高含水率疏浚泥自重沉積過程中顆粒分選規(guī)律

徐桂中，丁建文，殷 杰，別學(xué)清

(1.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京210098;2.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇鹽城224051;3.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京210096;4.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013;5.江蘇省工程勘測研究院，江蘇揚州225002)

為了改善湖泊、河流的水質(zhì)，提高河道、湖泊等水域的通航、泄洪能力，需要對水下底泥進(jìn)行疏浚，從而產(chǎn)生大量的疏浚淤泥.由于國內(nèi)以絞吸式疏浚為主，所以產(chǎn)生的疏浚泥的含水率極高，在吹入堆場的過程中發(fā)生水力分選現(xiàn)象，導(dǎo)致堆場中疏浚泥的粒徑分布不均，從而引起堆場中不同位置的疏浚泥的物理力學(xué)性狀差異［1-3］.欲了解疏浚泥在堆場中的物理力學(xué)性狀的分布規(guī)律，首先需要了解疏浚泥沉積、固結(jié)過程中的顆粒分選規(guī)律.許多學(xué)者通過沉降柱自重沉積試驗研究高含水率疏浚泥自重沉積過程中的顆粒分選規(guī)律.K.Been等［4］運用特制的沉降柱開展自重沉積試驗，結(jié)果顯示:當(dāng)泥漿容重為10.2，10.7 kN·m-3時，自重沉積過程中，泥漿發(fā)生了明顯的分選，當(dāng)泥漿容重為11.2 kN·m-3時，泥漿未發(fā)生明顯的顆粒分選，這是因為疏浚泥的分選現(xiàn)象與土顆粒的絮凝相關(guān).T.S.Tan等［5］對BNR3 clay開展自重沉積試驗，結(jié)果表明:當(dāng)初始含水率為300%時，泥漿沒有發(fā)生明顯的分選;當(dāng)初始含水率為400%，800%時，泥漿發(fā)生了明顯顆粒分選現(xiàn)象;沉積結(jié)束后，粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿深度逐漸增加.A.Sridharan等［6-7］對紅色黏土、高嶺土、褐色黏土等3種土樣開展的室內(nèi)自重沉積試驗結(jié)果顯示:初始含水率是影響疏浚泥自重沉積過程中顆粒分選的重要因素;另外還探討了自重沉積過程中土顆粒分選對疏浚泥壓縮特性的影響.國內(nèi)學(xué)者在開展高含水率疏浚泥自重沉積試驗時，也發(fā)現(xiàn)了顆粒分選現(xiàn)象［8-10］.

本研究對不同疏浚泥開展自重沉積試驗，以進(jìn)一步明確疏浚泥自重沉積過程中顆粒分選規(guī)律，探討初始含水率、土性等對顆粒分選規(guī)律的影響，了解分選后疏浚泥粒徑分布曲線沿深度的變化規(guī)律.

1 試驗

1.1 試驗土樣

本次試驗共采用3種疏浚泥，分別取自江蘇淮安白馬湖、江蘇淮安楚州、江蘇連云港等地區(qū)，所以分別稱為白馬湖土樣、楚州土樣、連云港土樣.白馬湖土樣和楚州土樣均從堆場中人工挖取，連云港土樣采用大直徑PVC管(內(nèi)徑30 cm，高30 cm)取自深度2.5 m處.表1為白馬湖土樣、楚州土樣及連云港土樣的基本物理指標(biāo).其中，液限采用碟式液限儀測定，塑限采用搓條法測定，粒徑分布采用密度計法確定.所有試驗均參照ASTM(2002:D421-D422)規(guī)程.

圖1為3種土樣粒徑分布曲線.由圖1知，各土樣中的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30% ～80%之間.圖2顯示了3種土樣在塑性圖中的位置.由圖2可知:白馬湖土樣與連云港土樣為高液限黏性土，楚州土樣屬于低液限黏性土.

表1 疏浚泥的物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 粒徑分布曲線

圖2 塑性圖

1.2 試驗裝置及方法

考慮到當(dāng)沉降柱內(nèi)徑大于10 cm時，邊界對沉積規(guī)律的影響可以忽略［11］.所以試驗用沉降柱均由內(nèi)徑為12 cm的透明有機玻璃管制成.整個沉降柱由若干個高度約為5 cm的小沉降筒通過鐵架壓在一起，每個沉降筒兩側(cè)均設(shè)置凹槽，凹槽中放入O形密封圈，O形密封圈受力后可以確保試驗中兩沉降筒間不滲漏.自重沉積結(jié)束后，拆分鐵架，就可以按順序分層取出不同深度的疏浚泥.

