

圖3 電流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖Fig.3 Variations of current intensity with time

此外，比較T1、T2、T3和T4電滲初期電流大小，發(fā)現(xiàn)T1、T2比T3和T4電流強(qiáng)度大，這是因?yàn)門1和T2未分層，土體內(nèi)自由水含量和離子含量多于T3和T4，土體導(dǎo)電性更高，因此初始電流更高。在電滲后期，采用分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲的T3和T4，電流強(qiáng)度高于T1和T2的電流強(qiáng)度，且最終趨于穩(wěn)定值后也高于T1與T2，說明分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法可有效增強(qiáng)電滲后期的電流強(qiáng)度。

2.3 土體表面沉降

由于電滲過程中土體發(fā)生開裂主要在陽極區(qū)域，環(huán)形夯錘的夯擊區(qū)域不含陰極區(qū)，因此，測(cè)點(diǎn)未選擇陰極區(qū)。本試驗(yàn)設(shè)置了三個(gè)測(cè)點(diǎn)，將測(cè)量值平均后作為土表沉降值，結(jié)果如圖4所示。T1、T2、T3和T4的沉降值隨時(shí)間逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定，分別為4.66 cm、5.09 cm、5.42 cm和5.85 cm。T1和T2在電滲初期沉降基本一致，在T2啟動(dòng)強(qiáng)夯后，土表沉降值在夯擊時(shí)瞬間增大，因?yàn)楹粨羰┘诱龎毫κ沟猛馏w內(nèi)部顆粒間形成的孔隙壓縮。在電滲初期階段，T3、T4分層強(qiáng)夯試驗(yàn)組由于土體數(shù)量少，土中自由水和離子數(shù)量較低，電滲固結(jié)過程較平緩，沉降發(fā)展速率比T1、T2小。隨著分層強(qiáng)夯上部土體的加入，T3、T4的沉降發(fā)展速率加快，后續(xù)強(qiáng)夯引起的土表沉降突增使得沉降值大小高于T1、T2，分層夯擊使不同土層電滲固結(jié)排水后顆粒間的孔隙更均勻充分地壓縮，土體電阻更小，導(dǎo)電性更好，因此電滲固結(jié)效率增加、在后期沉降發(fā)展更明顯。

圖4 土表沉降隨時(shí)間的變化關(guān)系圖Fig.4 Variations of soil surface settlement with time

2.4 含水量和十字板剪切強(qiáng)度

在圖1（c）所示位置處進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)并測(cè)量含水量，將兩個(gè)指標(biāo)平均后分別繪制在圖5和圖6中。首先，對(duì)比圖5（a）和圖6（a）可知，T3和T4的兩指標(biāo)沿深度方向的折線斜率相比T1和T2有明顯區(qū)別。除T3外，其余3組試驗(yàn)的表層土含水量低于深層土，表層土十字板剪切強(qiáng)度高于深層土。采用分層強(qiáng)夯的T3與T4，能使土體表面裂縫更充分愈合，電滲效率提高，因此含水量比T1和T2更低、十字板剪切強(qiáng)度比T1和T2更高。

圖5 試驗(yàn)后各組土體含水量Fig.5 The soil water content of each group after the test

其次，觀察圖5（b）和圖6（b）可知，離陽極越近，含水量越低、抗剪強(qiáng)度更高。一方面，因?yàn)殡姖B使得孔隙中自由水遷移并匯聚在陰極附近；另一方面，電化學(xué)角度上，陰極區(qū)發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生H2，氣泡使土表出現(xiàn)凹陷和裂隙，導(dǎo)致深層土自由水有效傳遞路徑被裂隙阻隔，造成的后果是陰極區(qū)自由水大量囤積。最后，各組含水量分別為43.5%、45.3%、41.5%和39.91%，十字板剪切強(qiáng)度分別為36.7 kPa、41.5 kPa、46.6 kPa和51.9 kPa。比較這些數(shù)據(jù)可知，分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法處理疏浚淤泥的效果更好，分層數(shù)越多，可獲得更低的含水量和更高的十字板剪切強(qiáng)度。

圖6 試驗(yàn)后各組土體十字板剪切強(qiáng)度Fig.6 The vane shear strength of each group of soil after the test

