分級真空預(yù)壓法處理疏浚淤泥的三維數(shù)值分析

劉洪波，周衛(wèi)東，張志鵬

（1、廣州環(huán)投增城環(huán)保能源有限公司 廣州 511335；2、廣州環(huán)保投資集團(tuán)有限公司 廣州 510330；3、上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 上海 200444）

近年來，疏浚工程廣泛開展于開挖新航道、清理現(xiàn)有港口、疏通河道與渠道等工程中，疏浚出來的疏浚淤泥可用于吹填造陸或填海等工程中。然而，疏浚淤泥大多由細(xì)土顆粒、水、有機(jī)物以及重金屬組成，具有高含水率，高壓縮性且基本無抗剪強(qiáng)度的特點(diǎn)［1］。因此，需要對疏浚淤泥處理后才能便于運(yùn)輸和后期的利用。真空預(yù)壓作為一種有效的疏浚淤泥處理方式已在工程實(shí)踐中被運(yùn)用［2］，但在處理過程中細(xì)顆粒會向排水板遷移，導(dǎo)致排水板附近形成淤堵層或堵塞排水板濾膜，使得真空預(yù)壓法處理效果受限［3-5］。

為解決真空預(yù)壓過程中的淤堵問題，已有學(xué)者提出采用分級真空預(yù)壓法來處理疏浚淤泥。YUAN 等人［6］研究發(fā)現(xiàn)，通過采用逐級施加真空荷載的方式處治疏浚淤泥可以有效緩解真空預(yù)壓過程中排水板淤堵的情況，同時(shí)可以改善處理后土體的均勻性。武亞軍等人［7］通過開展不同初始真空荷載下流泥加固的室內(nèi)模型試驗(yàn)，從機(jī)制上探討了初始真空荷載對分級真空預(yù)壓法加固效果的影響。LIU 等人［8］通過三組不同真空梯度下的分級真空預(yù)壓法的室內(nèi)模型試驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)20 kPa 的真空梯度下，分級真空預(yù)壓法效果最優(yōu)，40～50 kPa 的真空梯度下，分級真空預(yù)壓法處理后土體排水最多。

除通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式來探究真空預(yù)壓法的加固機(jī)理外，采用數(shù)值模擬軟件建模分析也是一種有效的探究微觀加固機(jī)制方式。INDRARATNA［9-10］結(jié)合改進(jìn)的Cam-Clay 模型，描述了預(yù)制垂直排水板處理的軟粘土的數(shù)值模擬中考慮了排水-土壤界面不飽和度的影響。SHI等人［11］采用離散元對真空預(yù)壓過程中的排水板濾膜堵塞問題進(jìn)行微觀數(shù)值分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膜上薄而密的土層是造成排水板堵塞的原因。雷華陽等人［12］采用PFC2D軟件探究了不同顆粒組成土體的真空預(yù)壓試驗(yàn)的顆粒流微觀模擬，從微觀角度對其加固機(jī)理進(jìn)行解釋。并且還探究了交替式真空預(yù)壓法中顆粒的移動情況，發(fā)現(xiàn)土顆粒的交替式運(yùn)動有效破除了淤堵層，有效抑制了“土柱”的形成。

綜上可知，為解決真空預(yù)壓過程中的淤堵問題，已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)分級真空預(yù)壓法能緩解真空預(yù)壓處理過程中淤堵層的形成，且大多是從宏觀指標(biāo)驗(yàn)證該工法加固的有效性，鮮有從微觀角度分析其加固機(jī)理。針對上述問題，本文采用顆粒流軟件PFC3D建立三維模型，從微觀角度分析分級施加真空壓力對真空預(yù)壓過程影響以及顆粒遷移的機(jī)理解釋。

1 數(shù)值模擬過程

1.1 數(shù)值模擬方案

本文建立的三維模型尺寸及顆粒級配等都參照了劉飛禹等人［13］進(jìn)行的分級真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲法中分級真空預(yù)壓試驗(yàn)部分。寬度參照一般整體式排水板寬度10 cm 進(jìn)行建模，具體模型尺寸如圖1 所示，其中長度為14 cm，寬度為10 cm，高度為18 cm。分級真空預(yù)壓的模擬試驗(yàn)共設(shè)置4組，如表1所示。

圖1 模型尺寸Fig.1 Model Size

表1 數(shù)值模擬方案Tab.1 Numerical Simulation Scheme

其中T1 為對照組，在計(jì)算步長至300 萬步時(shí)，土體孔隙率基本趨于穩(wěn)定，故以300 萬步為基準(zhǔn)進(jìn)行T2～T4 分級時(shí)間點(diǎn)，數(shù)值模擬中分級的時(shí)間點(diǎn)參照文獻(xiàn)［13］中的分級真空預(yù)壓時(shí)間點(diǎn)。T2-T4 皆計(jì)算至遠(yuǎn)離排水板處監(jiān)測點(diǎn)的孔隙率趨于穩(wěn)定時(shí)停止，由于試驗(yàn)初期采用低真空壓力進(jìn)行排水，故采用分級真空預(yù)壓法的模擬組別計(jì)算步長皆大于T1 對照組。T4 組別在0～120萬步時(shí)施加20 kPa的真空壓力，在120萬～220萬步時(shí)施加40 kPa的真空壓力，在220萬～600萬步時(shí)施加80 kPa的真空壓力，其余組別同理進(jìn)行真空壓力的施加。