本試驗共配置17組不同初始含水率及初始高度的泥漿樣，初始含水率為4～17倍液限，初始高度為130 cm.表2為泥漿的初始條件及沉積穩(wěn)定后的高度.其中，w0為初始含水率，w0/wL為相對含水率，h0為初始高度，hc為沉積穩(wěn)定后的高度.

G.Imai［12］認(rèn)為:沉降曲線(泥面沉降量隨時間對數(shù)的變化曲線)趨于水平，泥漿中的超靜孔壓消散完畢，泥漿自重固結(jié)完成.在本研究所進(jìn)行的自重沉積試驗中，以泥面沉降曲線趨于水平作為試驗結(jié)束標(biāo)志，自重沉積試驗結(jié)束后泥漿厚度為hc，具體判斷方法如圖3所示.其中，t為時間，min;tc表示自重沉積試驗中，沉積完成時所經(jīng)歷的時間.完成自重沉積試驗后，按順序?qū)δ酀{進(jìn)行分層取樣，并對每層土樣進(jìn)行顆粒分析試驗.

表2 泥漿的初始條件及沉積穩(wěn)定后的高度

圖3 自重沉積試驗結(jié)束的判定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 疏浚泥的粒徑分布曲線

圖4為泥漿自重沉積后不同深度泥漿的粒徑分布曲線.圖4顯示的為取樣平均深度，并分別用頂部、中部、底部表示取樣位置.

由圖4知:連云港土樣和楚州土樣的初始含水率分別小于等于490.7%和161.9%時，不同深度粒徑分布曲線基本重合，說明沉積過程中沒有發(fā)生顆粒分選.

圖4 自重沉積后不同深度泥漿粒徑分布曲線

但是當(dāng)初始含水率分別大于等于646.5%和244.1%時，不同深度泥漿的粒徑分布曲線存在差異，上部泥漿的粒徑分布曲線位于下部曲線的上方.由此可知，泥漿在自重沉積過程中發(fā)生了顆粒分選.但對于白馬湖土樣，當(dāng)初始含水率高達(dá)1 010.6%及1 528.6%時，不同深度的泥漿粒徑分布曲線基本重合，說明在自重沉積過程中仍沒有發(fā)生顆粒分選.上述現(xiàn)象表明:疏浚泥在自重沉積過程中的顆粒分選規(guī)律與初始含水率和土性相關(guān).

2.2 疏浚泥分選程度定量化分析

為進(jìn)一步定量分析初始含水率及土性對顆粒分選規(guī)律的影響，需要提出定量化參數(shù).由上述可知，泥漿發(fā)生分選后，頂部泥漿的粒度最細(xì)，底部泥漿的粒度最粗，所以頂部與底部泥漿粒徑分布曲線之間的差異反映了泥漿自重沉積過程中疏浚泥的分選程度.細(xì)粒土土樣中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響物理力學(xué)性狀的重要因素，因此將自重沉積試驗結(jié)束后，頂部與底部泥漿中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差值稱為分選度，用F表示，其表達(dá)式為

式中:wtop和wlow分別為頂部與底部泥漿中的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù).對于自重沉積過程中未發(fā)生分選的泥漿，F(xiàn)=0;發(fā)生分選的泥漿，F(xiàn)＞0;F越大，分選程度越高，F(xiàn)最大值為100.

圖5為分選度隨初始含水率的變化曲線.由圖5可知:楚州和連云港土樣的分選度均隨初始含水率的增加發(fā)生了顯著的變化.當(dāng)兩種土樣的初始含水率分別小于等于 199.2%，391.7% 時，F(xiàn)=0，表明泥漿沒有發(fā)生分選;當(dāng)泥漿初始含水率增加時，F(xiàn)由0迅速增加，表明泥漿開始發(fā)生分選;當(dāng)兩種土樣的初始含水率分別大于332.4%，646.5%時，F(xiàn)隨初始含水率的增加迅速趨于穩(wěn)定;在此之后，F(xiàn)不再隨初始含水率變化.白馬湖土樣與楚州和連云港的不同，當(dāng)含水率為1 528.6%時，F(xiàn)=0，沒有明顯分選現(xiàn)象.

