试验所用土样来自温州某河道疏浚工程，具体参数见表1，试样的颗粒级配曲线见图1。试验选取以无机Ca(OH)₂为主的复合絮凝剂作为添加药剂。

表1 疏浚淤泥的基本物理性质
Table 1 Basic physical properties of dredged silt

图1 疏浚淤泥的初始颗粒级配曲线
Fig.1 The initial particle grading curve of dredged silt

试验装置实物图见图2，试验装置示意图见图3。由图可知，该装置主要由真空预压系统和电渗系统组成:真空预压系统包括模型桶、真空泵、真空软管、气-水分离瓶、密封膜以及排水板。模型桶采用厚度10mm的有机玻璃制成，内径160mm，高度390mm；真空泵输出功率3.88kW，真空压力上限值0.098MPa；气-水分离瓶用于收集试验中排出的水；密封膜为0.14mm厚的聚氯乙烯膜；排水板采用新型整体式防淤堵排水板。电渗系统由直流电源、阳极、阴极和电源导线组成。选用GW SPD-3606稳压直流电源，可为电渗过程提供稳压输出，最大电压60V，最大电流12A；阴极由直径8mm、长360mm的钢筋制成；阳极由直径8mm的钢筋和环形钢筋制成，环形钢筋的内环半径150mm，四周均匀焊接长度360mm的6根钢筋。电极布置形式采用梅花形布置，较传统电极布置形式而言，使用的电极数目更少，消耗的电能更少，并且处理后土体的均匀性更好^[12]。当真空预压末期土体排水困难时(单位时间土体排水量小于0.02kg)，启动电渗。

图2 试验装置实物图
Fig.2 The physical diagram of test apparatus

图3 试验装置示意图
Fig.3 Schematic diagram of test apparatus

为研究加载电压级数对絮凝-真空预压-逐级加压电渗法加固效果的影响以及絮凝-真空预压-逐级加压电渗法对传统真空预压联合电渗法的改进效果，依据电渗法室内试验和现场试验电势梯度的取值(0.5~1.5V/cm)^[9]，选取4组电压值:9V、12V、15V、18V和21V(对应的电势梯度分别为0.6、0.8、1、1.2和1.4V/cm)，设置了6组加载方案(T1-T6)，见表2。

表2 试验方案
Table 2 Test schemes

表2中:T1表示第一组试验；F表示絮凝试验；VP表示真空预压试验；EO表示电渗试验；SEO表示逐级加压电渗试验；F-VP-EO表示絮凝-真空预压-电渗试验；F-VP-SEO(9 V/1.2 d-12 V/1.2 d-15 V/1.2 d-18 V/1.2 d-21 V/1.2 d)表示絮凝-真空预压-逐级加压电渗试验，并在电渗过程中按先后顺序分别以9 V、12 V、15 V、18 V和21 V的电压通电1.2 d；表2中其它符号含义均以此类推。除加载电压级数不同外，其它试验条件均保持一致，如总电渗时长(6 d)、各组土样总质量(54.78 kg)等。

根据模型桶尺寸以及试验土样干密度确定各组试验所需土样干质量为29.65kg。依据掺入比(S)公式(1)以及文献^[5]中所确定的以无机Ca(OH)₂为主的复合絮凝剂最优掺入比1.5%，计算出各组试验所需复合絮凝剂的掺量为444.75g。将土样与复合絮凝剂统一搅拌5min，均匀混合后静置24h，土样深度为360mm。静置后，将排水板插入有机玻璃模型桶中心位置，使阴极和阳极在模型桶中同轴布置，并将汇集在阴极附近的水分通过排水板排出，达到加固土体的效果。

S=絮凝质量/干土质量 (1)

连接排水板和真空软管，将聚氯乙烯膜铺设在土样上，气-水分离瓶和真空泵通过真空软管连接，用玻璃胶密封潜在的漏气位置，将阴极、阳极与电源连接。

为评估各组试验对疏浚淤泥的改良效果，在试验前后，对土体含水量、十字板剪切强度、渗透系数以及塑性指数进行检测。在试验期间，每2 h监测一次土体排水量、土体表面沉降量和电流强度，检测点和监测点的布置见图4。

