注漿振搗法對PVD 淤堵特性影響試驗研究

徐 力，許士偉，王子晴，章迪康

（1.溫州市甌飛經(jīng)濟(jì)開發(fā)投資有限公司，浙江 溫州 325025；2.江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；3.浙江工貿(mào)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，浙江 溫州 325000）

1 引言

圍海吹填造地已成為解決我國沿海城市土地資源短缺的主要方式，不僅提供寶貴的生存空間和土地資源，還對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用。但是吹填淤泥土體性質(zhì)較差，不能立即在開墾的土地上進(jìn)行工程建設(shè)，這是由于疏浚淤泥具有含水量高、壓縮性高、不排水抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)低、滲透性低等特點，不能承受上部結(jié)構(gòu)甚至施工設(shè)備施加的荷載[1-2]，同時在工程實踐中也存在諸多問題。

真空預(yù)壓是疏浚淤泥改良的有效方法之一，具有施工簡單、周期短、成本低等優(yōu)點。真空預(yù)壓技術(shù)最初是在20 世紀(jì)50 年代初由Kjellman[3]提出用于改善軟土的技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N成熟而有效的技術(shù)。由于預(yù)制垂直排水管（PVD）具有排水效果好、施工方便、造價低等優(yōu)點，目前在真空預(yù)壓工程應(yīng)用中最為廣泛。

在疏浚淤泥中插入板狀PVD，對其施加一定真空負(fù)壓后，會在土體中產(chǎn)生真空吸力，加速超孔隙水壓力的消散，排出孔隙水。隨著真空固結(jié)的進(jìn)行，一方面疏浚淤泥會受到壓縮，插在軟土中的PVD 發(fā)生明顯彎曲，導(dǎo)致排水通道截面減小，最終導(dǎo)致真空預(yù)壓效率降低[4]。另一方面，疏浚后的土顆粒非常細(xì)小，會堵塞PVD 的過濾孔。此外，細(xì)顆粒土在真空負(fù)壓的作用下向PVD 移動和聚集，在PVD 周圍形成致密的不透水層從而造成PVD 淤堵，形成土柱[5]。針對以上問題，沈洪忠[6]采用低位真空預(yù)壓法，提高真空壓力傳遞效率，加速排水固結(jié)。李麗慧[7]采用立體式真空預(yù)壓法，通過鋪設(shè)多層排水管，減少真空傳遞損失。章定文等[8]通過增加氣壓劈裂系統(tǒng)，在土中形成裂隙，增加深層軟土的滲透性，提高深層軟土的真空傳遞效率。孫立強(qiáng)等[9]和 WANG 等[10]分別通過兩階段抽真空和二次插板的方式，使土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，緩解因土顆粒移動造成的淤堵效應(yīng)。還有眾多學(xué)者通過添加鋁鹽、褐煤、聚丙烯酰胺（PAM）、石灰等絮凝劑對土體進(jìn)行改性，促使土顆粒絮凝成團(tuán)，提高土體滲透系數(shù)[11-13]，但是沒有結(jié)合真空預(yù)壓。武亞軍等[14]和LEI 等[15]結(jié)合真空預(yù)壓，雖然緩解了土體淤堵，提高了土體的固結(jié)效果，但是需要用到大量絮凝劑，成本比較高。蔡袁強(qiáng)等[16]用PIV 和PTV 技術(shù)對土柱形成機(jī)理進(jìn)行研究，研究表明，3～27 h 內(nèi)吹填淤泥與PVD 徑向距離r在[0，35）mm 范圍內(nèi)，單元不再發(fā)生徑向和豎向位移，是土柱的內(nèi)部。所以本文預(yù)先在計劃插入PVD 的位置注漿，然后機(jī)械攪拌，最后插入PVD 進(jìn)行抽真空試驗。采用直徑為100 mm 的攪拌機(jī)進(jìn)行振搗攪拌，所以理論上認(rèn)為，絮凝劑的影響范圍為直徑100 mm 的圓柱體，從而確定絮凝劑摻入量。同時，為了探究不注漿和注漿后是否振搗對于緩解PVD 淤堵現(xiàn)象的影響大小，對照組包括疏浚淤泥無注漿、注漿后不振搗和注漿后振搗共3 組對比試驗。絮凝劑采用石灰-APAM 復(fù)合絮凝劑，石灰的摻入比（干重比）為1.5%，APAM 摻入比為0.1%[16]，其原理是復(fù)合絮凝劑能夠溶解孔隙水的鈣離子并通過置換土顆粒表面的單價陽離子，使得土顆粒表面擴(kuò)散層厚度變薄進(jìn)而產(chǎn)生絮凝并形成團(tuán)粒，然后APAM 的官能團(tuán)能夠吸附土顆粒并架橋成較大的團(tuán)粒，從而增加土體的孔隙率和滲透性，進(jìn)而提高土體的真空固結(jié)效率[17-19]。注漿后振搗的原理是使絮凝劑更均勻地與土體接觸，在PVD 周圍形成滲透性高、孔隙率大的均勻土體，提高注漿效果，減少PVD 淤堵，使真空吸力可以傳向遠(yuǎn)處土體，提高真空固結(jié)效果。試驗結(jié)束后，通過對比分析土體的表面沉降、超孔隙水壓力和十字板強(qiáng)度等，確定最優(yōu)試驗方案，從而指導(dǎo)工程并應(yīng)用于工程實踐中。

