充填土沉積特性試驗(yàn)研究

王年香，何 寧，章為民，顧行文，任國峰（南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210024）

充填土沉積特性試驗(yàn)研究

王年香，何 寧，章為民，顧行文，任國峰
（南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210024）

疏浚土及吹填泥能否作為充填料是土工織物充填袋筑堤技術(shù)關(guān)鍵問題。針對連云港疏浚土，開展泥水混合物沉積模擬試驗(yàn)，研究了黏粒含量和初始含水率對泥水混合物自重沉積特性的影響，以及作為充填材料的適用性。試驗(yàn)結(jié)果表明:充填土沉積過程可分為沉淀階段和自重固結(jié)階段。沉淀階段時間較短，土性指標(biāo)很快趨于穩(wěn)定。自重固結(jié)階段土性指標(biāo)幾乎沒有變化，表明充填土自重固結(jié)是相當(dāng)緩慢的；充填土初始含水率越大，或黏粒含量越小 ，最大沉淀速率越大，沉淀越快。初始含水率越大，或黏粒含量越大，沉淀結(jié)束時充填土含水率和孔隙比越大，密度越?。划?dāng)充填土黏粒含量大于10%時，在確保充填土的流動性和可灌性前提下，應(yīng)盡量減小初始含水率 ，從而降低充填土沉淀結(jié)束時的含水率和孔隙比 ，提高密度；當(dāng)充填土料的黏粒含量大于30%時，最大沉淀速率很小，沉淀的持續(xù)時間將會比較長，不利于工程施工。因此，充填土料的黏粒含量應(yīng)小于30%。

充填土；沉積特性；黏粒含量；初始含水率；試驗(yàn)研究

充填泥袋筑堤是沿海地區(qū)港口航道工程和圍海造陸工程中采用的一種重要施工技術(shù)，該技術(shù)是將土工織物制成一定形狀的帶狀袋體，利用水力充填和機(jī)械方法等向袋體內(nèi)充填土料并疊砌而形成的袋體堤，利用土工織物的隔離、排水和防護(hù)作用使土體快速固結(jié)。這種結(jié)構(gòu)具有對軟土地基適應(yīng)能力強(qiáng)、整體穩(wěn)定性好、施工速度快、造價低、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在砂石材料匱乏的地區(qū)，更顯示出其優(yōu)越性。土工織物充填土袋筑堤技術(shù)經(jīng)過不斷的現(xiàn)場試驗(yàn)研究［1-3］和室內(nèi)試驗(yàn)研究［4-6］，已廣泛應(yīng)用于水利、交通及海岸等工程領(lǐng)域［7-9］。

將疏浚土通過吹填方式充填到充填袋中，首先產(chǎn)生自重條件下沉積，沉積過程受諸多因素的影響且比較復(fù)雜。詹良通等［10］研究了海相淤泥泥水混合物的初始含水率、海水中陽離子類型及其濃度對自重沉積特性等。Been等［11］利用沉積柱試驗(yàn)研究了粉質(zhì)黏土（黏粒含量為30%）的自重沉積固結(jié)特性，測得不同初始密度泥水混合物在自重沉積過程中各時刻的密度剖面、超孔隙水壓力剖面以及土顆粒離析分布特征。彭濤等［12］對深圳地區(qū)吹填淤泥進(jìn)行了靜態(tài)落淤試驗(yàn)研究，獲得了自重沉積固結(jié)后的孔隙比范圍。劉瑩等［13-15］對連云港和青島的吹填土進(jìn)行了沉積柱試驗(yàn)和表面蒸發(fā)結(jié)殼試驗(yàn)研究，并探討了水泥和石灰兩種摻入劑對自重沉積固結(jié)特性的影響，獲得了不同初始密度泥水混合物的沉積速率和固結(jié)后的孔隙比范圍。Miyake等［16］通過離心模型試驗(yàn)分析了吹填淤泥在自重作用下的排水固結(jié)過程 ，并利用一維大變形固結(jié)理論對離心模型試驗(yàn)所模擬的原型情況做了分析。

現(xiàn)行國家技術(shù)規(guī)范［17-18］規(guī)定“土工織物充填袋筑堤充填土料應(yīng)采用排水性較好的砂性土、粉細(xì)砂類土，且黏粒含量不應(yīng)超過10%”。由軟黏土形成的淤泥質(zhì)淺灘在我國沿海地區(qū)廣泛分布，港口航道建設(shè)、圍海造陸工程中將產(chǎn)生大量的疏浚土及吹填泥，這類棄土的黏粒含量一般較高，是否可以用作筑堤充填料，尚未進(jìn)行深入研究。本文針對連云港疏浚土淤泥沉積物，開展泥水混合物沉積模擬試驗(yàn)，研究黏粒含量和初始含水率對泥水混合物自重沉積特性的影響，以及作為充填材料的適用性，達(dá)到利用當(dāng)?shù)貤壨临Y源、降低工程建設(shè)成本、實(shí)現(xiàn)環(huán)境資源保護(hù)的目的，為工程建設(shè)服務(wù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的黏性土和砂性土兩種土樣取自連云港港區(qū) ，其顆粒組成見表1。將試驗(yàn)土樣分為黏性土、砂性土和混合土（黏性土和砂性土各一半）。其中，黏性土的黏粒含量為32.5%，砂性土為6.2%，混合土為19.35%。每種土樣又按照初始含水率的不同，分成100%、200%、300%三種情況，組成9組不同的試驗(yàn)。

