鹽城港濱海港區(qū)高含水率淤泥水力滲透固結(jié)特性研究

嚴正春，孫　浩，梁同好，王圣萍，徐桂中

(1.江蘇省建湖縣航道管理站，鹽城 224700；2.安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232000；3.江蘇省鹽城市航道管理處，鹽城 224005；4.鹽城工學院巖土工程研究所，鹽城 224051)

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鹽城港濱海港區(qū)高含水率淤泥水力滲透固結(jié)特性研究

嚴正春1，孫浩2，梁同好3，王圣萍4，徐桂中4

(1.江蘇省建湖縣航道管理站，鹽城 224700；2.安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232000；3.江蘇省鹽城市航道管理處，鹽城 224005；4.鹽城工學院巖土工程研究所，鹽城 224051)

隨著沿海開發(fā)上升為國家戰(zhàn)略，航道疏浚，港口、船閘建設(shè)，圍海造地等工程建設(shè)活動日益增多，在這些工程中均會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。采用水力滲透固結(jié)法對鹽城港濱海港區(qū)高含水率淤泥的壓縮滲透特性開展研究，試驗顯示，水力滲透固結(jié)方法可以有效的測試濱海港高含水率淤泥壓縮特性及滲透特性。試驗結(jié)果表明，由于濱海港淤泥位于在塑性圖中位于A線以下，屬于粉質(zhì)土，所以目前關(guān)于粘性淤泥的壓縮特性及滲透特性的預測方法不適用于濱海港淤泥。 在e-logσ'坐標系中，濱海港淤泥的孔隙比隨有效應力呈線性變化關(guān)系。在lge-lgk坐標系中，濱海港淤泥的滲透系數(shù)隨孔隙比呈線性變化關(guān)系。最后，提出了濱海港淤泥的孔隙比～有效應力及滲透系數(shù)～孔隙比關(guān)系的定量化描述方法。

淤泥；壓縮特性；滲透特性；液限

隨著沿海開發(fā)上升為國家戰(zhàn)略，航道疏浚，港口、船閘建設(shè)，圍海造地等工程建設(shè)活動日益增多，在這些工程中均會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。目前，這些新產(chǎn)生的淤泥一般被放入堆場放置或采用真空固結(jié)法處理后作為填土使用[1～4]。因此，了解高含水率的固結(jié)特性，包括壓縮特性及滲透特性，是有效預測疏浚淤泥固結(jié)過程的前提。鹽城港濱海港區(qū)是江蘇沿海開發(fā)“三極一帶多節(jié)點”空間布局中的重要節(jié)點，內(nèi)河疏港航道作為港口集疏運體系的重要組成部分，對濱海港區(qū)的發(fā)展具有重要作用。濱海港區(qū)疏港航道工程包括運鹽河船閘和濱海船閘兩座，區(qū)域內(nèi)的1-2層為約7m厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，該層淤泥含水率高、液性指數(shù)達1.2以上，處于流動狀態(tài)，強度極低，不能直接用作地基，需要進行疏浚清除。目前，技術(shù)人員提出將該層淤泥開挖后進行真空預壓處理，并將處理后的土作為本工程中的填土使用，這樣不僅可以解決該層淤泥無場地堆放的難題，還可以增加填料，降低工程成本。因此，了解該層淤泥的壓縮特性是預測真空預壓法處理該層淤泥效果的前提。

需要指出，傳統(tǒng)的固結(jié)儀及滲透儀都無法運用于高含水率疏浚淤泥的固結(jié)特性的測試。為了研究高含水率淤泥的壓縮特性，對傳統(tǒng)的壓縮儀進行改進，改進后的壓縮儀的最小壓力可以降低至0.5kPa[5]。則采用自平衡裝置設(shè)計出固結(jié)儀，該固結(jié)儀可以施加的最小壓力為0.1kPa，同時可以進行滲透試驗[6]。但上述試驗方法仍有一些缺點，首先，上述方法往往只使用于含水率小于2倍液限時的淤泥，對于含水率大于2被液限時的淤泥不適用；其次，上述試驗方法測試時間長。為了克服上述方法的不足之處，提出了一種新的測試高含水率疏浚淤泥固結(jié)特性的方法——水力滲透固結(jié)法，該方法利用水的滲透力對淤泥進行加載，并在此過程中通過預先布置在泥漿中的高精度孔壓計測試不同位置的孔壓[7]。根據(jù)泥漿固結(jié)后的孔壓及泥漿含水率的分布規(guī)律可以計算獲得疏浚淤泥在低有效應力下的孔隙比e～有效應力σ'及滲透系數(shù)k～孔隙比e等本構(gòu)關(guān)系。水力滲透法具有試驗簡單，可以對較高含水率時淤泥進行壓縮滲透特性測試，測試時間較短等優(yōu)點[8]。

