真空預(yù)壓處理高含水率疏浚泥室內(nèi)足尺大模型試驗(yàn)研究

王 山，梁廣雪，陳先勇，宋苗苗，姚 達(dá)

（1.江蘇禹衡工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 鹽城 224000；2.江蘇省鹽城水利建設(shè)有限公司，江蘇 鹽城 224014；3.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；4.江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

為保證水質(zhì)及通航能力，港口、河道等每年都要進(jìn)行疏浚清淤，從而產(chǎn)生數(shù)億方的高含水率疏浚泥［1］。和天然沉積土不同，疏浚泥通常呈流動(dòng)狀態(tài)，其含水率可高達(dá)300%，工程性質(zhì)極差，基本無承載力，故難以直接利用而需進(jìn)行處理［2］。

對疏浚泥進(jìn)行處理和資源化利用前，通常需先采取一定的工程措施以降低其含水率。其中，真空預(yù)壓處理法具有造價(jià)低、快捷、加固效果良好等特點(diǎn)，是目前常用的疏浚泥加固措施［3-5］。采用真空預(yù)壓法處理高含水率疏浚泥時(shí)，塑料排水板常被作為豎向排水通道，以加快疏浚泥中水分的快速排出，達(dá)到工程所需的性能要求。真空預(yù)壓法處理高含水率疏浚泥后，疏浚泥固結(jié)沉降量可達(dá)到甚至超過1 m，使得排水板多呈彎曲狀態(tài)，這一現(xiàn)象已被實(shí)際工程所證實(shí)［6］。國內(nèi)外學(xué)者基于理論分析、室內(nèi)小模型試驗(yàn)和現(xiàn)場觀測，探討了排水板彎曲對真空預(yù)壓處理效果的影響，并取得了一些有價(jià)值的研究成果［6-11］。如王婧等［7］通過人為將塑料排水板彎曲，分析了排水板彎曲對通水量的影響，指出排水板芯板、濾膜及彎折形式是影響排水板通水量的主要因素；孫立強(qiáng)等［8］通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，塑料排水板的裙曲和折斷變形將使其失去排水通道。需要注意的是，由于室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽邕h(yuǎn)小于實(shí)際工程規(guī)模，故較難全面反映實(shí)際工程中塑料排水板彎曲對真空預(yù)壓加固疏浚泥效果的影響。而現(xiàn)場實(shí)測中，由于場地環(huán)境復(fù)雜、施工等因素的影響，較難對排水板的彎曲進(jìn)行詳細(xì)的觀測。

室內(nèi)足尺大模型試驗(yàn)，不僅可避免因模型尺寸縮小引起的偏差，同時(shí)，和現(xiàn)場測試相比，可更好控制試驗(yàn)條件，減少外界環(huán)境因素對試驗(yàn)結(jié)果的干擾。為了明確塑料排水板彎曲對真空預(yù)壓處理高含水率疏浚泥效果的影響，本文對真空預(yù)壓法處理高含水率疏浚泥開展了室內(nèi)足尺大模型試驗(yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果，首先研究了真空預(yù)壓過程中塑料排水板的彎曲形態(tài)，并對塑料排水板產(chǎn)生彎曲的原因進(jìn)行了分析；之后，結(jié)合塑料排水板中真空度分布、疏浚泥泥面沉降量以及處理后疏浚泥中的含水率分布，探討了塑料排水板彎曲對真空預(yù)壓處理高含水率疏浚泥效果的影響，以期為實(shí)際工程中高含水率疏浚泥的加固處理提供借鑒。

1 室內(nèi)大模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的液限為58.3%的疏浚泥，與宋苗苗等［12］研究中所用疏浚泥的基本物理性質(zhì)相同，故在此不再一一詳述。

試驗(yàn)所用塑料排水板為SPB-B型排水板，其基本性質(zhì)如表1所示。由表1可知，塑料排水板性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求。

