吹填淤泥自重沉積規(guī)律試驗研究

翁佳興

(東南大學(xué) 巖土工程研究所, 江蘇 南京 210096 )

隨著我國疏浚業(yè)的繁榮，各種航道、河道、湖泊的疏浚和拓寬以及港口新建、擴(kuò)建工程等都不可避免地會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥，如江蘇連云港主航道改線工程每年的疏浚量約為200萬m3[1]；深圳西部港區(qū)銅鼓航道清淤工程的疏浚量達(dá)4650萬m3[2]；天津天津港25萬噸級深水航道的拓寬工程的疏浚量達(dá)8000萬m3[3]；長江口深水航道治理工程僅三期工程基建的疏浚量就達(dá)1.7億m3，工程竣工后年維護(hù)疏浚量約為3000萬m3[4]；南水北調(diào)東線江蘇段第一期工程，土石方開挖達(dá)20334.85萬m3，棄土當(dāng)中大部分是高含水率疏浚淤泥。吹填堆場處置由于具有廣闊的工程應(yīng)用前景，我國目前通常采用此方法來處理疏浚淤泥。水力式疏浚從切泥、泵吸、輸送、排放具有連續(xù)作業(yè)的特點，施工效率高，施工成本低，廣泛應(yīng)用于我國許多大型疏浚與吹填工程的施工。然而，由于水力式疏浚挖泥船挖泥機(jī)具的擾動，疏浚淤泥的原始結(jié)構(gòu)被完全破壞，使得疏浚淤泥的含水率高、壓縮性大、排水性質(zhì)差、固結(jié)時間長，吹填以后需要經(jīng)過長時間自重沉積才能進(jìn)行后續(xù)處理，難以被工程直接利用。因此，作為前期工作及基礎(chǔ)研究，了解吹填淤泥在靜水中的自重沉積規(guī)律，為吹填堆場規(guī)劃設(shè)計、吹填淤泥的后續(xù)處理和再生利用提供基本參數(shù)，具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對吹填土的自重沉積規(guī)律開展了一些試驗研究，彭濤等[5]對深圳地區(qū)吹填淤泥進(jìn)行了室內(nèi)靜態(tài)落淤試驗，獲得了沉積結(jié)束時間和沉積結(jié)束后的孔隙比范圍；劉瑩[6]等對連云港吹填淤泥進(jìn)行了靜水自重沉積試驗，發(fā)現(xiàn)泥漿的初始含水率越高，沉降速度越快，沉積結(jié)束后泥漿含水率越高，而且將泥漿沉降過程分為絮凝沉降段和自重固結(jié)沉降段；詹良通[7]等對浙江海相淤泥進(jìn)行了沉降柱試驗，研究了陽離子類型及其濃度對淤泥自然沉積過程的影響；Been等[8]通過室內(nèi)沉降柱試驗得到了不同初始密度的泥漿在自重沉積過程中各時刻的密度剖面、超孔隙水壓力剖面等分布特征。但是到目前為止，吹填淤泥的自重沉積規(guī)律尚不清楚，直接以吹填淤泥為對象開展的自重沉積規(guī)律研究還處于起步階段，數(shù)據(jù)庫亟需得到豐富；另外，室內(nèi)靜水沉積試驗的模型尺寸對吹填淤泥自重沉積的影響也鮮有研究與報道。

本文以南水北調(diào)東線江蘇段淮安四站新吹填場地的吹填淤泥為研究對象，通過一系列室內(nèi)靜水沉積試驗，研究吹填淤泥在靜水條件下的自重沉積規(guī)律，探討初始含水率、初始泥漿高度以及室內(nèi)試驗的模型尺寸對吹填淤泥沉積特性的影響，并且統(tǒng)計分析了吹填淤泥沉積穩(wěn)定后的含水率變化范圍。

1 吹填淤泥的基本物理性質(zhì)

