吹填淤泥靜水沉積過(guò)程中的顆粒分選機(jī)理探討

周志彥 ，劉 鋒 ，徐桂中 ，唐 鵬

（1.江蘇鴻基巖土工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.宿遷市楚誠(chéng)置業(yè)有限公司，江蘇 宿遷 223955；3.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224055；4.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

我國(guó)每年都需要對(duì)境內(nèi)的各種水域進(jìn)行疏浚，產(chǎn)生大量的高含水率流態(tài)泥[1]。吹填淤泥進(jìn)入堆泥場(chǎng)后，在靜水沉積過(guò)程中會(huì)發(fā)生顆粒分選現(xiàn)象，導(dǎo)致土性沿深度分布不均[2～3]。因此，明確堆場(chǎng)吹填淤泥的工程特性的前提是了解其在靜水沉積過(guò)程中的顆粒分選規(guī)律。

很多學(xué)者在開(kāi)展吹填淤泥靜水沉積過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了顆粒分選現(xiàn)象[2,4]，總結(jié)后認(rèn)為，初始含水率越高，顆粒分選現(xiàn)象越顯著[5]。根據(jù)淤泥含水率由高到低，徐桂中等[6]將淤泥顆粒分選分為不分選階段、分選度增長(zhǎng)階段、分選度穩(wěn)定階段。Xu等[6]指出，土的液限越大，靜水沉積過(guò)程中泥漿越不易發(fā)生分選，根據(jù)土的液限將土樣分為易分選土樣、弱分選土樣和難分選土樣。

本研究對(duì)不同初始含水率吹填淤泥開(kāi)展靜水沉積試驗(yàn)，根據(jù)靜水沉積后淤泥的含水率、顆粒級(jí)配等沿高度的分布規(guī)律，明確靜水沉積下吹填淤泥的分選規(guī)律，了解分選后顆粒級(jí)配沿高度的分布特性，分析初始含水率對(duì)顆粒分選規(guī)律的影響，探討靜水沉積過(guò)程中顆粒分選的機(jī)理。

1 靜水沉積試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用取自江蘇淮安白馬湖地區(qū)的吹填淤泥，土樣基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。配置4組不同初始含水率的泥漿，初始含水率分別為液限的5倍、7.4倍、10.3倍、12.5倍。運(yùn)用水瓢將攪拌均勻的泥漿快速移入事先準(zhǔn)備好的沉降柱中，待沉降柱中的泥漿達(dá)到預(yù)定高度時(shí)，停止移入泥漿，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。沉降柱直徑12 cm，泥漿的初始高度均為45 cm。在泥漿移入沉降柱中后，泥漿表面會(huì)出現(xiàn)明顯的泥水分界面，記錄不同時(shí)間泥水分界面的高度。待沉積試驗(yàn)開(kāi)展2000 min左右，此時(shí)泥面沉降相對(duì)初期的沉降顯著較慢，結(jié)束試驗(yàn)。沉積完成后，清除沉降柱表層的覆水，并采用真空吸泥裝置將沉降柱中的土樣由上至下分層抽出，每層5 cm左右。對(duì)抽出的淤泥開(kāi)展含水率、液塑限、顆粒分析等測(cè)試，了解含水率、液塑限及顆粒級(jí)配等的分布情況。

表1 土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 靜水沉積過(guò)程中的泥面沉降規(guī)律

圖1為在泥面沉降量（s）～時(shí)間（t）坐標(biāo)系中，泥水分界面（簡(jiǎn)稱泥面）沉降量隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可知，當(dāng)初始含水率大于7倍液限時(shí)，泥面的沉降量在試驗(yàn)初期（試驗(yàn)開(kāi)展200 min內(nèi)）均隨時(shí)間呈線性增加，表明泥面等速沉降且沉降速率較大；在此之后，泥面沉降量瞬間變緩，沉降速率迅速降低，沉降曲線斜率變小，不同初始含水率泥漿泥面的沉降速率十分接近。當(dāng)初始含水率等于5倍液限時(shí)，整個(gè)沉降過(guò)程中泥面的沉降速率基本相同。

圖1 沉降曲線（s-t）

在泥漿沉積規(guī)律的研究中，一般認(rèn)為，泥面發(fā)生等速線性沉降是泥漿發(fā)生阻礙沉降的標(biāo)志[7,8]。此時(shí)，泥漿中的土顆粒相互間尚未接觸，土的初始骨架尚未形成。由此可見(jiàn)，對(duì)于本次試驗(yàn)，當(dāng)白馬湖淤泥的含水率分別大于7倍液限時(shí)，泥漿首先發(fā)生阻礙沉降。當(dāng)泥漿的含水率小于等于5倍液限時(shí)，泥漿進(jìn)入自重固結(jié)狀態(tài)。