表1充填土顆粒組成

試驗(yàn)時，將各組充填土按照相應(yīng)的比例加水制作成初始含水率不同的泥水混合物，分別置于量程為1 000 ml的標(biāo)準(zhǔn)量筒內(nèi)。將泥水混合物充分?jǐn)嚢杌旌虾螅蛊湓谧灾氐淖饔孟鲁浞殖练e ，同時每隔一定時間，測讀土樣體積的體積變化，進(jìn)而計(jì)算土樣沉淀速率、孔隙比、含水率、密度等，以研究不同黏粒含量對充填土沉積特性的影響。

2 充填土沉積特性分析

作為評價泥水混合物沉積的一個重要指標(biāo)，沉淀速率的大小直接反映了泥水混合物的沉積情況，圖1給出了不同黏粒含量、不同初始含水率條件下泥水混合物的沉淀速率過程線。從圖1中可以看出，在不同黏粒含量和初始含水率條件下 ，沉淀速率的變化大致分為2個階段。第一階段可以看作是快速下沉階段，此階段內(nèi)沉淀速率的變化比較大，沉淀速率快速下降，這個階段的沉淀速率主要取決于土的黏粒含量和初始含水率，表現(xiàn)為土的黏粒含量越小或初始含水率越大，沉淀速率越大，沉淀速率下降得也越快。第二階段可以看作是平穩(wěn)下沉階段，在該階段內(nèi)沉淀速率基本保持穩(wěn)定，曲線比較平緩，這是因?yàn)榻?jīng)過上一階段的沉積，土顆粒的沉淀已經(jīng)基本完成，土體開始發(fā)生自重固結(jié)。但是由于土粒受到水的浮力作用，沉積仍在發(fā)展，但速率卻很小，該階段持續(xù)很長時間。

表2列出了不同黏粒含量和不同初始含水率條件下泥水混合物的最大沉淀速率和沉淀結(jié)束時間，圖2給出了最大沉淀速率隨初始含水率和黏粒含量的變化曲線，從圖2中可以看出，最大沉淀速率隨著初始含水率的增加而增大，隨著黏粒含量的增加而降低。特別的，當(dāng)黏粒含量小于20%時，最大沉淀速率隨黏粒含量的增加而降低的幅度較大，表現(xiàn)出快速下降的趨勢；當(dāng)黏粒含量大于20%時，最大沉淀速率降低的幅度較小，曲線比較平緩。

圖1 充填土沉淀速率過程線

表2充填土最大沉淀速率和沉淀結(jié)束時間

圖2 充填土最大沉淀速率隨初始含水率和黏粒含量的變化

圖3給出了泥水混合物的沉淀結(jié)束時間隨初始含水率和黏粒含量的變化關(guān)系，從圖3中可以看出，沉淀結(jié)束時間隨著初始含水率的增加而線性減小，隨著黏粒含量的增加而幾乎線性增大。也就是說，初始含水率越大，或黏粒含量越小，最大沉淀速率越大，沉淀越快。綜合圖2可以得出，當(dāng)充填土料的黏粒含量大于30%時，最大沉淀速率很小，沉淀的持續(xù)時間將會比較長 ，在這期間充填泥袋的抗風(fēng)浪能力很差，不利于各充填泥袋堤體的穩(wěn)定性。因此，從工程穩(wěn)定性上看，充填土料的黏粒含量應(yīng)小于30%。

圖3 充填土沉淀結(jié)束時間隨初始含水率和黏粒含量的變化

3 充填土物理性指標(biāo)分析

圖4～圖6分別為不同黏粒含量和不同初始含水率條件下充填土的孔隙比、含水率、密度變化過程線，從圖4～圖6中可以看出，充填土的孔隙比、含水率、密度的變化過程可分為沉淀階段和自重固結(jié)階段，在沉淀階段變化較大，孔隙比、含水率隨時間迅速減小，密度隨時間迅速增大；在自重固結(jié)階段它們變化相當(dāng)平緩。由表3更可以看出，在經(jīng)歷3個多月的自重固結(jié)后，沉淀108 d與沉淀結(jié)束時相比，充填土的含水率和孔隙比只降低1.4%，密度只提高0.6%，這樣的變化幅度說明充填土物理指標(biāo)幾乎沒有得到改善，表明充填土自重固結(jié)是相當(dāng)緩慢的。因此，充填袋土筑堤，最上一層應(yīng)填筑一定厚度開山石作為壓重和保護(hù)，以加快充填袋土的固結(jié)和穩(wěn)定。