表1 塑料排水板基本特性

1.2 試驗(yàn)方案

實(shí)際工程中塑料排水板聯(lián)合真空預(yù)壓處理高含水率疏浚泥，其地基承載力與工后沉降主要受地表下3～4 m土層力學(xué)性質(zhì)的影響［8］。已有實(shí)際工程的研究表明，采用真空預(yù)壓法加固疏浚泥時(shí)常用的塑料排水板間距為0.7～1.2 m［13-17］，故本文研究將采用高度和直徑分別為300 cm和120 cm的自制模型槽開展試驗(yàn)，以盡量與實(shí)際工程工況相符。試驗(yàn)時(shí)將塑料排水板底端固定在裝置上，從而可保證泥漿加入過程中塑料排水板始終位于模型槽的中心位置。其中，塑料排水板的長度為295 cm。為了了解處理過程中，排水體中真空度的變化規(guī)律，在排水體內(nèi)部沿排水體深度方向5 cm、50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、250 cm共布置了6個(gè)真空度測試探頭。為了了解處理過程中泥面的沉降規(guī)律，在疏浚泥表面中心位置及距中心30 cm的對稱位置分別布置位移傳感器。

對實(shí)際工程中所采用的真空預(yù)壓系統(tǒng)進(jìn)行簡化，獲得大模型試驗(yàn)所用的真空預(yù)壓系統(tǒng)。其中，真空泵用來施加真空壓力，最大可施加98 kPa的真空壓力；真空飽和缸用來分離土中水和氣。該裝置不僅可防止孔隙水進(jìn)入真空泵，同時(shí)還可通過真空壓力表實(shí)時(shí)獲得施加的真空壓力值。

采用水力疏浚產(chǎn)生的泥漿其含水率一般在1.5～3倍液限［2］，故本文大模型試驗(yàn)中采用的疏浚泥含水率為147%（2.5倍液限）。試驗(yàn)前將現(xiàn)場取回的疏浚泥攪拌均勻，測定其初始含水率，并根據(jù)目標(biāo)含水率、初始含水率以及模型試驗(yàn)所需泥漿質(zhì)量，計(jì)算需外加的蒸餾水質(zhì)量，并在加入蒸餾水后再次將泥漿攪拌均勻；之后，將滿足質(zhì)量要求的雙層密封袋放入模型桶內(nèi)，并將塑料排水板、測試元器件以及固定裝置一起放入模型桶內(nèi)；最后，使用真空泵將攪拌均勻的泥漿抽入室內(nèi)大模型槽中，并取不同泵送時(shí)刻的泥漿測定其含水率，即為試驗(yàn)?zāi)酀{的實(shí)際含水率。待泥漿達(dá)到設(shè)定高度后，將密封袋扎緊并用玻璃膠密封，以保證真空預(yù)壓試驗(yàn)過程中疏浚泥處于密封狀態(tài)。

此外，試驗(yàn)過程中對疏浚泥泥面沉降量和真空度分布進(jìn)行監(jiān)測，待泥面沉降量小于1 mm/d時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，對處理后不同位置的疏浚泥含水率進(jìn)行取樣測試。具體取樣位置為深度方向10 cm、30 cm、50 cm、100 cm、150 cm，水平方向距排水體5 cm、10 cm、30 cm、40 cm，共20個(gè)位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 塑料排水板形態(tài)

圖1為真空預(yù)壓試驗(yàn)前后塑料排水板的形態(tài)。和試驗(yàn)前相比，真空預(yù)壓試驗(yàn)后塑料排水板自上而下發(fā)生了明顯的彎曲變形。根據(jù)彎曲程度的不同，將試驗(yàn)后塑料排水板的彎曲分為彎折型彎曲和非彎折型彎曲。其中，發(fā)生彎折型彎曲時(shí)塑料排水板在折角位置出現(xiàn)小面積的濾膜破損和排水通道破壞，但整體并未完全折斷；對于非彎折型彎曲，塑料排水板主要發(fā)生可恢復(fù)的彎曲變形，從外表未發(fā)現(xiàn)明顯的濾膜和排水通道損壞。