2.2 靜水沉積后含水率分布規(guī)律

圖2為不同初始含水率淤泥沉積完成后含水率沿高度的分布規(guī)律，由圖可知，當(dāng)泥漿初始含水率為5倍液限時(shí)，淤泥的含水率沿深度略有降低，略小于初始含水率，但變化較小。由上述可知，當(dāng)吹填淤泥的初始含水率為5倍液限時(shí)，淤泥在初始狀態(tài)時(shí)已進(jìn)入自重固結(jié)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，泥漿由自重固結(jié)引起的含水率的降低相對(duì)較小，這與自重固結(jié)時(shí)，泥面的沉降量較小是一致的。當(dāng)初始含水率大于7倍液限時(shí)，沉積后淤泥的含水率沿高度的變化顯著大于初始含水率較小時(shí)，且隨高度的減小而迅速降低。初始含水率越高，沉積后的含水率沿深度變化越大。由上述現(xiàn)象可以推斷，由于自重固結(jié)時(shí)間較短，自重固結(jié)引起的泥漿的含水率的降低并不是上述泥漿含水率沿高度的顯著變化的主要原因。由下文中關(guān)于沉積后淤泥的顆粒分布規(guī)律可知，當(dāng)含水率高于7倍液限時(shí)，淤泥含水率沿深度發(fā)生顯著變化與淤泥發(fā)生顆粒分選密切相關(guān)。

圖2 靜水沉積后含水率沿高度的分布規(guī)律

2.3 靜水沉積過(guò)程中的顆粒分選規(guī)律

將吹填淤泥中的土顆粒分為＜0.002mm，0.002 mm～0.005 mm，0.005 mm～0.01 mm，0.01 mm～0.075 mm 四個(gè)粒組。由于本試驗(yàn)中所用各吹填淤泥土樣中大于0.075 mm顆粒的含量極低，所以沒(méi)有將大于0.075 mm顆粒作為單獨(dú)的粒組進(jìn)行分析。圖3為不同初始含水率時(shí)各粒組含量沿高度的變化規(guī)律。

圖3 不同初始含水率時(shí)各粒組含量沿高度的變化

由圖3可知，當(dāng)初始含水率為5倍液限時(shí)，四個(gè)粒組的顆粒均沿高度的變化較小，保持與泥漿初始狀態(tài)各粒組的含量一致。當(dāng)初始含水率分別大于等于7倍液限時(shí)，各組試驗(yàn)中，小于0.002 mm粒組、0.002 mm～0.005 mm粒組及0.005 mm～0.01 mm粒組的含量均隨高度的降低而降低，但0.01 mm～0.075 mm粒組，含量隨高度的降低而增加。由此可見(jiàn)，沉積過(guò)程中，粒徑大于0.01 mm顆粒相對(duì)于粒徑小于0.01 mm顆粒發(fā)生相對(duì)沉降。另外，由圖3可知，對(duì)于同一組試驗(yàn)，各粒組含量沿高度降低時(shí)，位置較高處各粒組含量隨高度的變化小于位置較低處的，即各粒組含量隨高度的變化率隨高度的降低而增加。由圖3可知，在同一高度處，初始含水率越高，小于0.002 mm粒組、0.002 mm～0.005 mm粒組及0.005 mm～0.01 mm粒組的含量均隨初始含水率的增加而增加，粒組0.01 mm～0.075 mm的含量隨初始含水率等增加而降低?，F(xiàn)有研究顯示，靜水沉積過(guò)程中的顆粒分選現(xiàn)象是由靜水沉積過(guò)程中小于0.01 mm顆粒與大于0.01 mm顆粒間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。由此可知，大于0.01 mm的粒組在沉積過(guò)程中相對(duì)于小于0.002 mm粒組、0.002 mm～0.005 mm粒組及0.005 mm～0.01 mm粒組發(fā)生相對(duì)下沉，導(dǎo)致分選現(xiàn)象的產(chǎn)生，與現(xiàn)有的研究結(jié)果一致。