圖4 充填土孔隙比過程線

表3 沉淀結(jié)束時和沉淀108 d 充填土的物理性指標(biāo)

圖7～圖9分別為沉淀結(jié)束時充填土含水率、密度、孔隙比隨初始含水率和黏粒含量的變化關(guān)系，從圖7～圖9中可以看出，沉淀結(jié)束時充填土含水率和孔隙比隨著初始含水率的增加而增加，隨著黏粒含量的增加而增大；密度隨著初始含水率的增加而減小，隨著黏粒含量的增加而減小。也就是說，初始含水率越大，或黏粒含量越大，沉淀結(jié)束時充填土含水率和孔隙比越大，密度越小。黏粒含量對充填土沉淀結(jié)束時含水率、孔隙比和密度的影響大于初始含水率的影響，如果黏粒含量小于10%，則初始含水率對它們的影響就很小。因此，當(dāng)充填土黏粒含量小于10%時，可以增加充填土的初始含水率，以增加充填土的流動性和可灌性 ，這樣同樣可以使沉淀結(jié)束時充填土的含水率和孔隙比較小、密度較大；當(dāng)充填土黏粒含量大于10%時，在確保充填土的流動性和可灌性前提下 ，應(yīng)盡量減小充填土的初始含水率 ，從而可以降低充填土沉淀結(jié)束時的含水率和孔隙比，提高密度，以保證充填土的穩(wěn)定性。

圖5 充填土含水率過程線

4 結(jié) 論

（1）充填土沉積過程可分為沉淀階段和自重固結(jié)階段 ，沉淀階段時間較短，土性指標(biāo)很快趨于穩(wěn)定，自重固結(jié)階段土性指標(biāo)幾乎沒有變化，表明充填土自重固結(jié)是相當(dāng)緩慢的。

（2）充填土初始含水率越大，或黏粒含量越小，最大沉淀速率越大，沉淀越快。

（3）初始含水率越大，或黏粒含量越大，沉淀結(jié)束時充填土含水率和孔隙比越大，密度越小。

圖6充填土濕密度過程線

圖7 沉淀結(jié)束時充填土含水率隨初始含水率和黏粒含量的變化

（4）當(dāng)充填土黏粒含量大于10%時，在確保充填土的流動性和可灌性前提下，應(yīng)盡量減小充填土的初始含水率 ，從而可以降低充填土沉淀結(jié)束時的含水率和孔隙比，提高密度，以保證充填土的穩(wěn)定性。

圖8 沉淀結(jié)束時充填土濕密度隨初始含水率和黏粒含量的變化

圖9 沉淀結(jié)束時充填土孔隙比隨初始含水率和黏粒含量的變化

（5）當(dāng)充填土料的黏粒含量大于30%時，最大沉淀速率很小，沉淀的持續(xù)時間將會比較長，不利于工程施工。因此，充填土料的黏粒含量應(yīng)小于30%。

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Laboratory Study on Sedimentation Behavior of Dredged Fills

WANG Nian-xiang，HE Ning，ZHANG Wei-min，GU Xing-wen，REN Guo-feng
（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210024，China）

Whether the dredged fill can be used as filling material of the geotextile bags is a key technical problem in the construction of dams and embankments.Laboratory tests were carried out to study the influence of clay content and initial water content on the self-weight sedimentation behavior and the applicability as filling material of dredged fills in Lianyungang Harbor.Results indicate that the sedimentation process can be divided into sedimentation stage and self-weight consolidation stage.The former stage is very short，and the soil indexes stabilize quickly.The latter stage takes very long time，and the soil indexes rarely change.The maximum sedimentation rate is larger and sedimentation time is shorter with larger initial water content or smaller clay content.The larger the initial water content or the clay content is，the larger the final water content and void ratio of dredged fill is，and the smaller the final density is after sedimentation.If clay content is larger than 10%，the initial water content should be as small as possible with liquidity of filling，so as to get smaller final water content，void ratio and larger final density.If clay content is larger than 30%，the maximum sedimentation rate is very small and the duration of sedimentation is relatively long，which is disadvantageous to the engineering construction.Therefore，the clay content of dredged fill should be less than 30%.

dredged fill；sedimentation behavior；clay content；initial water content；laboratory study

TU44

A

1672—1144（2015）02—0090—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.019

2014-12-22

2015-01-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179106）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 863項(xiàng)目（2012AA112509）；江蘇省交通科學(xué)支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2011718）

王年香（1963—），男，江西信豐人，博士 ，教授級高級工程師，博導(dǎo)，主要從事巖土工程基本理論和試驗(yàn)研究工作。

E-mail:nxwang@nhri.cn