網(wǎng)狀排水體負(fù)壓下處理圍堰袋裝淤泥試驗(yàn)研究

吳躍東，顧建玲，郭旺旺，許 偉

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098；3.中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司，上海 200070)

隨著圍海造陸技術(shù)的發(fā)展[1]，我國(guó)基建對(duì)土資源的需求日益增加。目前廣泛運(yùn)用的圍堰工程技術(shù)——膜袋砂圍堰[2]采用土工編織袋作為包裹體，充填料為滲透性較大的砂土，能較好地增強(qiáng)地基圍堰整體的整體性和安全系數(shù)[3]。但是隨著砂土資源緊張、價(jià)格上漲，必須盡快尋找出代替砂土的充填料。另一方面，城市海湖清淤等工程產(chǎn)生大量的疏浚淤泥，當(dāng)前處理的方法十分不經(jīng)濟(jì)、不環(huán)保。若將淤泥灌入膜袋再利用為圍堰膜袋充填料，這樣既可以緩解砂土資源緊缺的問(wèn)題，又可以實(shí)現(xiàn)淤泥“變廢為寶”。本文采用最常用的直排式排水體，同時(shí)考慮到豎向排水板彎折嚴(yán)重問(wèn)題，提出一種新型水平網(wǎng)狀式排水體聯(lián)合真空預(yù)壓處理膜袋淤泥的施工工藝，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析兩種排水體的處理效果?？紤]到淤泥具有黏性高、滲透性差等工程性質(zhì)，將絮凝技術(shù)[4-5]引入此工藝中，分析絮凝劑的添加對(duì)兩種排水體聯(lián)合真空預(yù)壓處理膜袋淤泥的固結(jié)效果，最終證明了該工藝的可行性和有效性。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 排水體的構(gòu)造及工作機(jī)理

目前處理軟土地基最常用的是直排式真空預(yù)壓法[6]，它是將排水板與濾管進(jìn)行綁扎連接形成水平排水通道，繼而將濾管與集水管連接，集水管再與真空泵連接，如圖1(a)所示。本文對(duì)照試驗(yàn)的另一種方法是改進(jìn)真空預(yù)壓法[7]，它是通過(guò)密封接頭將排水板直接與排氣排水管連接，排氣排水管再與真空泵連接，如圖1(b)所示。將這兩種方法引入處理膜袋淤泥中，隨著固結(jié)的進(jìn)行，膜袋最終會(huì)趨于扁平，橫截面類似于扁平的長(zhǎng)方形，并考慮到水平排水板相較于豎向排水板在處理軟土?xí)r能有效改善板材出現(xiàn)彎折的問(wèn)題[8]，于是在膜袋中將排水板布置為平行于橫截面。

圖1 真空預(yù)壓法Fig.1 Vacuum preloading method

本文將真空預(yù)壓處理膜袋淤泥中排水體分成兩種：第一種(以下簡(jiǎn)稱普通直排式)基于直排式真空預(yù)壓法，試驗(yàn)布置如圖2(a)所示；第二種(以下簡(jiǎn)稱新型網(wǎng)狀式)基于改進(jìn)真空預(yù)壓法，考慮到隨著固結(jié)的進(jìn)行，排水板存在錯(cuò)位、彎折等現(xiàn)象，因此為了更好地固定排水板位置、保持原有形狀，將其預(yù)制為縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀型，試驗(yàn)布置如圖2(b)所示。

圖2 試驗(yàn)布置Fig.2 Test arrangement

在普通直排式排水體中，排水板材料選用傳統(tǒng)的SPB-B普通型排水板，其具有凹凸結(jié)構(gòu)，凹面不透水，凸面透水，芯板和濾膜分開；在新型網(wǎng)狀式排水體中，排水板材料選用SPB-B新型整體式排水板，濾膜采用親水性材料，容易降解，避免地基污染，且無(wú)凹凸結(jié)構(gòu)，可根據(jù)試驗(yàn)效果調(diào)節(jié)孔徑，大大提高了透水性能，可有效防止淤堵，其濾膜與芯材軋?jiān)谝黄?，提高排水板?qiáng)度，防止濾膜破損，有利于提高真空度傳遞能力，降低了真空荷載的沿程損失，進(jìn)而增加了土體有效應(yīng)力，對(duì)土體起到固結(jié)作用。