本文的目的在于通過自行研制的水力滲透固結(jié)儀對鹽城港濱海港區(qū)產(chǎn)生的高含水率淤泥開展水力滲透固結(jié)試驗，探討鹽城港濱海港區(qū)高含水率疏浚淤泥的固結(jié)特性，獲得e～σ'關(guān)系及k～e關(guān)系的評價方法。

1　試驗方案

1.1土樣介紹

本文試驗所用的土樣為取自于中國江蘇濱海工業(yè)園區(qū)內(nèi)疏浚淤泥堆場中的疏浚淤泥，這些淤泥產(chǎn)生于濱海港區(qū)運鹽河船閘的施工過程中。表1為濱海港淤泥的基本物理指標，圖1顯示了濱海港淤泥在塑性圖中的位置，由圖1可知，濱海港淤泥在塑性圖中位于A線以下，屬于粉質(zhì)淤泥。

表1　濱海港淤泥的基本物理指標

圖1　塑性圖

1.2試驗設(shè)備與方法

本次試驗采用的水力滲透固結(jié)儀為由鹽城工學院研制的水力滲透固結(jié)儀，該設(shè)備由土樣室、孔壓傳感器、水頭裝置及數(shù)據(jù)采集裝置等幾部分組成。土樣室為直徑為14cm，高30cm，側(cè)面布置了10個高精度的孔壓計，孔壓計的精度為10Pa。

為了盡量減少土樣室側(cè)面對淤泥沉降的影響，孔壓傳感器呈螺旋方式布置于土樣室的側(cè)面，相互間垂直距離為2.5cm。孔壓計與采集器相連，并連接至電腦。為了能夠?qū)ν翗邮抑械耐翗邮┘訚B透力，所以土樣室與水頭裝置相連。圖2為本次試驗所用水力滲透固結(jié)儀土樣室的實物圖。

圖2　水力滲透固結(jié)儀土樣室實物圖

試驗前，首先制備含水率為土樣液限3倍的高含水率泥漿，將泥漿倒入土樣室中，并對土樣室中的泥漿施加0.8m高度的水頭差，此時，水由泥漿的上表面經(jīng)過泥漿滲透至下表面并排出。在水的滲透作用下，泥漿發(fā)生固結(jié)。試驗過程中，記錄泥漿的高度h和出水量Q。同時，采集不同時間時的孔壓u。待泥面沉降趨于停止后，將土樣室中的土樣分層取出，并測試每層泥漿的平均含水率wm。在此之后，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以計算獲得疏浚淤泥的孔隙比隨有效應力及滲透系數(shù)隨孔隙比的變化關(guān)系。

2　試驗成果與分析

圖3顯示了泥漿沉降量隨時間的變化關(guān)系，其中，空心圓顯示的為S～T曲線，實心圓顯示的為S～logT曲線。由圖3中S～T曲線可知，在整個試驗期間，沉降量隨時間不斷增加，而且沉降速率也有所變化。在試驗開始后的前10 000分鐘內(nèi)，泥漿沉降較快，沉降速率較大，累計沉降量達7cm。在此之后，泥漿沉降較小，在試驗后10000～30 000分鐘內(nèi)，泥漿的沉降速率迅速降低，累計沉降量也相對較小，沉降量由7cm僅增加到9cm。另外，由圖3可知，S～logT曲線呈現(xiàn)反“S”型，當試驗時間達到32 000分鐘后，S～logT曲線趨于水平，表明此時泥漿的沉降趨于停止。根據(jù)土力學基本理論可知，S～logT曲線趨于水平標志著土樣內(nèi)部超靜孔壓基本消散，土樣固結(jié)完成。由此可見，圖3中所示本次試驗達到30 000分鐘后，固結(jié)基本完成。