試驗用吹填淤泥取自南水北調(diào)東線江蘇段淮安四站新吹填場地，通過室內(nèi)土工試驗得到吹填淤泥的基本物理指標(biāo)見表1。其中，液限采用碟式液限儀測定，塑限采用搓條法確定，粒度分布采用密度計法測定。吹填淤泥的塑性圖如圖1所示，從塑性圖可以看到，試驗所用的吹填淤泥位于B線右側(cè)，A線上方，依據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》[9]對土的分類屬于高液限黏性土。

表1 吹填淤泥的基本物理指標(biāo)

圖1 吹填淤泥的塑性圖

2 自重沉積試驗結(jié)果分析

2.1 不同初始含水率沉積試驗

不同初始含水率沉積試驗的泥漿配制方案如表2所示。

表2 不同初始含水率沉積試驗方案

吹填淤泥的s-t沉積時程曲線以及時間對數(shù)坐標(biāo)上的s-logt沉積時程曲線分別如圖2、圖3所示。表3給出了5種不同初始含水率的泥漿初始時以及試驗結(jié)束時的含水率、孔隙比、密度。

表3 初始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)對比

圖2 不同初始含水率泥漿s-t沉積時程曲線

圖3 不同初始含水率泥漿s-lgt沉積時程曲線

2.2 不同初始泥漿高度沉積試驗

不同初始泥漿高度沉積試驗的泥漿配制方案如表4所示。

表4 不同初始泥漿高度沉積試驗方案

從圖2、圖3以及表3可以看到，泥漿的初始含水率越大，泥面的下沉速度越快，泥面最終的沉降量越大，泥漿最終含水率越大，最終孔隙比越大，最終密度越小；反之，泥漿的初始含水率越小，泥面的沉降速度越慢，泥面最終沉降量越小，泥漿最終含水率越小，最終孔隙比越小，最終密度越大。因此，在實際吹填工程中，要想降低吹填淤泥沉積穩(wěn)定后的后續(xù)處理和再生利用的難度，應(yīng)當(dāng)盡量降低吹填淤泥的初始含水率。另外，還可以發(fā)現(xiàn)，在時間對數(shù)坐標(biāo)上，不同初始含水率的泥漿有一個相同的沉降模式，s-lgt沉積時程曲線都呈現(xiàn)倒“S”形，這是典型的細(xì)顆粒泥漿的沉降模式[10]。

吹填淤泥的s-t沉積時程曲線以及時間對數(shù)坐標(biāo)上的s-lgt沉積時程曲線分別如圖4、圖5所示。表5給出了4種不同初始泥漿高度的泥漿初始時以及試驗結(jié)束時的含水率、孔隙比、密度。

表5 初始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)對比

從圖4、圖5及表5可以看到，泥漿的初始高度越高，泥面的下沉速度越快，泥面最終的沉降量越大，泥漿最終含水率越小，最終孔隙比越小，最終密度越大；反之，泥漿的初始高度越低，泥面的沉降速度越慢，泥面最終的沉降量越小，泥漿最終含水率越大，最終孔隙比越大，最終密度越小?？梢?，初始泥漿高度對沉積特性有著不可忽視的影響。究其原因，主要是由于泥漿初始高度越高，泥漿自重沉積的上覆荷載也越大，沉積后的壓密程度越高，最終含水率越小。

圖4 不同初始泥漿高度泥漿s-t沉積時程曲線

圖5 不同初始泥漿高度泥漿s-lgt沉積時程曲線

2.3 不同口徑存泥容器沉積試驗

不同口徑存泥容器沉積試驗的泥漿配制方案如表6所示。

表6 不同口徑存泥容器沉積試驗方案

吹填淤泥的s-t沉積時程曲線以及時間對數(shù)坐標(biāo)上的s-lgt沉積時程曲線分別如圖6、圖7所示。表7給出了3種不同口徑存泥容器的泥漿初始時以及試驗結(jié)束時的含水率、孔隙比、密度。