1.2 吹填淤泥土基本性質(zhì)

本文試驗(yàn)吹填淤泥土取自福建莆田石門澳真空預(yù)壓處理軟基現(xiàn)場(chǎng)。在泵入膜袋內(nèi)之前，在淤泥攪拌池經(jīng)攪拌裝置將其均勻攪拌，通過(guò)室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)最終測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 福建莆田吹填淤泥土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.3 絮凝劑

本試驗(yàn)選用產(chǎn)自河南鞏義市的絮凝劑聚合氯化鋁PAC。絮凝劑是一種高分子聚合物，被廣泛應(yīng)用于水處理工程中[7]，絮凝劑主要有兩個(gè)作用：第一，使懸浮的微小粒徑顆粒抱團(tuán)形成絮團(tuán)；第二，增大大粒徑顆粒絮團(tuán)間的孔隙，滲透系數(shù)也得以提升，改善了排水板及濾管周圍存在的絮團(tuán)問(wèn)題。目前陽(yáng)離子無(wú)機(jī)高分子絮凝劑聚合氯化鋁[9](PAC)是最常用的凈水劑，它的優(yōu)點(diǎn)在于易溶于水，有很強(qiáng)的吸附能力，并有很大的比表面積，在水解過(guò)程中伴隨發(fā)生電化學(xué)、凝聚、吸附和沉淀等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，因此能將水中的許多負(fù)電荷顆粒從水中沉淀出來(lái)，從而起到凈化作用，具有一定的環(huán)保效益。PAC處理后水的pH值變小，鋁與鹽分殘留量小，利于回用；并且其原材料生產(chǎn)成本低，絮凝速度快，比傳統(tǒng)低分子絮凝劑用量少。

2 施工工藝設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

2.1 水平網(wǎng)狀排水體圍堰工藝流程

本文設(shè)計(jì)了一種新型水平網(wǎng)狀排水體聯(lián)合真空預(yù)壓處理袋裝淤泥圍堰工藝，具體包括以下步驟：

(1)根據(jù)放樣，在地基表面鋪設(shè)若干數(shù)量的防滲土工膜袋，中間采用復(fù)合密封膜，土工膜袋上部需要至少2個(gè)袖口，袖口直徑不小于15 cm。

(2)將塑料排水板橫縱交叉預(yù)制成網(wǎng)狀型，排水板數(shù)量及尺寸均可根據(jù)膜袋尺寸、施工工期等要求具體而定，網(wǎng)狀塑料排水板可用連接繩使其懸置于膜袋中間高度，使膜袋內(nèi)各處淤泥固結(jié)均勻。

(3)通過(guò)混合器設(shè)備將吹填淤泥和絮凝劑溶液同時(shí)泵入膜袋內(nèi)，可從多個(gè)袖口沿不同方向同時(shí)泵入，在進(jìn)行抽真空前，應(yīng)絮凝若干小時(shí)待淤泥黏性降低，這樣不易產(chǎn)生淤堵。

(4)待網(wǎng)狀排水板與無(wú)孔真空濾管通過(guò)密封連接裝置連接、所有袖口均綁扎密封后，開啟真空泵逐漸將膜袋內(nèi)淤泥水分排出，膜袋內(nèi)淤泥固結(jié)完成80%左右，便可進(jìn)行第二次復(fù)充，若沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)的固結(jié)度，則繼續(xù)真空排水。

(5)經(jīng)若干次復(fù)充、排水固結(jié)后，量測(cè)袋內(nèi)固化土是否滿足充填厚度要求，若不滿足，則繼續(xù)復(fù)充、排水固結(jié)，若滿足膜袋內(nèi)充填土厚度要求，則進(jìn)行下一個(gè)土工膜袋的充填、固結(jié)。