2 試驗介紹

2.1 試樣制備

采集溫州市甌飛區(qū)域某工程吹填現(xiàn)場的吹填淤泥作為試樣，制配成含水率105%的重塑土，均勻攪拌后，檢測其含水率、液限、塑限等基本物理參數(shù)（見表1）。

表1 試樣的主要物理參數(shù)表

根據(jù)試驗方案要求，配制相應(yīng)的APAM 和Ca（OH）2溶液，用注漿儀器進(jìn)行注漿。

2.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

本文采用1.2 m×0.6 m×0.6 m（長×寬×高）的有機(jī)玻璃箱，其中排水板寬度100 mm，厚度5 mm，排水板等效直徑按公式（1）確定：

式中：d為等效直徑，mm；b為排水板寬度，mm；δ為排水板厚度，mm。

模型試驗裝置由矩形有機(jī)玻璃箱、排水體系、真空泵、真空表、孔壓計和測量體系組成（見圖1）。排水體系由整體式排水板和抽水管組成，連接到抽真空裝置；測量體系由安裝在有機(jī)玻璃箱內(nèi)的微型孔壓計、真空探頭和位移計組成，位移計測量泥面沉降量，真空探頭測量不同深度土體中的真空度，孔壓計測量與PVD 不同徑向距離處的孔隙水壓力值；振搗裝置采用直徑為100 mm 攪拌機(jī)；注漿儀器用自制注漿機(jī)（見圖2）。

圖1 試驗?zāi)Ｐ蛨D

圖2 注漿機(jī)圖

2.3 試驗方案

為探究疏浚淤泥無注漿（T1）、注漿后不振搗（T2）和注漿后振搗（T3）分別對緩解PVD 淤堵效應(yīng)的差異，本文進(jìn)行3 組試驗，每組試驗大約持續(xù)80 d。

2.4 試驗程序

2.4.1 組裝試驗?zāi)Ｐ?/p>

首先，將孔壓計放置在自制小型抽真空裝置中，施加-90 kPa 真空壓力持續(xù)72 h，目的是將孔壓計中透水石里面的空氣排出，從而保證被測土體孔壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其次，將真空探頭分別固定在PVD 長度中間處，測量土體中真空壓力數(shù)值。然后，用注漿儀器將復(fù)合絮凝劑漿液注入土體中，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。最后，將PVD 插到預(yù)先計算的位置。

將空隙水壓力計置于泥面深度300 mm 且與PVD 徑向距離分別為50、150、250 mm 處，用剪裁好的土工膜在有機(jī)玻璃箱中對土體進(jìn)行密封。

2.4.2 設(shè)置加載系統(tǒng)