圖5 分選度隨初始含水率的變化曲線

圖6為3種土樣F隨初始含水率與液限的比值w0/wL的變化曲線.由圖6可知:對于楚州土樣和連云港土樣，初始含水率分別約小于5倍和7倍液限時，分選度為0，表明泥漿沒有發(fā)生分選，當(dāng)初始含水率分別大于8倍和12倍液限時，分選度不再隨初始含水率變化，保持基本穩(wěn)定，當(dāng)初始含水率分別介于5～8倍和7～12倍液限間時，分選度F隨初始含水率迅速增大.對于白馬湖土樣，初始含水率達(dá)到17倍液限時，分選度仍為0，沒有發(fā)生分選.

圖6 F隨w0/wL的變化曲線

根據(jù)圖5，6，可將分選度隨初始含水率的變化關(guān)系簡化成圖7模型.圖7中，疏浚泥F隨初始含水率的變化分為3個階段:不分選階段、分選度增長階段和分選度穩(wěn)定階段.3個階段間臨界初始含水率分別用wn和wf表示.初始含水率低于wn時，泥漿處于不分選階段，F(xiàn)=0，泥漿不發(fā)生分選;當(dāng)初始含水率大于wf時，泥漿處于分選穩(wěn)定階段，此時F不隨初始含水率變化;當(dāng)初始含水率介于wn和wf之間時，F(xiàn)隨初始含水率的增加而迅速增加.需要指出，白馬湖土樣雖然沒有發(fā)生分選，F(xiàn)=0，但可以看作圖7模型特例.由上可知:淮安土樣的wn和wf分別約為液限的5倍和8倍，連云港土樣的wn和wf約為液限的7倍和12倍，白馬湖土樣的wn和wf均超過土樣液限的17倍.可見，wn和wf隨土樣液限的增加而增加.

因此，泥漿處于分選度穩(wěn)定階段的分選度不再隨初始含水率變化，達(dá)到最大，稱為最大分選度，用Fmax表示，F(xiàn)max確定方法見圖 7.顯然，F(xiàn)max同樣可以反映疏浚泥的分選難易程度.

圖7 分選度隨初始含水率變化關(guān)系模型

圖8為最大分選度隨液限及黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系.由圖8可知:Fmax隨液限、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，液限小于55%時，F(xiàn)max降低較快，液限大于55%時，F(xiàn)max降低較慢，F(xiàn)max隨黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性降低.當(dāng)液限大于90%、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%時，F(xiàn)max=0，表明此時泥漿不會發(fā)生分選.由此可知，泥漿分選能力隨液限及黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低.

圖8 Fmax隨液限、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線

2.3 分選后黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿深度的變化

由表2可知，不同初始含水率疏浚泥自重沉積穩(wěn)定后的厚度不同.為了敘述方便，將疏浚泥某深度h與沉積穩(wěn)定后泥漿厚度hc的比值稱為相對深度，顯然相對深度為0～1.圖9為楚州土樣發(fā)生分選時，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度的變化關(guān)系.由圖9可知:楚州土樣中，當(dāng)初始含水率大于332.4%，即泥漿處于分選穩(wěn)定階段時，在相對深度相同時，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均基本一致，并不隨初始含水率變化.同時，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在相對深度為 0～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0時，隨深度增加呈分段線性降低.然而，當(dāng)楚州土樣為244.1%，即泥漿處于分選增長階段時，除了頂部泥漿和底部泥漿中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度略有變化外，其他部位泥漿中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨相對深度變化，幾乎沒有發(fā)生顯著變化.

圖9 黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿相對深度的分布規(guī)律

3 結(jié)論

1)初始含水率、土的液限是影響高含水率疏浚泥自重沉積過程中顆粒分選規(guī)律的重要因素.初始含水率越高，液限、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，土樣越容易發(fā)生分選.

2)導(dǎo)入分選度定量評價疏浚泥的分選程度，根據(jù)分選度的變化規(guī)律，建立分選度隨初始含水率變化的模型，該模型中將土樣隨初始含水率由低至高分為不分選階段、分選度增長段、分選度穩(wěn)定段.

3)不分選段、分選度增長段、分選度穩(wěn)定段3個階段間的臨界含水率隨液限的增加而增加，不分選段與分選增長段間的臨界含水率一般大于5倍液限，分選度增長段與分選段穩(wěn)定段間的臨界含水率一般大于8倍液限.

4)處于分選度穩(wěn)定段的疏浚泥，其初始含水率不影響自重沉積后黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿相對深度的分布規(guī)律，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度增加而減小，并呈三段不同的線性分布.

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