(6)各土工膜袋充填料滿足固結(jié)度和充填厚度要求后，在填筑時(shí)將上層膜袋填筑在下層的縫隙中間，袋與袋之間錯(cuò)峰排列并相互嵌固，直到膜袋高度達(dá)到圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)高，形成膜袋圍堰主體結(jié)構(gòu)。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所研究的變量為排水體類別和絮凝劑PAC的摻量(以試驗(yàn)用的吹填淤泥的量為百分比進(jìn)行摻加)。如表2所示，共開展7組對(duì)比試驗(yàn)，其中包括3組普通直排式和4組新型網(wǎng)狀式(其中1組不加絮凝劑作為空白對(duì)照組)。上述7組對(duì)比試驗(yàn)中所用的淤泥，是上述現(xiàn)場(chǎng)取樣的靜置2 d后的吹填淤泥土，其靜置后的含水率為70%，體積均為1 000 L，同時(shí)填充的膜袋規(guī)格均相同：長(zhǎng)為20 dm、寬為10 dm、高為5 dm，真空排水固結(jié)時(shí)間均為7 d。

表2 真空預(yù)壓處理袋裝淤泥試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于上述試驗(yàn)方案，通過(guò)兩種排水體和不同絮凝劑PAC摻量聯(lián)合真空預(yù)壓處理袋裝淤泥后，其含水率、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均會(huì)有不同程度的變化。本文通過(guò)含水率試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)來(lái)反映兩種排水體和不同絮凝劑PAC摻量對(duì)真空預(yù)壓處理袋內(nèi)淤泥的加固效果。

3.1 含水率試驗(yàn)

在利用真空預(yù)壓處理袋裝淤泥時(shí)，淤泥的固結(jié)本質(zhì)上是隨著吹填淤泥的孔隙水排出，超孔隙水壓力消散，從而有效應(yīng)力增加，淤泥強(qiáng)度便隨之提高，達(dá)到了加固的目的。因此對(duì)于同一初始含水率的淤泥試樣，通過(guò)測(cè)定真空預(yù)壓處理后的淤泥含水率可反映固結(jié)過(guò)程中排出的水量，從而反映出淤泥加固的效果。

由圖3可知：兩種排水體固結(jié)后的淤泥含水率隨著絮凝劑的添加都下降了15%左右(下降比例基準(zhǔn)值是最少摻量，普通直排式為0.1%，新型網(wǎng)狀式為0.0%，下同)。原因是絮凝劑的添加增大了大粒徑顆粒絮團(tuán)間的孔隙，降低了淤泥的黏性使?jié)B透系數(shù)得以提升，促使土體孔隙水壓力的消散，在一定時(shí)間內(nèi)孔隙水排出量更多，使得真空預(yù)壓處理袋內(nèi)淤泥效果更佳。

圖3 淤泥固結(jié)后含水率與PAC摻量的關(guān)系Fig.3 Relationship between water content and PAC content of silt after consolidation

比較相同絮凝劑添加量情況下的淤泥固結(jié)后的含水率，新型網(wǎng)狀式相比于普通直排式淤泥固結(jié)后含水率均減少了24%左右，即新型網(wǎng)狀式加固膜袋淤泥的效果要優(yōu)于普通直排式排水體。原因是新型整體式排水板相比普通型排水板滲透系數(shù)更大，防淤堵效果好，能更好克服滲流阻力和排水困難。

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

淤泥經(jīng)過(guò)固結(jié)處理后，通常剪切破壞發(fā)生時(shí)土體變形極小，因此試驗(yàn)中通常采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)定淤泥固結(jié)效果的指標(biāo)[10]，因此通過(guò)測(cè)定真空預(yù)壓處理后的淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可反映加固的效果。

由圖4可知：兩種排水體固結(jié)后的淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著絮凝劑的添加都有不同程度的提高：普通直排式約為20%，新型網(wǎng)狀式約為25%。這說(shuō)明淤泥中摻絮凝劑有利于真空預(yù)壓過(guò)程中孔隙水的排出，并在一定范圍內(nèi)隨著絮凝劑的摻量增加效果更佳。原因是絮凝劑的加入使其內(nèi)部的極性基團(tuán)能與淤泥膠質(zhì)微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，凝聚形成大顆粒絮團(tuán)[11]，改善土體的滲透性，使得濾管和排水板的淤堵狀況大大改善，真空度在土體與排水體的傳遞效率提高，膜袋土體得到了有效加固。

圖4 淤泥固結(jié)后抗壓強(qiáng)度與PAC摻量的關(guān)系Fig.4 Relationship between compressive strength and PAC content of silt after consolidation

