高含水率疏浚淤泥的真空固結(jié)模型試驗(yàn)研究

沈 杰 鄧東升 丁建文 吉 鋒 洪振舜

（1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 210096；2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限公司，南京 210029）

為了改善河流湖泊的水質(zhì)、保證河道正常的泄洪能力和內(nèi)陸航道的通航能力，我國(guó)每年都會(huì)開展大規(guī)模的疏浚清淤工程.在內(nèi)陸地區(qū)，疏浚泥通常排放于排泥場(chǎng)內(nèi)，經(jīng)常采用真空預(yù)壓技術(shù)進(jìn)行排水加固處理.然而在真空預(yù)壓處理疏浚泥地基過程中，經(jīng)常由于排水體的淤堵問題而出現(xiàn)“土樁”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致豎向排水體失效，造成淤堵［1］.其中，“土樁”是以排水板為中心軸、自上而下直徑不等的不規(guī)則柱狀體，加固后“樁體”范圍內(nèi)土體的強(qiáng)度比周圍土體高1.5～2.0倍，加固后土體的強(qiáng)度呈明顯的不均勻性［2］，真空預(yù)壓處理效果的不均勻性的本質(zhì)以及淤堵的原因是“土樁”的形成.

隨著真空預(yù)壓技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于排泥場(chǎng)疏浚泥的處理，相關(guān)的室內(nèi)模型試驗(yàn)的研究也已經(jīng)有較多的理論成果.目前，真空固結(jié)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究的重點(diǎn)主要在于膜下真空度對(duì)真空預(yù)壓加固效果的影響［3］.本文針對(duì)真空預(yù)壓過程中排水板附近的淤堵問題，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M真空預(yù)壓過程，探討真空荷載在沿徑向上的傳遞規(guī)律并分析造成排水板周圍“土樁”現(xiàn)象的成因.

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)所用土樣取自泰州引江河17號(hào)排泥場(chǎng)，通過室內(nèi)試驗(yàn)得到泰州土的基本物理指標(biāo)見表1.液塑限分別用碟式儀法和搓條法測(cè)得，比重用比重瓶法測(cè)得，顆分?jǐn)?shù)據(jù)用密度計(jì)法測(cè)得.

表1 吹填土的物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

本試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器裝置如圖1所示，試驗(yàn)裝置主要由兩臺(tái)真空泵、兩臺(tái)飽和缸和一個(gè)沉降柱組成.考慮到真空泵不宜連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用，本試驗(yàn)裝置選用兩臺(tái)真空泵交替使用，同時(shí)為了確保試驗(yàn)過程中能在不漏氣的情況下從飽和缸中收集尾水，本實(shí)驗(yàn)裝置采用兩臺(tái)飽和缸交替使用，真空泵和飽和缸的交替使用都通過球閥的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn).

圖1 模型試驗(yàn)裝置實(shí)圖

實(shí)際工程中所用排水板寬度為10cm，用這種寬度的排水板可以在距離排水板1m的范圍內(nèi)有效地傳遞真空荷載［4］，而本試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭睆綖?8cm，所以需要按照尺寸比例縮小排水板的寬度，縮小后排水板寬度為25mm.試驗(yàn)中，通過等比例縮小的排水板可以準(zhǔn)確地模擬淤泥在真空負(fù)壓作用下的排水固結(jié)過程，并且滿足相似性原理.模型和排水板尺寸以及真空表側(cè)頭的布設(shè)如圖2所示，其中，4個(gè)真空度側(cè)頭的布設(shè)深度均位于距離沉降柱底部20cm的高度處，也就是試樣的中間層位置，而徑向上側(cè)頭的位置分別距離排水板3cm、7cm和12cm，這3個(gè)側(cè)頭完全位于淤泥中，而另一個(gè)真空度側(cè)頭布設(shè)在排水板的另一側(cè)，緊靠排水板表面，和其他3個(gè)側(cè)頭位于同一深度，其目的在于測(cè)量位于同一深度處的排水板表面真空度，和試驗(yàn)中測(cè)得的淤泥中徑向真空度進(jìn)行對(duì)比使用.

