舟山近海海相吹填泥漿的性狀研究及處理技術(shù)建議

熊 站汪明元祝 幸宋寅威王友博王亞軍*可健偉王晉寶馬惠彪

(1.浙江海洋大學(xué) 港航與交通運輸工程學(xué)院,浙江 舟山316002;2.中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州311122;3.舟山市水利勘測設(shè)計院,浙江 舟山316000)

舟山近海海相吹填泥漿的性狀研究及處理技術(shù)建議

熊 站1,汪明元2,祝 幸1,宋寅威1,王友博1,王亞軍1*,可健偉3,王晉寶1,馬惠彪1

(1.浙江海洋大學(xué) 港航與交通運輸工程學(xué)院,浙江 舟山316002;2.中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州311122;3.舟山市水利勘測設(shè)計院,浙江 舟山316000)

通過對臨近長峙島一側(cè)的海相吹填泥漿的物理化學(xué)及力學(xué)分析,結(jié)果表明：海相吹填泥漿的含水率高,初始孔隙比大,初始極限抗剪強(qiáng)度低;海相吹填泥漿含鹽量高,且離子交換量偏大,致使微觀顆粒被較厚的擴(kuò)散水膜所包圍;土粒骨架間的水膜較厚,各向異性的超載會加劇吹填料的體積變形,破壞粒間結(jié)構(gòu);天然狀態(tài)下吹填泥漿的“片架-片堆”結(jié)構(gòu)特征極為顯著,微觀-介觀結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定,若鹽類礦物出現(xiàn)降解、析出,其固相骨架將被局部化破壞。本文對舟山長峙島海域的原位海洋土的研究可以了解吹填泥漿的性狀,以期為真空預(yù)壓排水固結(jié)技術(shù)用于區(qū)域內(nèi)圍海造陸工程提供科學(xué)依據(jù)。

圍海造路;海相吹填泥漿;性狀;真空預(yù)壓

舟山作為我國東南門戶與要沖,全區(qū)2.08萬km2的海域約占浙江省海洋面積的50%,其陸地面積約1 440.12 km2[1],隨著近年來經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,陸地資源緊缺,圍海造陸已成為開發(fā)土地資源的重要手段。鑒于天然吹填料含水率高、初始孔隙比大、欠固結(jié)、初始極限抗剪強(qiáng)度低等不良的物理力學(xué)性能,正確選擇吹填后海洋圍墾區(qū)固結(jié)、固化處理的手段至關(guān)重要。當(dāng)前,國際上針對海洋圍墾區(qū)的固結(jié)、固化處理常用且較為成熟的技術(shù)手段總體上可以歸為兩大類：一類是在總應(yīng)力不變的情況下,通過減小孔隙水壓來實現(xiàn)土顆粒骨架壓縮固結(jié)、強(qiáng)度提高和有效應(yīng)力增加,這類方法在實施過程中,吹填料產(chǎn)生的水氣壓力變化各向相等,從而有效避免了海洋圍墾區(qū)內(nèi)地層大范圍的塑性剪切破壞,真空預(yù)壓、井點降水、電滲固結(jié)、真空預(yù)壓與電滲聯(lián)合處理、井點降水與電滲固結(jié)聯(lián)合處理均屬這類技術(shù);另一類則是通過在圍墾區(qū)地表施加超載,使得一定深度范圍內(nèi)的吹填料中總應(yīng)力增加,進(jìn)而促使孔隙水壓力消散、有效應(yīng)力增長,由于側(cè)壓力系數(shù)小于1,故此小主應(yīng)力增量小于大主應(yīng)力增量,吹填料發(fā)生塑性剪切破壞[2],堆載預(yù)壓、重夯與強(qiáng)夯、碾壓、振沖均屬這類技術(shù)。基于上述,當(dāng)前海洋圍墾區(qū)的固結(jié)、固化處理多借助第一類技術(shù)手段來完成。

真空預(yù)壓作為吹填土地基處理方法的一種,具有成本低、施工簡單、幾乎不污染環(huán)境、工法較為成熟等優(yōu)點。真空預(yù)壓加固軟土地基原理最初是由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院的Kjellmen于1952年提出的[3],我國于20世紀(jì)80年代引進(jìn)并發(fā)展此技術(shù),最早在天津港口的地基處理中成功運用。為了將該方法應(yīng)用到舟山的圍海造陸等工程中,本文以舟山長峙島海域海相吹填泥漿為原材料,測試吹填泥漿物理化學(xué)及力學(xué)性能,分析該海域海相吹填泥漿的相關(guān)特性,以期為真空預(yù)壓用于區(qū)域內(nèi)圍海造陸工程實踐提供科學(xué)依據(jù)。