2.5 電鏡掃描

采用真空冷凍干燥機(jī)和Phenom Pure掃描電子顯微鏡對(duì)土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析。將各組距離陰極棒20 mm、深度為300 mm處的土體取樣后冷凍干燥，用掃描電子顯微鏡拍攝土體切面圖像，掃描電鏡拍攝圖像放大倍數(shù)為5000倍（圖片大小約為53.7μm×54 μm，19像素/μm）。通過細(xì)觀圖像分析各試驗(yàn)組土顆粒分布差異，各組試驗(yàn)各選取3張圖像進(jìn)行細(xì)觀分析。由于圖片數(shù)量過多，文中僅展示各組試驗(yàn)中一張細(xì)觀圖像的分析流程、如圖7所示，其余圖片計(jì)算結(jié)果如表3所示。圖7（a）、（b）、（c）、（d）為T1～T4陰極附近同一位置處的細(xì)觀電鏡圖，可以發(fā)現(xiàn)，溫州地區(qū)海底疏浚淤泥多呈板狀或片狀顆粒結(jié)構(gòu)，在電滲時(shí)顆粒間多以邊-面形式接觸，小顆粒團(tuán)聚成粗顆粒。T1的土顆粒間存在大孔隙，顆粒分布松散，這是因?yàn)殡姖B固結(jié)會(huì)導(dǎo)致土體開裂，產(chǎn)生許多微裂縫，降低電滲處理效果。T2土顆粒間的接觸較為緊密，說明強(qiáng)夯的夯擊能有效彌合土體裂縫，提高土體整體性。T3、T4處理后土顆粒間的接觸更緊密，效果好于T2，說明分層強(qiáng)夯能更有效地彌合內(nèi)部微裂縫，且T4的土體接觸最為緊密，土顆粒間幾乎不存在大孔隙，在分層強(qiáng)夯作用下土顆粒能相互靠攏形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，因此T4固結(jié)效果最優(yōu)，在宏觀上則表現(xiàn)出更高的抗剪強(qiáng)度與承載力。

其次，采用Liu等[18]開發(fā)的顆粒（孔隙）及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS）對(duì)掃描電鏡圖像的顆粒與孔隙進(jìn)行識(shí)別和定量分析，從細(xì)觀角度分析比較各試驗(yàn)組的處理效果。PCAS計(jì)算電鏡掃描圖像時(shí)以像素為基本單位，計(jì)算結(jié)果可以統(tǒng)計(jì)出孔隙總面積、孔隙總數(shù)目、表觀孔隙率、平均孔隙面積、概率熵和分形維數(shù)等參數(shù)。圖7（e）、（f）、（g）、（h）和（i）、（j）、（k）、（l）分別為PCAS處理掃描電鏡圖像的流程圖。圖7（e）～（h）中黑色代表土顆粒，白色代表孔隙區(qū)域。圖7（i）～（l）黑色部分代表土顆粒，其余部分代表土中孔隙。采用PCAS對(duì)每張圖像計(jì)算分析，分析時(shí)選取各組試驗(yàn)3次細(xì)觀分析結(jié)果的平均值，結(jié)果如表3所示。由表3可知，T1、T2、T3和T4的孔隙總面積、孔隙總數(shù)目、表觀孔隙率和平均孔隙面積逐漸減小，說明分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法比未分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲的處理效果更好，且分層數(shù)越多，效果越好。

圖7 各組土體陰極附近處SEM圖像及PCAS處理流程圖Fig.7 SEM image of soil near cathode and PCAS processing flow chart

概率熵表示細(xì)觀結(jié)構(gòu)單元體的有序性，用表示，取值范圍在0～1，Hm越小則孔隙排列越有順序。T1、T2、T3和T4概率熵逐漸減小，說明T1的孔隙排列混亂，定向性不明顯，而T2、T3、T4的孔隙排列逐漸有序，定向性逐漸明顯，這是因?yàn)樵陔姖B過程中土顆粒在原位相互接觸形成牢固土骨架，土顆粒未發(fā)生明顯移動(dòng)，土體結(jié)構(gòu)調(diào)整困難。T2由于未分層強(qiáng)夯的沖擊作用，使土體內(nèi)部動(dòng)力固結(jié)，土顆粒更易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，逐步形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。T4的土體孔隙排列則最有序，定向性最明顯，說明分層強(qiáng)夯的使土顆粒發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)，土體孔隙排序得到大范圍調(diào)整，且使得排列更加有序。

分形維數(shù)可反映孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，分形維數(shù)越大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。由表3可知，T1的分形維數(shù)最大，說明在純電滲處理下土顆粒未有明顯運(yùn)動(dòng)，細(xì)顆粒原地凝聚成大顆粒，大顆粒間孔隙未被較好填充，孔隙大小不一，故孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加。而T3和T4的土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度降低，孔隙形狀變得更加圓滑，細(xì)顆粒得以在粗顆粒形成的孔隙中填充，孔隙均一化程度提高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度降低。

表3 土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 3 Statistical parameters of soil mesostructure

3 結(jié)論

（1）分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法可充分發(fā)揮分層強(qiáng)夯法與電滲法的優(yōu)點(diǎn)，分層強(qiáng)夯對(duì)底層和回填后的上層疏浚淤泥均有較好的加固效果。

（2）分層數(shù)越多，分層強(qiáng)夯對(duì)電滲法固結(jié)疏浚淤泥的促進(jìn)效果越好。

（3）分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法處理后的土體孔隙數(shù)量和平均孔隙面積小于未分層強(qiáng)夯聯(lián)合電滲法，說明分層強(qiáng)夯法更好地使土體裂縫愈合，提高了土體整體性。