圖2 淤泥試樣以及監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)的剖面圖

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)施加的真空壓力為100kPa，飽和缸上真空表顯示的讀數(shù)即為膜下真空度，由于試驗(yàn)裝置的氣密性能好，因此，試驗(yàn)中膜下真空度可以達(dá)到100 kPa，試驗(yàn)用泥的初始含水率為2wL，試驗(yàn)過程中每天測(cè)量徑向4個(gè)不同距離、同一深度的真空表的讀數(shù)和泥面的沉降值.其中試樣表面的沉降是用來(lái)作為判斷抽真空試驗(yàn)是否結(jié)束的控制指標(biāo)，當(dāng)沉降曲線出現(xiàn)收斂現(xiàn)象，并且飽和缸中收集不到尾水的時(shí)候即作為抽真空試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 徑向顆粒含量的變化

真空抽水結(jié)束后，沿著排水板徑向取樣做顆分試驗(yàn)，取樣區(qū)間分別為距離排水板0～1cm、1～2cm、2～3cm、3～6cm、6～9cm和9～12cm這6個(gè)區(qū)間，通過顆分試驗(yàn)得到各不同徑向距離的黏粒（粒徑小于0.005mm）含量，并將其和原泥中黏粒含量進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)靠近排水板區(qū)域的黏粒含量比原泥增加了而遠(yuǎn)離排水板的區(qū)域則減少了，越靠近排水邊界，黏粒被水?dāng)y帶、流動(dòng)遷移的現(xiàn)象越明顯［5］.因此，可以認(rèn)為淤泥中的黏粒在100kPa真空壓力作用下發(fā)生了朝排水板的移動(dòng).但是，與原泥中的粘粒含量相比，粘粒流失區(qū)域的粘粒最大流失含量為5.2%，粘粒富集區(qū)域的粘粒最大增加含量?jī)H為2.6%，黏粒流失區(qū)的黏粒含量減少量多于黏粒富集區(qū)的黏粒含量增加量，可以認(rèn)為黏粒流失區(qū)域所流失的粘粒有一部分在靠近排水板的區(qū)域富集，而另外有一部分隨尾水被排出了.由此可見，高含水率淤泥中部分細(xì)顆粒會(huì)受到真空壓力的影響而發(fā)生向排水板方向的富集，但是最大富集量?jī)H為2.6%，因此細(xì)顆粒的移動(dòng)并不是形成“土樁”的主要原因.“土樁”的形成最主要的原因是排水板周圍顆粒在真空負(fù)壓作用下朝排水板聚集并吸附在排水板周圍，形成低滲透的粘土層，即泥皮，從而造成豎向排水體的淤堵［6］，這可由徑向真空度的衰減趨勢(shì)間接反映.

圖3 抽真空結(jié)束后試樣中徑向的粘粒含量分布曲線

2.2 真空度

2.2.1 排水板中真空度

試樣在抽真空過程中的徑向真空度變化規(guī)律如圖4所示，其中4條曲線分別表示抽真空55h、150h、200h和245h后徑向各不同距離處的4只真空表的讀數(shù).從圖中可以發(fā)現(xiàn)，位于同一深度緊貼排水板的真空表的讀數(shù)在施加100kPa的真空壓力的同時(shí)便迅速上升至90kPa，此后一直維持在90kPa上下，比施加的真空壓力小10kPa左右，說明真空度在沿排水板往下傳遞的過程中會(huì)發(fā)生衰減.