圖3　沉降量隨時間的變化關(guān)系

圖4為半對數(shù)坐標系下，濱海港淤泥中孔壓隨時間的變化關(guān)系。由圖4可知，泥漿中孔壓隨時間不斷消散，在試驗前10 000分鐘內(nèi)，1號和2號位置處孔壓均變化較大，3-10號位置孔壓變化不明顯。但在10 000分鐘之后，3-10號孔壓隨時間的變化逐漸減小，并在30 000分鐘趨于平穩(wěn)，表明此時超靜孔壓基本消散結(jié)束。另外，由圖4可知，孔壓消散完畢的時間隨孔壓計位置的增高而增加，底部1號孔壓計超孔壓消散結(jié)束的時間約為10 000分鐘，而頂部10號孔壓計中超孔壓消散完畢的時間約為30 000分鐘，這與圖3中泥漿沉降基本穩(wěn)定的時間基本一致。

圖5為泥漿固結(jié)完成后，孔壓隨泥漿高度的變化規(guī)律，由圖5可知，孔壓隨泥漿高度的增加而增加，在上部泥漿中，孔壓隨深度的變化較小，在泥漿下部，孔壓隨深度的變化較大。另外，由圖5可知，孔壓隨高度呈良好的指數(shù)變化關(guān)系。

圖5　固結(jié)結(jié)束后孔壓隨泥漿高度的變化規(guī)律

圖6顯示了試驗過程中出水量隨時間的變化規(guī)律，圖6中顯示，累計出水量隨時間的增加而增加。但曲線的斜率逐漸變小，最終斜率保持不變，為一條直線。這表明，出水量隨時間的增加而降低，最終出水量保持常量。分析認為，上述現(xiàn)象是由于，試驗過程中，泥漿不斷發(fā)生固結(jié)，孔隙比不斷減小，所以泥漿的出水量也逐漸減小。但當泥漿固結(jié)完成后，泥漿的孔隙比不再減小，所以出水量隨時間保持常速率，因此累計出水量曲線呈現(xiàn)直線。另外，單位出水量保持常數(shù)也表明泥漿固結(jié)基本穩(wěn)定。

圖6 出水量隨時間的變化規(guī)律

圖7為濱海港高含水率淤泥低有效應力狀態(tài)下的壓縮曲線，圖7中顯示，低有效應力狀態(tài)下淤泥在e～logσ'坐標系中呈線性分布。分析認為，前人研究的疏浚淤泥在塑性圖中位于A線以上，屬于粘性土，而本次試驗所用的濱海淤泥在塑性圖中位于A線以下，屬于粉土范疇，這可能是導致本次試驗成果與前人研究差異的原因。另外，通過對本次試驗獲得的濱海高含水率淤泥獲得的e～σ＇數(shù)據(jù)進行擬合，可以獲得式(1)，因此，式(1)可以描述濱海港淤泥的壓縮特性。

圖7e～logσ'曲線

e=-0.26log(σ＇)+2.0

(1)

通過自制的固結(jié)儀對初始含水率高達三倍液限的不同疏浚淤泥開展固結(jié)滲透試驗，并采用相對孔隙比e/eL(土樣孔隙比e與土樣液限時孔隙比eL的比值)作為歸一化參數(shù)對獲得的不同液限疏浚淤泥的壓縮曲線進行歸一化處理，獲得了歸一化曲線，如式(2)所示。

e/eL=1.7σ′-0.2

(2)

圖8顯示了本次試驗濱海港淤泥的歸一化孔隙比e/eL隨有效應力的變化關(guān)系，同時式(2)描述的關(guān)系同樣顯示于圖8中。圖8中顯示，濱海疏浚淤泥的歸一化壓縮曲線位于式(2)所示曲線的上方，表明式(2)并不能預測濱海疏浚淤泥的壓縮曲線。

圖8 相對孔隙比隨有效應力σ ＇的變化關(guān)系

圖9顯示濱海港淤泥滲透系數(shù)隨孔隙比的變化關(guān)系，其中，實心圓顯示的e-logk曲線，空心圓顯示的為loge-logk曲線。由圖可知，在半對數(shù)坐標系中，e-logk曲線呈略微上凹的曲線。諸多學者在研究原狀土的滲透特性時發(fā)現(xiàn)，粘性土的e-logk曲線的斜率Ck約為土樣初始孔隙比的0.5倍。研究發(fā)現(xiàn)，重塑淤泥的e-logk曲線的斜率Ck與其孔隙比相關(guān)，介于0.3～0.7e之間[9]。圖10中顯示了濱海淤泥e-logk曲線的斜率Ck隨孔隙比的變化關(guān)系，圖中顯示，濱海港土樣的Ck同樣介于0.3～0.7倍液限之間。