图4 测点布置图(单位:mm)
Fig.4 Layout of measuring points(Unit:mm)

累计排水量随时间的变化关系曲线见图5。在真空预压阶段，T1的累计排水量低于其他试验组。这与T2~T6试验组内的絮凝剂有关。一方面，絮凝剂可通过有效的化学絮凝作用中和微小土颗粒表面的电荷，促使大部分微小土颗粒相互聚集变大，增大土颗粒间的孔隙，降低土体黏性，土中孔隙水更容易通过真空预压作用排出；另一方面，絮凝剂对真空预压有“主动防淤堵”作用^[6]，絮凝剂可以降低真空预压过程中水流动的摩擦阻力，缓解真空渗流过程中的淤堵，促进真空固结排水。

图5 累计排水量随时间的变化关系曲线
Fig.5 The curve of cumulative drainage varying with time

当真空时长达236 h时，各组试验土体排水量均趋于稳定，启动电渗。由于T2试验前添加了絮凝剂，使得T2相对于T1在真空预压阶段土体排水量较多，启动电渗时土中含水量较低，土体电阻较高，电渗阶段排水效率较低，排水量为1.925 kg，比T1在该阶段的排水量少19.9%。虽然T3~T6试验前也添加了絮凝剂，但由于T3~T6采用逐级加载电压的通电方式，每次加载电压时，电流强度均得到提高，电流衰减得到抑制，有效提高了电渗排水效率。T3~T6在电渗阶段的排水量比T1分别高出11.3%、23%、35.8%和44%。比较T3~T6在电渗阶段的排水量发现，T6的排水量最高，达到3.462kg。说明在电渗阶段采用的加载电压级数越多，越有利于促进电渗固结排水。此外，相比于启动电渗时的含水量对电渗阶段排水量的影响，加载电压级数的影响更为显著，排水量会随着电压升高出现较为显著的跃升。但相比于初始施加较高电压的T2而言，T3~T6在电渗中后期的排水效率显著高于T2。这是由于较高的初始加载电压虽然能够短暂地提高电渗初期排水效率，但会导致土中电阻剧增，使电流强度衰减较快，电渗中后期排水效率较低。

电渗末期土体排水困难时，试验停止。T1~T6的总排水量分别为8.074kg、8.61kg、9.35kg、9.652kg、9.945kg和10.15kg。通过比较T1~T6的总排水量发现，T3~T6的总排水量高于T1和T2，且T6的总排水量最高。说明絮凝-真空预压-逐级加压电渗法相比于传统真空预压联合电渗方法获得了最优的土体排水效果；同时，加载电压级数越多，越有利于促进土体排水固结。

如图6所示，T1~T6在真空预压阶段的土体表面沉降量变化趋势均先增大后趋于平缓。由于T2~T6试验前添加了絮凝剂，因此在真空预压阶段T2~T6的土体排水量较T1更多，土体表面沉降发展更为显著。

当真空时长达236 h时，启动电渗。T1在电渗阶段的排水量较T2多，但由于电渗在真空预压末期开启，因此电渗阶段土体排水量较低，试验所排水主要集中于真空预压阶段，最终在总体排水量上T2多于T1，因此T2较T1的最终土体表面沉降量高5.2%。由于T3~T6采用逐级加载电压的通电方式，因此在电渗中后期阶段的排水效率与T2相比较高，最终土体表面沉降量较T2分别高5.4%、9.6%、12.9%和15.3%。说明絮凝-真空预压-逐级加压电渗法相比于其它方法而言，土体表面沉降发展更为显著，有利于减少处理后的沉降变形；且逐级加载电压级数越多，土体表面沉降发展越显著。