圖4 不同抽真空時(shí)間淤泥中徑向真空度分布曲線

2.2.2 淤泥中真空度

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，位于同一深度，埋設(shè)在淤泥中的真空表并不是從一開始就有讀數(shù)的，其讀數(shù)是經(jīng)歷了一個(gè)啟動(dòng)階段后才開始慢慢增長(zhǎng)［7］，且淤泥中真空度的啟動(dòng)時(shí)間隨著與排水板的距離的增大而增長(zhǎng).從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，在抽真空過程中淤泥中的真空度沿著徑向有一個(gè)衰減的趨勢(shì)，即淤泥中真空度隨著與排水板距離的增大而減小.可以認(rèn)為真空度在向淤泥中傳遞的過程中產(chǎn)生了能量的衰減，真空度難以傳遞至排水板遠(yuǎn)處.淤泥中孔隙水壓力的消散主要是由真空度的傳遞所引起的［8］，真空度在淤泥中傳遞并增長(zhǎng)的過程中，孔隙水逐漸滲流至排水板內(nèi)并被排出，從而使得土顆粒逐漸壓密在排水板周圍，形成“土樁”，使得真空度在徑向上的傳遞受到阻礙.

可見直接加載大真空壓力來(lái)處理高含水率疏浚泥時(shí)，真空壓力在起到排水固結(jié)作用的同時(shí)也對(duì)真空度的徑向傳遞起到阻礙作用.在抽真空作用初始階段，真空負(fù)壓形成的滲流場(chǎng)促進(jìn)孔隙水的排出，但是之后逐漸形成的“土樁”會(huì)對(duì)真空度的傳遞起到阻礙作用，隨著抽真空作用的繼續(xù)進(jìn)行，這種阻礙作用繼續(xù)增大，直到這兩種作用達(dá)到平衡狀態(tài).此時(shí)，土體沉降穩(wěn)定，且不再能收集到尾水.

2.3 真空預(yù)壓的處理效果

2.3.1 淤泥處理后強(qiáng)度性狀

當(dāng)結(jié)束抽真空后，拆除試樣表層的密封膜，用十字板剪切儀測(cè)量試樣中不同高度層的徑向距離上各點(diǎn)的不排水強(qiáng)度，其十字板剪切強(qiáng)度的分布規(guī)律如圖5所示，其中H表示測(cè)點(diǎn)距離試樣底部的高度.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，同一徑向距離的上層土體強(qiáng)度大體上要略高于下層土體強(qiáng)度，而同一深度處的土體強(qiáng)度隨著與排水板的徑向距離的增大而逐漸減小.可見，真空預(yù)壓這種軟基處理方法對(duì)靠近排水板的土體的處理效果要好于遠(yuǎn)離排水板的土體，這主要與真空度沿徑向的衰減規(guī)律有關(guān)，真空度在徑向上發(fā)生衰減勢(shì)必導(dǎo)致遠(yuǎn)離排水板的淤泥的處理效果不及靠近排水板的淤泥的處理效果.

圖5 各不同深度處的徑向十字板強(qiáng)度分布規(guī)律圖

2.3.2 含水率

在測(cè)量十字板剪切強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行取樣并測(cè)量含水率，得到不同深度處淤泥的含水率沿排水板徑向的變化規(guī)律圖，如圖6所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)含水率的徑向變化規(guī)律與強(qiáng)度的變化規(guī)律相反，即同一深度層的含水率隨著與排水板距離的增大而增大，說明靠近排水板的淤泥被抽出的孔隙水要多于遠(yuǎn)離排水板的淤泥.真空度在向地下水位以下土體傳遞時(shí)，其作用是引起大氣壓力所產(chǎn)生的那部分孔隙水壓力的減小.因此，在抽真空過程中，距離排水板間距越小，其孔隙水壓力下降速度越快［9］，淤泥中真空度越大，加固后含水率越低，強(qiáng)度越高.