同時(shí)，圖1（b）中自上而下排水板的第一個(gè)彎折型彎曲出現(xiàn)在約80 cm處。這主要是由于淺層的疏浚泥排水路徑相對較短，在真空預(yù)壓處理前期將產(chǎn)生更大的固結(jié)沉降，和塑料排水板間產(chǎn)生較大的相對變形。此時(shí)塑料排水板露出疏浚泥表面，在摩阻力、密封膜密封等的作用下發(fā)生彎折型彎曲。隨著真空預(yù)壓處理的持續(xù)進(jìn)行，深層疏浚泥的固結(jié)沉降量繼續(xù)增加，同時(shí)真空預(yù)壓固結(jié)將引起土體向內(nèi)的變形，對塑料排水板施加側(cè)向的土壓力。二者共同作用下使塑料排水板在約150 cm和250 cm處又出現(xiàn)了第二個(gè)和第三個(gè)彎折型彎曲，且二者之間還出現(xiàn)多處的非彎折型彎曲（圖1（e））。其中，第三個(gè)彎折型彎曲的出現(xiàn)可能還與塑料排水板底端在試驗(yàn)過程中始終固定在模型槽中心位置有關(guān)。此外，由圖1（c）～（d）還可以發(fā)現(xiàn)，排水板在真空預(yù)壓處理過程發(fā)生了一定程度的水平向偏移。造成這一現(xiàn)象的原因可能是真空負(fù)壓作用下疏浚泥的表面沉降并不完全是均勻的，且疏浚泥在真空負(fù)壓作用下在一定深度范圍內(nèi)還將產(chǎn)生一定量的水平位移。但整體而言，塑料排水板的彎曲變形沿疏浚泥在全深度都有分布，具體出現(xiàn)的彎曲變形類型則受疏浚泥固結(jié)沉降量、真空預(yù)壓處理時(shí)間等因素的影響。

圖1 排水板形態(tài)

2.2 真空度

真空預(yù)壓處理過程中，真空度的分布對疏浚泥的加固效果具有重要的影響。圖2為真空預(yù)壓處理過程中排水板不同深度處的真空度。由圖2可知，抽真空開始后排水板不同深度處的真空度很快上升到70 kPa以上，并保持一段時(shí)間的穩(wěn)定，但沿深度發(fā)生了一定程度的衰減，即由5 cm處的86 kPa降低為250 cm處的約73 kPa。這主要是由于真空預(yù)壓過程中排水板的彎折、井阻效應(yīng)及堵塞等均會影響真空負(fù)壓沿排水板深度的傳遞，這一現(xiàn)象已被室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)等所證實(shí)［8，17，19］。但整體上真空度的降低幅度約為5 kPa/m，這和劉志中等［19］通過理論分析建議的設(shè)計(jì)計(jì)算值相一致。由此可見，本研究的大模型試驗(yàn)結(jié)果可較好地反映實(shí)際工程。

同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著真空預(yù)壓時(shí)間的增加，排水板不同深度的真空度出現(xiàn)了兩次較大幅度的降低。在真空預(yù)壓處理30 d時(shí)，不同深度處的真空度開始出現(xiàn)了降低，并在真空預(yù)壓50～60 d重新穩(wěn)定。其中，150 cm、200 cm和250 cm處的真空度下降幅度大于淺部（5 cm，50 cm，100 cm）。結(jié)合圖4中排水板的形態(tài)，可推知造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于真空預(yù)壓早期淺層土體的固結(jié)較快，相應(yīng)的固結(jié)沉降量也較大。隨著淺層土體不斷沉降和發(fā)生向內(nèi)的水平位移，使排水板在約80 cm處產(chǎn)生彎折型彎曲（圖1（b）），真空度向土層深處的傳遞受阻。由于位于淺層土體內(nèi)的排水板主要發(fā)生非彎折型彎曲（圖1（c）和（d）），故淺層排水板中的真空度降低幅度較小。之后，隨著土體真空預(yù)壓固結(jié)的繼續(xù)發(fā)展，在100 d左右排水板深處（100 cm，200 cm）的真空度發(fā)生了第二次降低，下降了約6 kPa。這可能是由于在真空預(yù)壓后期，疏浚泥產(chǎn)生大量的固結(jié)沉降，從而使排水板發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致真空傳遞不暢。此外，在排水板200 cm和250 cm深度處真空度降低到約50 kPa，降低幅度達(dá)到30%。這與夏玉斌和陳允進(jìn)［18］等通過現(xiàn)場試驗(yàn)測定的結(jié)果相一致。由此可見，采用真空預(yù)壓處理高含水率疏浚泥時(shí)，排水板彎曲引起的真空度衰減不可忽略。