比較相同絮凝劑添加量情況下的淤泥固結(jié)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，新型網(wǎng)狀式比普通直排式固結(jié)后的強(qiáng)度提高了約32%。原因是新型網(wǎng)狀式縮短了真空傳遞路徑，有效改善真空度在路徑傳遞中的損失，普通直排式真空能量大部分集中在濾管中，而新型網(wǎng)狀式真空能量可直接傳遞至排水板中，且能有效改善普通直排式中排水板與濾管發(fā)生的淤堵問(wèn)題，使得膜袋土體加固效果更佳。

3.3 直接剪切試驗(yàn)

由庫(kù)侖定律可知，土的抗剪強(qiáng)度公式為τ=c+σtanφ，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ對(duì)工程活動(dòng)具有重要意義。絮凝材料能與土體發(fā)生一系列物理化學(xué)作用，改變土顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)等方式，繼而影響其顆粒級(jí)配及滲透性，從而影響抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。本文通過(guò)直接剪切試驗(yàn)來(lái)繪制出抗剪強(qiáng)度線如圖5和圖6所示，直線的傾角即為所求土的內(nèi)摩擦角φ，直線與坐標(biāo)縱軸的截距即為土的黏聚力c。

圖5 固結(jié)淤泥抗剪強(qiáng)度與PAC摻量關(guān)系(普通直排式)Fig.5 Relationship between shear strength and PAC content of consolidated silt (straight-line)

圖6 固結(jié)淤泥抗剪強(qiáng)度與PAC摻量關(guān)系(新型網(wǎng)狀式)Fig.6 Relationship between shear strength and PAC content of consolidated silt (new mesh-type)

由表3可知：兩種排水體固結(jié)后的淤泥抗剪強(qiáng)度隨著絮凝劑的添加而不斷上升：普通直排式中內(nèi)摩擦角增加了27.7%、黏聚力增加了67.1%；新型網(wǎng)狀式中內(nèi)摩擦角增加了24.6%、黏聚力增加了46.5%。這說(shuō)明淤泥中摻入絮凝劑主要提高了土顆粒間的靜電力、膠結(jié)作用等，而對(duì)土顆粒間的摩擦作用影響較小。原因是加入高分子類絮凝劑，其內(nèi)部的極性基團(tuán)能與淤泥膠質(zhì)微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，中和微粒表面的電荷，提高了土顆粒間的靜電力與膠結(jié)作用。

表3 淤泥固結(jié)后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值

比較0.3%絮凝劑摻量條件下，新型網(wǎng)狀式相比于普通直排式淤泥固結(jié)后抗剪強(qiáng)度峰值黏聚力增長(zhǎng)了54.30%，內(nèi)摩擦角相差不大，說(shuō)明在真空預(yù)壓處理膜袋內(nèi)淤泥工藝中，新型網(wǎng)狀式排水體能更有效地改善排水板和濾管的淤堵問(wèn)題，使真空能量在傳遞過(guò)程中得到有效保證，使得膜袋土體孔隙水快速排出，土體得到了有效加固。

4 結(jié)論

1)基于直排式真空預(yù)壓法(普通直排式)，和基于改進(jìn)真空預(yù)壓法(新型網(wǎng)狀式)兩種排水體聯(lián)合真空預(yù)壓處理膜袋淤泥對(duì)比試驗(yàn)可知，新型網(wǎng)狀式相比于普通直排式排水體處理效果更佳，原因是新型網(wǎng)狀式能更有效地改善排水的淤堵問(wèn)題，減少真空度在傳遞過(guò)程的損失，加快土體孔隙水的排出。

2)絮凝劑的添加可有效降低淤泥的黏性，提升淤泥的滲透性，使得真空預(yù)壓處理袋裝淤泥效果更佳。在0.0%～0.3%的添加范圍內(nèi)，隨著絮凝劑PAC摻量的增加而效果更佳，不僅含水率明顯下降，且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和直剪強(qiáng)度均得到了提高。

3)經(jīng)分析得到本次試驗(yàn)最佳組合為：合理密度的預(yù)制網(wǎng)狀新型整體式水平排水板直接與排氣排水管連接(新型網(wǎng)狀式排水體)和淤泥固體顆粒含量0.3%的絮凝劑PAC摻量。