將PVD 與外面的抽水瓶通過定制接頭相連，抽水瓶另一個接頭與真空泵連接，向模型裝置中施加-90 kPa 真空吸力進(jìn)行真空預(yù)壓。在已密封的泥面頂部放置用于測量沉降的位移計，并記錄初始數(shù)值。

2.4.3 試驗過程監(jiān)測

試驗過程中記錄沉降量、土體側(cè)向位移、真空度及計算機(jī)采集的孔隙水壓力數(shù)值。真空固結(jié)一段時間后，超孔隙水壓力變化較小、沉降不再明顯變化且排水小于100 g/d 時停止抽真空。其中，在真空預(yù)壓過程中測量土體的側(cè)向位移，測量與PVD徑向距離為20 cm 不同深度處土體的含水率和十字板剪切強(qiáng)度。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 超孔隙水壓力

注漿聯(lián)合振搗的方式加速土體超孔隙水壓力的消散且消散值較大，與PVD 不同徑向距離（r）處的超孔隙水壓力值隨時間的變化見圖3。

圖3 超孔隙水壓力隨時間變化圖

當(dāng)r=5 cm 時，T3 的超孔隙水壓力最終消散值分別是T1、T2 的2.30 倍、1.50 倍；當(dāng)r=15 cm 時，T3 的超孔隙水壓力最終消散值分別為T1、T2 的2.50 倍、1.50 倍；當(dāng)r=25 cm 時，T3 的超孔隙水壓力最終消散值分別為T1、T2 的2.40 倍、1.70 倍。這表明，超孔隙水壓力的最終消散值與PVD 徑向距離呈負(fù)相關(guān)，并且經(jīng)過振搗后的T3 可以加大超孔隙水壓力的消散。這是由于絮凝劑的作用可促使淤泥細(xì)粒凝聚成團(tuán)，降低顆粒黏性、增大滲透性，有效緩解真空預(yù)壓過程中PVD 淤堵現(xiàn)象，擴(kuò)大真空負(fù)壓的傳遞距離，從而使超孔隙水壓力更好地消散[14]，而經(jīng)過振搗的絮凝劑可以更均勻地與土體接觸，提高絮凝效果。

3.2 表面沉降

注漿聯(lián)合振搗的方式相對來說很大程度上緩解了PVD 周圍土柱的形成，與PVD 不同徑向距離處的土體表面沉降值隨時間的變化見圖4。

圖4 土體表面沉降值隨時間變化圖

當(dāng)r=5 cm 時，T3 的表面沉降值是T1、T2 的1.18 倍、1.35 倍；當(dāng)r=15 cm 時，T3 的表面沉降值是T1、T2 的1.16 倍、1.25 倍；當(dāng)r=25 cm 時，T3 的表面沉降值是T1、T2 的1.06 倍、1.00 倍。T3 中r=5 cm 處的表面沉降值分別是r=15 cm、r=25 cm 處的0.95 倍、0.94 倍，這表明在PVD 徑向距離上幾乎沒有土柱形成，說明注漿聯(lián)合振搗對于緩解PVD 周圍土柱的形成具有明顯效果。

3.3 含水率

在真空預(yù)壓過程中，真空度會沿著PVD 深度方向衰減，其主要原因是細(xì)顆粒土透過PVD 的濾膜進(jìn)入排水通道中，造成PVD 淤堵，影響真空吸力向下傳遞，導(dǎo)致底部土體的含水率較高，T1、T2 和T3 不同深度土體的含水率見圖5。

圖5 含水率隨深度變化圖

T3 表面土體含水率為底部的0.86 倍，T2 表面土體含水率是底部的0.82 倍，T1 表面土體含水率是底部的0.77 倍，倍數(shù)越大表明上下土體的含水率越相似，深層土體的真空固結(jié)效果越好。同時，T3 表面土體的含水率分別為T1、T2 的0.93 倍、0.95倍，底部土體含水率分別為T1、T2 的0.83 倍、0.91倍，倍數(shù)越小，表示含水率差距越大，土體的真空固結(jié)效果差距越大。T2 和T3 比T1 的真空固結(jié)效果好，是因為摻入石灰和APAM 后，土顆粒絮凝形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，并通過長分子鏈的APAM 官能團(tuán)吸附土顆粒并架橋成較大的團(tuán)粒，從而增加孔隙率和滲透性，減少細(xì)小顆粒向PVD 方向移動，緩解PVD 內(nèi)部排水通道的淤堵，可以提高真空固結(jié)效率[17-18]。而T3 比T2 含水率低，是因為經(jīng)過振搗后絮凝劑能夠更均勻地與土體發(fā)生反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高土體的真空固結(jié)效果。