圖9 滲透系數(shù)隨孔隙比的變化關(guān)系

圖10Ck隨孔隙比的變化關(guān)系

另外，由圖9可知，在雙對數(shù)坐標系中，濱海港淤泥的滲透系數(shù)隨孔隙比呈線性變化關(guān)系，可用式(3)所示的關(guān)系進行描述。

e=11.2k0.2

(3)

在粘性土滲透系數(shù)研究方面，相對孔隙比e/eL同樣被一些研究者用于歸一化不同液限土樣的e-k曲線。對四種初始含水率為液限時重塑粘性土的e-k關(guān)系進行歸一化分析獲得了式(4)所示的關(guān)系[10]。也采用相對孔隙比e/eL對初始含水率大于3倍液限的3種粘性疏浚淤泥的e-k曲線進行歸一化處理，獲得式(5)所示關(guān)系[9]。

e/eL=2.38+0.233logk

(4)

e/eL=38.3k0.23

(5)

圖11為濱海淤泥滲透系數(shù)隨相對孔隙比的變化關(guān)系，圖11中顯示，在相同的相對孔隙比下，濱海港淤泥的滲透系數(shù)介于式(4)和式(5)所示的滲透系數(shù)預測方法之間，并且三者的差異并隨相對孔隙比的增加而增加。

圖11　滲透系數(shù)隨e/eL的變化關(guān)系

4　結(jié)論

本文采用水力滲透固結(jié)法對鹽城濱海港區(qū)產(chǎn)生的高含水率淤泥進行固結(jié)滲透試驗，探討濱海港區(qū)淤泥的e～σ'關(guān)系和e～k關(guān)系，獲得如下結(jié)論：

(1) 水力滲透固結(jié)方法是一種合理有效的測試高含水率淤泥壓縮特性及滲透特性的試驗方法。

(2) 由于濱海港淤泥位于在塑性圖中位于A線以下，屬于粉質(zhì)土，所以目前關(guān)于粘性淤泥的壓縮特性及滲透特性的預測方法不適用于濱海港淤泥。

(3) 在e-logσ'坐標系中，濱海港淤泥的孔隙比隨有效應力呈線性變化關(guān)系，可采用式(1)進行描述。

(4) 在lge-lgk坐標系中，濱海港淤泥的滲透系數(shù)隨孔隙比呈線性變化關(guān)系，可采用式(3)所示的關(guān)系進行描述。

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(責任編輯：李麗,范君)

The Hydraulic Permeability Consolidation Properties of Dredged Slurry with High Water Content in Binhai Port of Yancheng city

YAN Zhen-chun1,Sun Hao2, LIANG Tong-hao3WANG Sheng-pin4,XU Gui-zhong4

(1 Center of Channel Management in Jianhu County, Yancheng Jiangsu 224700, China; 2. School of Architecture and Civil Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232000, China; 3. Office of Channel Management in Jianhu County, Yancheng Jiangsu 224700, China; 4. Geotechnical Research Institute, Yancheng College of Technology, Yancheng Jiangsu 224051, China)

According to the hydraulic permeability consolidation experiments conducted on the high water content mud which is collected from Yancheng Binhai Harbor, the curve in plastic figure is under curve A and Binhai mud can be recognized as silty soil. Hence, the available prediction formulas for compression and permeability are no longer practical. In order to find a proper way to identify the compression and permeability characteristic of Binhai mud, by looking at thee-logσ′ coordinates, the relationship between void ratio for Binhai soil and effective shear strength can be described in linear pattern. And the relation of void ratio and permeability are in linear as well in the lge-lgkgraphic. Based on these two relationships, formula for predicting Binhai soil can be proposed.

slurries；compression behavior；seepage behavior； liquid limit

2016-04-26

國家自然科學基金青年基金資助項目(51408524)；江蘇省交通廳科技項目基金資助(201401T-1)

嚴正春(1967-)，男，江蘇鹽城，高級工程師,本科，研究方向：水運工程等方面工作方面的研究。.

TU 411.3

A

1672-1098(2016)04-0033-06