如图7所示，各组试验中间测点处的最终土体表面沉降量大于两边测点，且在距离阳极较近处的测点最终土体表面沉降量最小。这是因为在电渗过程中，阳离子带动水流从阳极流向阴极，土颗粒在水中负离子的带动下从阴极往阳极发生电泳。较阴极区而言，阳极区由于土颗粒聚集和附近沉淀物致密的缘故，土体表面沉降较小；而阴极区较中间土体而言，由于土中水分汇集导致土体表面沉降也较小。

图6 土体表面沉降随时间变化曲线
Fig.6 Curve of soil surface settlement varying with time

图7 各测点处最终土体表面沉降量
Fig.7 The final soil surface settlement at each measuring point

电渗阶段电流强度随时间的变化关系曲线见图8。各试验组的电流强度整体呈现先增大后减小的趋势。在电渗早期可观察到电流强度逐渐增大，究其原因:一方面，由于土颗粒还未发生迁移，土中较易形成畅通的排水通道；另一方面，高含水率使电极与土体间界面电阻较低，因此电流强度呈现增大的态势。由于T2在真空预压阶段排水较多，开启电渗时含水量较T1低，土体电阻较高，因此初始电流强度较低。而T3~T6的初始加载电压与T1和T2相比较低，因此初始电流强度也较低。

图8 电流随时间变化关系曲线
Fig.8 Curve of current varying with time

比较各组试验电流强度衰减的幅度发现，T3~T6电流强度衰减的幅度小于T1和T2；且在T3~T6中，T6电流强度衰减的幅度最小，仅为1.44A，分别低于T3~T5电流强度衰减幅度的47.1%、38.7%和22.6%。这与T3~T6在电渗阶段采用逐级加载电压的通电方式有关。每次增加电压后，电流强度得到提高，电流强度降低的趋势得到减缓；且加载电压级数越多，越有利于抑制电路电流的衰减。

含水量和十字板剪切强度是评估疏浚淤泥改良效果的两个重要因素。试验后使用十字板剪切仪在距阳极水平距离39 mm、65 mm、91 mm、117 mm和143 mm，深度0 mm、180 mm和360 mm处进行十字板剪切试验；同时，在上述各位置处取土测量试验后土体含水量，试验结果如图9、图 10所示。

如图9(a)、10(a)所示，浅层土体含水量低于深层土体，浅层土体的十字板剪切强度高于深层土体。这与浅层土体的真空压力高于深层土体同时排水板主要集中于水平排水有关^[13]。通过比较所有试验组最表层和最深层土体的含水量和十字板剪切强度的差值发现，T2比T1分别低7.4%和21.4%；T3~T6最表层和最深层土体含水量差值分别比T2低11.1%、15.9%、26.9%和38.1%，剪切强度差值分别比T2低18.2%、36.4%、54.5%和63.6%。说明絮凝-真空预压-逐级加压电渗法能有效提高处理后土体的均匀性，且加载电压级数越高，土体均匀性越好。

如图9(b)和10(b)所示，就含水量和十字板剪切强度与到阳极距离之间的变化规律而言，离阳极越近，含水量越低，十字板剪切强度越高。造成这一现象的主要原因如下:一方面，根据电渗排水机理，孔隙水从阳极被驱动并积聚在阴极附近，因此阳极区土中含水量较阴极区更低，土体固结程度更高，十字板剪切强度更大；另一方面，从电化学角度上来看，由于阴极区发生还原反应(2H2O+2e-→2OH-+H2)会生成大量H2，排出的气泡会使浅层土体不断产生纵向裂缝，原本深层土体的排水通道被纵向裂缝打断，从而造成阴极附近孔隙水无法排出。但由于排水板处真空压力较高，且真空压力随着距排水板水平距离的增加线性减小^[14]，因此试验后土中含水量的最高点以及十字板剪切强度的最低点不在排水板附近。

图9 试验后土体含水量分布:(a)沿深度方向；(b)距阳极不同位置处
Fig.9 Distributions of the soil water content after test:(a) along the depth；(b) with different distance to the anode

图 10 试验后土体十字板剪切强度分布:(a)沿深度方向；(b)距阳极不同位置处
Fig.10 Distributions of the vane shear strength after test:(a) along the depth；(b) with different distance to the anode