圖6 各不同深度處的徑向含水率分布規(guī)律圖

3 淤泥中徑向真空度和加固效果關(guān)系

為了探尋徑向真空度的分布規(guī)律與加固后的土體徑向強(qiáng)度之間的聯(lián)系，將試驗(yàn)結(jié)束時(shí)土體中徑向真空度分布規(guī)律曲線和加固后土體徑向平均強(qiáng)度分布規(guī)律曲線繪制在同一個(gè)坐標(biāo)軸中，如圖7所示，其中徑向平均強(qiáng)度是指位于同一徑向距離的4個(gè)不同深度處的不排水強(qiáng)度的平均值，同時(shí)用3次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，得到徑向平均強(qiáng)度的擬合公式為Cu（L）＝－0.018 3L3＋0.420 1L2－3.668L＋30.492和徑向真空度擬合公式P（L）＝－0.066 7L3＋1.583 3L2－14.817L＋87，并且求得Cu（L）和P（L）曲線的拐點(diǎn)分別為7.6cm和7.9cm，可以發(fā)現(xiàn)兩條擬合曲線的拐點(diǎn)幾乎位于同一個(gè)位置，說明該試驗(yàn)條件下形成的“土樁”邊界位于7.6～7.9cm這個(gè)范圍內(nèi)，超出這個(gè)范圍后，徑向真空度和加固后土體強(qiáng)度均迅速減小，所以淤泥中徑向真空度的傳遞與加固后強(qiáng)度存在必然聯(lián)系.而從圖3中可以發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒富集區(qū)域僅在0～3cm，遠(yuǎn)小于“土樁”邊界，可以認(rèn)為細(xì)顆粒的徑向移動(dòng)并非“土柱”形成的主要原因.

真空度在徑向傳遞的規(guī)律和加固后土體的徑向強(qiáng)度和含水率規(guī)律存在必然聯(lián)系.可以認(rèn)為淤泥中真空度數(shù)值增長(zhǎng)得越高，分布范圍越廣，其排水板周圍的土體的加固效果越好.所以，如何能讓真空度在淤泥中的傳遞效率更高，傳遞范圍更廣，是未來(lái)解決此類真空加固工程中真空預(yù)壓加固效果不均勻、淤堵等問題的關(guān)鍵所在.

圖7 徑向真空度和不排水強(qiáng)度與徑向距離的擬合曲線

4 結(jié) 論

1）淤泥中的部分細(xì)顆粒在大真空壓力作用下會(huì)發(fā)生朝排水板的移動(dòng)，但其移動(dòng)量不足以形成排水板周邊隆起的“土樁”.與原泥中的粘粒含量相比，粘粒流失區(qū)域的粘粒最大流失含量為5.17%，粘粒富集區(qū)域的粘粒最大增加含量?jī)H為2.56%，并且富集區(qū)域非常小，僅在0～3cm處有富集現(xiàn)象.

2）淤泥中真空度在抽真空過程中首先經(jīng)歷一個(gè)啟動(dòng)階段，之后真空度慢慢增長(zhǎng)，并且淤泥中真空度的分布在抽真空過程中沿徑向存在一個(gè)衰減的規(guī)律，在抽真空245h后，徑向3cm、7cm和12cm處的真空度分別為55kPa、38kPa和22kPa，越靠近排水板真空度越大，反之則越小.

3）靠近排水板的區(qū)域的加固效果要優(yōu)于遠(yuǎn)離排水板的區(qū)域，這主要表現(xiàn)在加固后土體強(qiáng)度沿徑向遞減而含水率沿徑向遞增.各層土體距離排水板1cm的測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度比距離排水板12cm的測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度大12kPa左右，而1cm處的含水率比12cm處的含水率小2.31%左右.

4）通過對(duì)徑向真空度分布曲線P（L）和加固后土體徑向平均強(qiáng)度分布規(guī)律曲線Cu（L）求解拐點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)兩者拐點(diǎn)幾乎位于同一位置，即真空度可以廣泛分布并達(dá)到較高數(shù)值的區(qū)域即為具有高強(qiáng)度的“土樁”區(qū)域，而真空度沒法有效傳遞到或只能達(dá)到較低數(shù)值的區(qū)域即為“土樁”區(qū)域外的軟弱帶.可以認(rèn)為，“土樁”的主要成因是：在真空負(fù)壓作用下，靠近排水板區(qū)域的淤泥首先經(jīng)過排水固結(jié)逐漸形成強(qiáng)度較大的“土樁”，之后“土樁”又逐漸阻礙真空度向遠(yuǎn)處傳遞，直到這兩種作用達(dá)到平衡狀態(tài).

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