2.2 真空度

真空預(yù)壓處理過程中，真空度的分布對疏浚泥的加固效果具有重要的影響。圖2為真空預(yù)壓處理過程中排水板不同深度處的真空度。由圖可知，抽真空開始后排水板不同深度處的真空度很快上升到70 kPa以上并保持一段時(shí)間的穩(wěn)定，但沿深度發(fā)生了一定程度的衰減，即由5 cm處的86 kPa降低為250 cm處的約73 kPa。這主要是由于真空預(yù)壓過程中排水板的彎折、井阻效應(yīng)及堵塞等均會影響真空負(fù)壓沿排水板深度的傳遞，這一現(xiàn)象已被室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)等所證實(shí)［8，17，19］。但整體上真空度的降低幅度約為5 kPa/m，這和劉志中等［19］通過理論分析建議的設(shè)計(jì)計(jì)算值相一致。由此可見，本研究的大模型試驗(yàn)結(jié)果可較好地反映實(shí)際工程。

圖2 排水板不同深度處真空度

同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)隨著真空預(yù)壓時(shí)間的增加，排水板不同深度的真空度出現(xiàn)了兩次較大幅度的降低。在真空預(yù)壓處理30 d時(shí)，不同深度處的真空度開始出現(xiàn)了降低，并在真空預(yù)壓50～60 d左右重新穩(wěn)定。其中，150 cm、200 cm和250 cm處的真空度下降幅度大于淺部（5 cm，50 cm，100 cm）。結(jié)合圖4中排水板的形態(tài)，可推知造成這一現(xiàn)象的原因可能是真空預(yù)壓早期淺層土體的固結(jié)較快，相應(yīng)的固結(jié)沉降量也較大。隨著淺層土體不斷沉降和發(fā)生向內(nèi)的水平位移，使排水板在約80 cm處產(chǎn)生彎折型彎曲（圖1（b）），真空度向土層深處的傳遞受阻。由于位于淺層土體內(nèi)的排水板主要發(fā)生非彎折型彎曲（圖1（c）和（d）），故淺層排水板中的真空度降低幅度較小。之后，隨著土體真空預(yù)壓固結(jié)的繼續(xù)發(fā)展，在100 d左右排水板深處（100 cm，200 cm）的真空度發(fā)生了第二次降低，下降了約6 kPa。這可能是由于在真空預(yù)壓后期，疏浚泥產(chǎn)生大量的固結(jié)沉降，從而使排水板發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致真空傳遞不暢。此外，在排水板200 cm和250 cm深度處真空度降低到約50 kPa，降低幅度達(dá)到30%。這與夏玉斌等［20］等通過現(xiàn)場試驗(yàn)測定的結(jié)果相一致。由此可見，采用真空預(yù)壓處理高含水率疏浚泥時(shí)，排水板彎曲引起的真空度衰減不可忽略。

2.3 泥面沉降量

圖3為泥面沉降量隨真空預(yù)壓時(shí)間的變化曲線。在真空預(yù)壓初期，疏浚泥的滲透系數(shù)和疏浚泥中的真空壓力相對都較大，且排水板中的真空度沿深度衰減幅度較小，故在這一階段疏浚泥的泥面沉降量隨真空預(yù)壓時(shí)間快速發(fā)展。該階段持續(xù)到真空預(yù)壓約60 d，產(chǎn)生了約75 cm的固結(jié)沉降量。這與圖1和圖2中第一個(gè)彎折型彎曲出現(xiàn)的位置和真空預(yù)壓時(shí)間基本一致，由此可見前述對第一個(gè)彎折型彎曲產(chǎn)生原因的分析是合理的。

圖3 泥面沉降量隨真空預(yù)壓時(shí)間的變化曲線

之后，隨著疏浚泥固結(jié)度的增加，其滲透系數(shù)逐漸減低［18，21］。同時(shí)疏浚泥淺層第一個(gè)彎折型彎曲的出現(xiàn)也使排水板中真空度的傳遞受阻，故疏浚泥的固結(jié)速率減慢，相應(yīng)的泥面沉降量增加幅度減緩。但整體而言，第二和第三個(gè)彎折型彎曲的出現(xiàn)并未引起該階段沉降速率的顯著變化。且和快速沉降階段相比，第二階段土體的固結(jié)沉降量約為30 cm，為疏浚泥泥面總沉降量的30%左右。由此可見，當(dāng)采用塑料排水板聯(lián)合真空預(yù)壓處理高含水率疏浚泥時(shí)，在快速沉降階段抑制排水板彎折型彎曲的出現(xiàn)，將更有助于提升加固處理效果。