(王佳實 編輯)

1 區(qū)域概況

長峙島海域位于舟山新城港灣海區(qū),具有典型的海島丘陵地形,島上海岸侵蝕與堆積地貌交錯,在經(jīng)歷20世紀(jì)五六十年代以來歷次不同規(guī)模的圍海造陸作用后,海岸堆沉積特點愈加突出,由此形成的是大量的泥質(zhì)海灘,區(qū)域內(nèi)鮮見沙質(zhì)海岸。當(dāng)前已形成的海島及20 n mile范圍以內(nèi)的近海海區(qū)總體位于華南褶皺系浙東南褶皺帶。島內(nèi)丘陵坡地在雨季常有泥石流滑,局部有灰黃及灰褐色殘破積層出露,海岸及潮間帶均有大范圍、極深厚的海相沉積物分布,故此,淺部天然地層以海相軟弱土層居多[4]。島內(nèi)地下水主要以巖基類裂隙水及第四系松散沉積層孔隙潛水兩種形式存在,且屬于氯化鈉型淡水,呈弱堿性(p H=7.1),地下水位出露,且水位隨季節(jié)變化劇烈,大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給形式,地下水經(jīng)由近海岸灘直排入海。

2 材料與方法

本文所用海相吹填泥漿主要來自舟山新城海港港灣臨近長峙島一側(cè)(122°10'48″E,29°58'48″N)。長峙島位于舟山群島西南方向,與舟山本島岸距350 m,兩點間通過舟山新城跨海大橋銜接取樣點具體地理位置如圖1黑點所示。

為了研究海相吹填泥漿的物理化學(xué)及力學(xué)性能,本文使用激光粒度儀對目標(biāo)土樣進(jìn)行粒組分析,測試了目標(biāo)土樣的抗剪強(qiáng)度、天然密度、含水率和天然稠度,使用XRD衍射技術(shù)對目標(biāo)土樣做半定量分析,同時采用熱場電鏡掃描技術(shù)對目標(biāo)土樣的微觀物理形態(tài)進(jìn)行探究。

圖1 取樣點地理位置Fig.1 Location of the sampling stations

3 結(jié)果與討論

3.1 海相吹填泥漿天然表觀特征

天然狀態(tài)下海相吹填泥漿呈灰黑色,且有顯著的腥臭味,觸摸感細(xì)膩,對天然海相吹填泥漿進(jìn)行宏觀尺度剖析,肉眼即可辨別出大量的海洋生物活體及殘體。

舟山地處長江入海口南側(cè),長江流域淡水匯入東海后在這里發(fā)生一系列復(fù)雜的離子交換,由此引發(fā)洋流中水溶鹽成份及密度的劇烈波動,并致使不同等深線內(nèi)土壤顆粒懸浮物粒間的凈吸附力呈近乎線性梯度分布[5],越接近于海底沉積層,土壤懸浮物間的凈吸附力越大(此處每千克海水中的含鹽量達(dá)到11.2 g),并最終導(dǎo)致顆粒絮凝成團(tuán)。

3.2 海相吹填泥漿骨架粒組分析

鑒于本文所用海相吹填泥漿極細(xì)的粒組構(gòu)成,研究中使用激光粒度儀對目標(biāo)土樣進(jìn)行粒組分析,土壤骨架中小于1μm的顆粒體積分?jǐn)?shù)尚不少于3%,泥漿顆粒中的黏粒(0.002 mm＜d＜0.005 mm)及膠粒(d＜0.002 mm)占比較高,兩者的累積百分比接近10%,這部分粒組中除了一般的黏土礦物(硅酸鹽礦相),甚至還包括一部分有機(jī)膠體(腐殖酸等)?；谶@些信息,作為舟山當(dāng)?shù)貜V泛分布的一類天然材料,海相沉積物用作圍海造陸的主材建議使用如真空預(yù)壓排水固結(jié)之類的技術(shù)做專門處理后投入工程應(yīng)用。