3 顆粒分選機(jī)理探討

現(xiàn)有研究顯示，對(duì)于吹填淤泥而言，當(dāng)吹填淤泥的初始含水率較高時(shí)，泥漿在初始時(shí)刻發(fā)生阻礙沉降（泥漿處于懸浮狀態(tài)），在此過(guò)程中，顆粒發(fā)生分選現(xiàn)象。當(dāng)吹填淤泥的初始含水率較低時(shí)，泥漿在初始時(shí)刻已進(jìn)入自重固結(jié)狀態(tài)（土的初始結(jié)構(gòu)形成），沒(méi)有發(fā)生顆粒分選現(xiàn)象[7,8]。因此，靜水沉積過(guò)程中，分選現(xiàn)象能否發(fā)生的臨界狀態(tài)與土的初始結(jié)構(gòu)形成密切相關(guān)。由本次試驗(yàn)成果可知，當(dāng)初始含水率為5倍液限時(shí)，泥漿處于自重固結(jié)狀態(tài)，土的初始結(jié)構(gòu)已形成，所以未發(fā)生顯著的顆粒分選現(xiàn)象，但當(dāng)初始含水率大于7倍液限時(shí)，泥漿中出現(xiàn)了顯著顆分現(xiàn)象，由此表明，泥漿的初始含水率大于7倍液限時(shí)，泥漿處于懸浮狀態(tài)。對(duì)于發(fā)生顆粒分選的泥漿，由于顆粒分選的發(fā)生，導(dǎo)致土性的改變，因此，初始時(shí)刻的相對(duì)含水率（初始含水率與液限之比w0/wL）與沉積后各位置泥漿的相對(duì)含水率并不一致。

為了進(jìn)一步了解沉積后淤泥的相對(duì)含水率，圖4顯示了白馬湖淤泥的液限沿高度的變化。由圖4可知，初始含水率大于7倍液限時(shí)，泥漿沉積后的液限均沿高度的增加而增加。分析認(rèn)為，這是由粗顆粒沿高度的增加逐漸減小引起。初始含水率為5倍液限時(shí)，未發(fā)生顯著的顆粒分選現(xiàn)象，淤泥的液限未沿高度發(fā)生顯著變化，與沉積前原泥的液限相似。

圖4 不同初始含水率時(shí)液限的沿高度的分布規(guī)律

根據(jù)圖2及圖4所示數(shù)據(jù)，可以獲得沉積后淤泥的相對(duì)含水率沿高度的變化規(guī)律，見(jiàn)圖5。由圖5可知，在靜水沉積后，相對(duì)含水率沿高度的降低均呈略微降低的趨勢(shì)。

圖5 相對(duì)含水率沿高度的分布規(guī)律

分析認(rèn)為，相對(duì)含水率沿高度降低的原因與不同高度處淤泥發(fā)生不同程度的自重固結(jié)相關(guān)。高度較低處淤泥受到的上部自重壓力大，產(chǎn)生較大程度的自重固結(jié)，所以相對(duì)含水率較低。此外，圖5中顯示，相同高度處，沉積前泥漿的初始含水率越高，沉積后淤泥的相對(duì)含水率也越高，說(shuō)明沉積前淤泥的初始含水率是影響沉積后淤泥含水率的重要因素。分析認(rèn)為，沉積前淤泥的初始含水率越高，淤泥受到的上部自重壓力也越小，所以相同高度處淤泥自重固結(jié)程度就越小。

現(xiàn)有關(guān)于軟黏土壓縮特性方面的研究可知，初始含水率是影響土的壓縮特性的重要因素。初始含水率越高，相同壓力下，黏土固結(jié)后的孔隙比越大[9，10]。為了解本次研究中，淤泥沉積后的相對(duì)含水率是否受初始含水率的影響，沉積后淤泥的相對(duì)含水率與其液限的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 沉積后相對(duì)含水率隨液限的變化規(guī)律

由圖6可知，盡管沉積前淤泥的初始含水率不一致，但沉積后淤泥的相對(duì)含水率并不隨沉積后土樣的液限的變化而變化。盡管數(shù)據(jù)相對(duì)分散，但可以看出，相對(duì)含水率均在4倍～6倍液限間。如果不考慮沉積過(guò)程中自重固結(jié)作用對(duì)相對(duì)含水率的影響，可以認(rèn)為，沉積過(guò)程中，泥漿進(jìn)入自重固結(jié)時(shí)的含水率（土的初始結(jié)構(gòu)形成）在5倍液左右，與泥漿的初始含水率關(guān)系不密切。

4 結(jié)論

（1）泥漿處于自重固結(jié)狀態(tài)時(shí)，不會(huì)發(fā)生顆粒分選。當(dāng)泥漿的初始含水率大于5倍液限時(shí)，土樣發(fā)生顆粒分選現(xiàn)象。

（2）當(dāng)發(fā)生顆粒分選時(shí)，粒徑大于0.01 mm顆粒相對(duì)于粒徑小于0.01 mm顆粒發(fā)生相對(duì)下降，導(dǎo)致沉積后的泥漿含水率及液限等均沿高度降低。

（3）沉積過(guò)程中，泥漿進(jìn)入自重固結(jié)狀態(tài)時(shí)的含水率在5倍液限左右，與其沉積前的初始含水率關(guān)系不密切。