2.4 加固后疏浚泥含水率

含水率是評價(jià)土體固結(jié)程度的重要指標(biāo)，為進(jìn)一步明確排水板彎曲對疏浚泥真空預(yù)壓加固效果的影響，在真空預(yù)預(yù)壓結(jié)束后測定疏浚泥不同位置處的含水率，結(jié)果如圖4所示。相同深度處，處理后疏浚泥的含水率隨著距排水板水平距離的增加而逐漸增大，且增加幅度逐漸減小。這主要是由于距排水板越遠(yuǎn)，疏浚泥的排水路徑越長，相同真空預(yù)壓時(shí)間下土中自由水排出量也越小。同時(shí)，真空度在水平方向傳遞過程中也存在一定程度損失，二者共同作用使得距排水板越遠(yuǎn)處疏浚泥的含水率越高，加固效果相對較差。

圖4 真空預(yù)壓處理后疏浚泥中的含水率分布

在距排水板相同水平距離處，疏浚泥含水率隨深度增加整體表現(xiàn)出增大的變化趨勢。由于塑料排水板在越150 cm處出現(xiàn)彎折型彎曲，從而阻礙了排水板中真空向土層深處的傳遞，故疏浚泥含水率在約50 cm處出現(xiàn)了明顯的增加。且隨著疏浚泥距排水板的距離增加到40 cm，不同深度處疏浚泥含水率的差值可達(dá)到了27%。即當(dāng)疏浚泥深度越深，距排水板距離越遠(yuǎn)時(shí)，真空度沿深度損失對疏浚泥加固效果削弱越明顯。由此可見，當(dāng)采用塑料排水板聯(lián)合真空預(yù)壓加固高含水率疏浚泥時(shí)，減少排水板的彎曲有助于提高有效加固深度。

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)足尺大模型試驗(yàn)，通過測定真空預(yù)壓過程中排水板中的真空度分布、泥面沉降量，以及試驗(yàn)后排水板形態(tài)和疏浚泥的不排水抗剪強(qiáng)度，研究了塑料排水板聯(lián)合真空預(yù)壓處理高含水率疏浚泥的加固效果，并分析了塑料排水板彎曲對真空預(yù)壓法處理疏浚泥效果的影響，得到結(jié)論如下：

（1）真空預(yù)壓處理高含水率疏浚泥時(shí)，塑料排水板將產(chǎn)生彎折型彎曲和非彎折型彎曲，且彎折型彎曲出現(xiàn)的位置隨真空預(yù)壓時(shí)間的增加逐漸向塑料排水板下部移動(dòng)。其中，彎折型彎曲處排水板的濾膜和排水通道將出現(xiàn)一定程度的損壞；非彎折型彎曲沿疏浚泥在全深度都有分布，具體出現(xiàn)的彎曲變形類型則受疏浚泥固結(jié)沉降量、真空預(yù)壓處理時(shí)間等因素的影響。

（2）真空預(yù)壓初期，排水板中的真空度沿疏浚泥深度發(fā)生了一定程度的衰減，其降低幅度約為5 kPa/m。隨著真空預(yù)壓時(shí)間的進(jìn)一步增加，排水板中彎折型彎曲的出現(xiàn)將引起排水板不同深度處真空度的較大幅度降低，且150 cm、200 cm和250 cm處的真空度下降幅度大于淺部（5 cm，50 cm，100 cm）。其中，排水板彎曲引起排水板在200 cm和250 cm深度處真空度的降低幅度可達(dá)到30%。此外，排水板中第一個(gè)彎折型彎曲的出現(xiàn)還將引起疏浚泥泥面沉降速率和泥面沉降量增加幅度的降低。

（3）相同深度處，真空預(yù)壓處理后疏浚泥的含水率隨距排水板水平距離的增加而逐漸增大，且增加幅度逐漸減小。同時(shí)，在距排水板相同水平距離處，疏浚泥含水率隨深度增加整體表現(xiàn)出增大的變化趨勢，且增加幅度在排水板第一個(gè)彎折型彎曲附近開始出現(xiàn)增大。