3.3 海相吹填泥漿抗剪強(qiáng)度和含水率

天然海相泥漿經(jīng)吹填并靜置后將出現(xiàn)顯著的分層沉降,表層泥漿因含水量較大多呈非牛頓流體狀,中、下層泥漿可塑性較好。因條件所限,本文研究并未使用十字板做原位抗剪強(qiáng)度測試,但是對沉靜7 d后硬膠儲泥桶底的稠塑態(tài)吹填料做了快剪測試,測試結(jié)果表明,在不固結(jié)不排水狀態(tài)下,海相吹填泥漿的極限抗剪強(qiáng)度值低于10 k Pa,力學(xué)性能極差。天然含水率測試時,于舟山冬春之交執(zhí)行,此時當(dāng)?shù)貧夂蜿幚涑睗?粒徑極細(xì)的海相沉積物對空氣中水氣吸附能力極強(qiáng),故此,所測得的海相吹填泥漿天然含水率較高,最大值可達(dá)108%,最小天然含水率接近77%。這些信息再一次指出：作為舟山當(dāng)?shù)貜V泛分布的一類天然材料,海相沉積物用作圍海造陸的主材建議使用如真空預(yù)壓排水固結(jié)之類的技術(shù)做專門處理后投入工程應(yīng)用。

3.4 海相吹填泥漿天然物理狀態(tài)

本文采用光電液塑限聯(lián)合測定儀對舟山海相吹填泥漿的天然稠度界限進(jìn)行測試,得到其塑限期望值為47.72%,液限期望值為67.18%,因其塑性指數(shù)大于17,液性指數(shù)大于1,故屬于流塑狀淤泥。經(jīng)常規(guī)土力學(xué)測試,天然海相吹填泥漿的比重為2.71,其對應(yīng)初始孔隙比最大可達(dá)2.1,淤泥性質(zhì)顯著。籍此可以判斷：舟山海相吹填泥漿土粒骨架間的水膜較厚,各向異性的超載會加劇吹填料的體積變形,破壞粒間結(jié)構(gòu)、進(jìn)而引發(fā)不可逆的塑性剪切破壞。根據(jù)《吹填土地基處理技術(shù)規(guī)范》(GB/T 51064—2015)第5.5.6節(jié)規(guī)定：“吹填土地基處理方法的適用性應(yīng)根據(jù)吹填土性質(zhì)及分類,結(jié)合不同地基處理方法的工藝特點,按表5.5.6的規(guī)定判定?！盵6]表中明確判定淤泥質(zhì)土類和淤泥類宜用真空預(yù)壓法,且采用真空預(yù)壓排水固結(jié)技術(shù)后,在豎向排水體促動土粒骨架排水固結(jié)的同時,側(cè)限方向上骨架還受到負(fù)壓的保護(hù)與強(qiáng)化,從而在一定程度上避免了前述的固結(jié)階段的土樣剪切變形。

3.5 海相吹填泥漿化學(xué)成份分析

化學(xué)分析是了解海相吹填泥漿性能的一條關(guān)鍵途徑,由分析結(jié)果獲知該類非牛頓流體狀的吹填泥漿p H值為7.5,呈弱堿性;每千克吹填泥漿中的有機(jī)碳質(zhì)量為7.2 g;腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.8%;進(jìn)一步使用XRD衍射技術(shù)對泥漿樣本做半定量分析得知：試驗所用吹填泥漿總體屬于石英礦相,吹填料中伴有微量的鋁、鎂元素,在海底洋流作用下,易于和黏粒、膠粒結(jié)合形成硅酸鹽礦物碎屑[7]。

3.6 海相吹填泥漿骨架微觀結(jié)構(gòu)

絕大部分海洋圍墾區(qū)內(nèi)人工形成的地層其最初狀態(tài)多是泥漿、泥糊,含水率高、初始孔隙比大、欠固結(jié);特別是吹填料為河、湖、海相沉積物的情況,其土粒微團(tuán)天然呈絮凝狀,介觀尺度下的顆粒骨架多是“片架-片堆”結(jié)構(gòu)(圖2),極不穩(wěn)定;這類吹填土在初期沉靜完成并將表層積水排除后,會暫時表現(xiàn)為初固結(jié)軟泥狀態(tài),但這種狀態(tài)極不穩(wěn)定,只要外力稍加觸碰,其介觀結(jié)構(gòu)便會遭到破壞,軟泥表層下富含的自由重力水將四散逃逸[8],填料在宏觀尺度上再次轉(zhuǎn)化為未固結(jié)的泥漿、泥糊,此時,其強(qiáng)度便會徹底喪失,進(jìn)而由固體狀轉(zhuǎn)化為非牛頓流體狀。

同時,本文利用高真空電鏡掃描手段對海相吹填泥漿的微觀結(jié)構(gòu)做分析研究,依據(jù)圖3結(jié)果可見：100 nm尺度下,海相鹽類礦物(紅色圈注)與黏土礦物(藍(lán)色圈注)的界面非常清晰,黏土礦物微粒表面洋流劃痕亦很顯著,在二者界面位置處,若鹽類礦物出現(xiàn)降解、析出,則吹填物固相骨架將被局部化破壞,因而誘發(fā)土壤微觀結(jié)構(gòu)損傷,若不能夠及時地對固相骨架進(jìn)行固結(jié)主動使之產(chǎn)生壓縮變形(如采用真空負(fù)壓進(jìn)行固結(jié)),則吹填料的承載能力將會弱化[9]。