表7 初始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)對比

圖6 不同口徑存泥容器泥漿s-t沉積時程曲線

圖7 不同口徑存泥容器泥漿s-lgt沉積時程曲線

從圖6、圖7及表7可以看到，相比于23 cm和32 cm口徑存泥容器的沉積曲線，6.5 cm口徑存泥容器的沉積曲線的泥面沉降速度明顯較緩，泥面最終的沉降量也明顯較??；而且23 cm和32 cm口徑存泥容器的沉積曲線幾乎重合。由此可見，存泥容器口徑的大小并不是始終影響泥面的沉降，隨著容器口徑的增大，容器邊界對泥面沉降的影響逐漸減弱，這主要是由于泥漿在沉降過程中會受到容器邊壁粘滯阻力的影響，但是顆粒間的聯(lián)結(jié)作用有限，邊壁粘滯阻力的影響必然有一定的范圍，當(dāng)容器的口徑較小時，受到邊壁粘滯阻力影響的面積占整個容器斷面面積的比例較大，泥面沉降所受到的阻礙作用顯著；當(dāng)容器的口徑較大時，受到邊壁粘滯阻力影響的面積占整個容器斷面面積的比例較小，泥面沉降所受到的阻礙作用不顯著，泥面沉降呈現(xiàn)明顯的中間低平四周高的“凹”形現(xiàn)象，邊壁粘滯阻力的影響主要集中在邊界附近區(qū)域，對泥漿整體的沉降阻礙作用較小。因此，在進(jìn)行室內(nèi)沉積試驗?zāi)M實際大面積吹填堆場的吹填淤泥沉積，研究吹填淤泥的沉積規(guī)律時，必須考慮室內(nèi)試驗的模型尺寸對沉積的影響，盡量采用大尺寸容器。

2.4 吹填淤泥沉積穩(wěn)定狀態(tài)統(tǒng)計分析

吹填淤泥沉積穩(wěn)定時的狀態(tài)很大程度上決定了吹填淤泥的后續(xù)處理方法。根據(jù)表3、表5以及表7對泥漿沉積穩(wěn)定時的含水率進(jìn)行了統(tǒng)計分析，w0為初始含水率，wL為液限含水率，ws沉積穩(wěn)定含水率，ws/wL與w0/wL關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看到，初始含水率w0為2～10倍液限含水率范圍內(nèi)的吹填淤泥泥漿自重沉積完成時，吹填淤泥的沉積穩(wěn)定含水率ws在1.4～2.8倍液限含水率之間，可見，吹填淤泥沉積穩(wěn)定后的含水率仍然很高，難以直接利用。在實際吹填工程中，吹填高度一般高達(dá)3～4 m，淤泥水力吹填入吹填堆場，初始含水率高，在自重狀態(tài)下的沉積，沉積速度緩慢，即使經(jīng)過了較長時間的自重沉積，含水率依然居高不下，給后續(xù)處理和再生利用帶來困難，需要其他工程措施來加速排水，如真空預(yù)壓或者堆載預(yù)壓等。

圖8 泥漿沉積穩(wěn)定時的含水率統(tǒng)計

3 結(jié) 論

(1)吹填淤泥泥漿的沉積時程曲線符合典型的細(xì)顆粒泥漿的沉降模式；

(2)初始含水率是影響吹填淤泥泥漿沉積的重要因素，初始含水率越大，泥面沉降速度越快，最終沉降量和含水率也越大。實際吹填工程中，應(yīng)當(dāng)盡量降低吹填淤泥的初始含水率，以降低后續(xù)處理的難度。

(3)泥漿的初始高度越高，上覆荷載越大，沉積后的壓密程度越高，最終的沉降量越大，最終含水率越?。?/p>

(4)室內(nèi)靜水沉積試驗應(yīng)當(dāng)盡量采用大尺寸容器，以減小模型尺寸對泥漿沉積的影響；

(5)吹填淤泥泥漿沉積穩(wěn)定后的含水率依然很高，初始含水率在2～10倍液限含水率范圍內(nèi)時，其沉積穩(wěn)定后的含水率在1.4～2.8倍液限含水率之間，建議采用真空預(yù)壓或者堆載預(yù)壓等其他工程措施來加速排水，以利于吹填淤泥的后續(xù)處理和再生利用。

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