3.4 十字板剪切強(qiáng)度

試驗結(jié)束后，拆除土體表面覆蓋的黑色土工膜，對與PVD 徑向距離為20 cm 不同深度處的土體進(jìn)行十字板剪切試驗，T1、T2 和T3 的抗剪強(qiáng)度隨深度變化見圖6。

圖6 抗剪強(qiáng)度隨深度變化圖

T3 表面土體的抗剪強(qiáng)度分別是T1、T2 的1.24倍、1.12 倍，底部的抗剪強(qiáng)度分別是T1、T2 的1.50、1.20 倍，倍數(shù)越大表明抗剪強(qiáng)度差值越大，T3 的真空固結(jié)效果越好。同時，T1 頂部土體的抗剪強(qiáng)度是底部的2.40 倍，T2 頂部土體的抗剪強(qiáng)度是底部的2.30 倍，T3 頂部土體的抗剪強(qiáng)度是底部土體的2.10 倍，倍數(shù)越大表明上下土體抗剪強(qiáng)度差值越大，下部土體的加固效果越差。T3 的抗剪強(qiáng)度高是由于經(jīng)過攪拌后的絮凝劑可以更好地與土體接觸，土體顆粒間排斥力相對減少，使得土體顆粒間黏結(jié)作用增強(qiáng)，最終使土體的抗剪強(qiáng)度提高[16]。

3.5 真空度徑向距離分布

真空預(yù)壓結(jié)束后，在深度方向30 cm，與PVD不同徑向距離處的真空度見圖7。

圖7 真空度隨PVD 徑向距離變化圖

當(dāng)r=5 cm 時，T1、T2、T3 的真空度分別損失10%、15%、25%；當(dāng)r=15 cm 時，T1、T2、T3的真空度分別損失13%、23%、33%；當(dāng)r=25 cm時，T1、T2、T3 的真空度分別損失27%、71%、74%。由此可知，真空度在PVD 徑向距離的傳遞過程中，徑向距離越遠(yuǎn)，其衰減值越大。T2 和T3 在徑向距離25 cm 處真空度的衰減值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于T1，這說明經(jīng)過注漿后的土體顆粒絮凝形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土體滲透性增大，能較大程度地提高真空預(yù)壓加固效果。T3 真空度衰減值比T2 大是由于經(jīng)過振搗后的絮凝劑可以更均勻地與土體接觸，進(jìn)一步減少PVD 周圍淤堵現(xiàn)象，使土體的真空固結(jié)效果進(jìn)一步提升。

4 結(jié)論

通過設(shè)計3 組試驗，研究疏浚淤泥無注漿、注漿后不振搗和注漿后振搗對緩解PVD 淤堵和提高土體固結(jié)效果的影響，對比分析試驗數(shù)據(jù)后得出以下結(jié)論：

（1）注漿可以緩解PVD 淤堵現(xiàn)象，T3 在與PVD 徑向距離為5、15、25 cm 處表面沉降值分別為158、164、168 mm，并且分別是T2 的1.19倍、1.16 倍、1.10 倍，這表明注漿后振搗比注漿后不振搗可以更好地緩解PVD 淤堵，提高真空固結(jié)效果。

（2）注漿后振搗使絮凝劑更好地與土體發(fā)生反應(yīng)，在PVD 周圍形成均勻的滲透性更高的土體，減少PVD 淤堵，使真空吸力更好地向遠(yuǎn)處土體傳遞，提高排水速率。

（3）采用局部注漿的方法可以在很大程度上節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)可行，并且振搗方式簡單易操作，可應(yīng)用于工程實踐中。