圖2 海相沉積物片架-片堆結(jié)構(gòu)Fig.2 The flocculated-dispersed structures of marine sediments(SEM pictures)

圖3 海相吹填泥漿SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM pictures of the marine dredged slurry

4 結(jié) 論

本文通過對長峙島海相吹填泥漿進(jìn)行物理化學(xué)及力學(xué)性能測試和分析,得出以下幾點結(jié)論：

1)鑒于研究區(qū)海相吹填泥漿含水率高、初始孔隙比大、初始極限抗剪強(qiáng)度低等不良的物理力學(xué)性能,用作圍海造陸的主材建議使用如真空預(yù)壓排水固結(jié)之類技術(shù)做專門處理后投入工程應(yīng)用;

2)研究區(qū)海相吹填泥漿的含鹽量高,且離子交換量偏大,致使此類海相吹填泥漿微觀顆粒被較厚的擴(kuò)散水膜所包圍,各向異性的超載會加劇吹填料的體積變形,破壞粒間結(jié)構(gòu),進(jìn)而引發(fā)不可逆的塑性剪切破壞;

3)本文實驗所用吹填泥漿海相性征顯著,肉眼即可辨別出大量的海洋生物活體及殘體,雖沒有被歸入有機(jī)類土,但其有機(jī)質(zhì)、腐殖酸等成份的含量亦較高,工程施工過程中應(yīng)對此問題加以重視;

4)天然狀態(tài)下研究區(qū)吹填泥漿的“片架-片堆”結(jié)構(gòu)特征極為顯著,微觀-介觀結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定,若鹽類礦物出現(xiàn)降解、析出,其固相骨架將被局部化破壞,因而誘發(fā)土壤微觀結(jié)構(gòu)損傷,若不能夠及時地對固相骨架進(jìn)行固結(jié)主動使之產(chǎn)生壓縮變形,則吹填料的承載能力將會弱化。

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Abstract：The analyses of physical chemistry and mechanical properties of marine dredged slurry in the sea area off the Changzhi Island of Zhoushan indicate that the marine dredged slurry has high water content rate,large initial void ratio and low initial limit shear strength,and that the salt content and the ion exchange capacity of the marine dredged slurry are so high that the micro-particles of the slurry are surrounded by a thicker diffusion water film.Because the water film between the soil particle skeletons is thicker,the anisotropy overloading will aggravate the volume deformation of the dredged materials and destroy the interparticle structure.In the case of natural state,the characteristics of flocculated-dispersed structures of the dredged slurry are extremely remarkable and the microscopic-mesoscopic structures are very unstable.If the saline minerals degrade and precipitate,the solid skeleton of the slurry will be destroyed locally.Through this study,the properties of the dredged slurry in the sea area off Changzhi Island could be understood and a scientific basis would be provided for the application of the vacuum preloading drainage consolidation technique to the regional sea reclamation projects.

Key words：sea reclamation;marine dredged slurry;properties;vacuum preloading

Received：June 3,2017

Study on Properties of Marine Dredged Slurry in the Zhoushan Offshore Area and Suggestions for Treatment Techniques

XIONG Zhan1,WANG Ming-yuan2,ZHU Xing1,SONG Yin-wei1,WANG You-bao1,WANG Ya-jun1,KE Jian-wei3,WANG Jin-bao1,MA Hui-biao1
(1.Harbor and Traffic Engineering Portage College,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China;2.Hydro China Huadong Engineering Corporation,Hangzhou 310012,China;3.Zhoushan Water Conservancy Survey and Design Institute,Zhoushan 316000,China)

TU411

A

1002-3682(2017)03-0058-06

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.03.008

2017-06-03

國家自然科學(xué)基金項目——基于模糊隨機(jī)損傷力學(xué)的混凝土高壩抗震安全評價研究(51109118);中國電建集團(tuán)華東水利水電勘測設(shè)計研究院基礎(chǔ)研究課題——圍海造路工程中大規(guī)模吹填泥漿快速排水固結(jié)技術(shù)的模型試驗與研究(21188006615)

熊 站(1994-),男,碩士研究生,主要從事海淤泥土固化方面研究.E-mail：287411661@qq.com

*通訊作者：王亞軍(1976-),男,副教授,博士,主要從事巖土工程力學(xué)方面研究.E-mail：aegis68004@163.com