1.2 模型建立

采用PFC3D5.0 軟件建立模型，分析了分級真空預(yù)壓下土顆粒遷移的規(guī)律。室內(nèi)試驗(yàn)中采用疏浚淤泥進(jìn)行試驗(yàn)，而疏浚淤泥包括粒徑小于0.005 mm 的黏粒，由于軟件的單元尺寸限制，若采用真實(shí)的黏粒顆粒大小生成三維顆粒，會導(dǎo)致生成的顆粒數(shù)目巨大而超出計(jì)算機(jī)計(jì)算能力范圍，從而無法進(jìn)行模擬計(jì)算，故實(shí)際的土顆粒大小無法取到實(shí)際的黏粒大小，而應(yīng)進(jìn)行相同倍數(shù)的放大?？紤]到模型的尺寸大小，最終將土顆粒進(jìn)行400 倍的放大，并且簡化土顆粒的顆粒級配分布，將黏粒粒徑小于0.005 mm的土顆粒都看作為0.005 mm，其余部分的粉粒粒徑范圍為0.005～0.02 mm，黏粒與粉粒的百分含量參照文獻(xiàn)［12］在室內(nèi)試驗(yàn)疏浚淤泥顆粒級配，分別為35%與65%，土體生成的孔隙率為0.7，不同粒徑的顆粒位置隨機(jī)分布。

在模型中，采用球單元（Ball）來模擬土顆粒，用墻單元（Wall）來模擬邊界，用流體（Fluid）來模擬土中的水。模型中將左邊界看作排水板的位置，根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)置不同的流體梯度來模擬不同真空負(fù)壓，右邊界統(tǒng)一設(shè)置為0 kPa，上下邊界與前后邊界不施加真空荷載，作為不透水邊界。模擬考慮真空壓力下土體徑向固結(jié)作用，探究顆粒在真空壓力下的遷移規(guī)律，未對重力影響進(jìn)行分析。接觸模型采用線性模型，數(shù)值模擬材料參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬材料參數(shù)Tab.2 Numerical Simulation of Material Parameters

2 數(shù)值模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 顆粒分布與移動情況

各組數(shù)值模擬試驗(yàn)中不同時(shí)刻土顆粒的分布情況與顆粒移動速度變化分別如圖2、圖3 所示，分別選取計(jì)算時(shí)步在120 萬步、220 萬步與最終結(jié)束狀態(tài)進(jìn)行分析。首先，從土顆粒的分布情況來看，真空預(yù)壓初期采用低真空度進(jìn)行的組別其顆粒遷移現(xiàn)象較不明顯，這是由于較小的真空壓力減緩了土顆粒的遷移現(xiàn)象。其次，從3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)土顆粒的分布情況可知，各組試驗(yàn)組土顆粒在不同真空壓力下分別進(jìn)行了不同程度的遷移，T1 到達(dá)最終平穩(wěn)狀態(tài)所需的時(shí)間最短，但其最終土顆粒分布的間距最大，一方面是因?yàn)門1 計(jì)算時(shí)間步短，另一方面是由于T1 真空預(yù)壓初期采用高真空度會導(dǎo)致細(xì)顆粒遷移，遠(yuǎn)離排水板側(cè)土體大顆粒間缺乏細(xì)顆粒填充，導(dǎo)致顆粒間距較大。

圖2 不同時(shí)刻土顆粒分布Fig.2 Soil Particle Distribution at Different Times

此外，由圖3 也可看出真空預(yù)壓過程中土顆粒的運(yùn)動變化規(guī)律。由于模型為三維模型，故需要對模型進(jìn)行切片處理，使之轉(zhuǎn)化為二維圖片，各組長方體模型均沿模型寬度中心進(jìn)行切片，圖中黑色顆粒部分代表顆粒移動速度緩慢，白色部分代表顆粒移動速度較快。在120 萬步時(shí)，T1 中靠近排水板處的土顆粒移動速度普遍較低，這是由于在高真空壓力下顆粒間移動速度較快，在120萬步時(shí)顆粒之間已相互接觸，顆粒間發(fā)生碰撞與擠壓，導(dǎo)致移動速度變緩；而其余組別顆粒間距仍較大，在移動過程中顆粒擠壓現(xiàn)象不明顯，故還具有較大的移動速度。隨著計(jì)算時(shí)步的增加，各組靠近排水板處的土顆粒移動速度都有不同程度減小，其中真空度越高，移動速度緩慢的土顆粒數(shù)量越多。

圖3 不同時(shí)刻土顆粒移動速度變化Fig.3 Variation of Soil Particle Movement Velocity at Different Times

最后，在最終狀態(tài)時(shí)各組土顆粒均已完成遷移并趨于穩(wěn)定，其中采用分級真空壓力的試驗(yàn)組在真空預(yù)壓初期顆粒遷移速度緩慢，導(dǎo)致靠近排水板處土顆粒較少，有助于減緩淤堵層的形成，而初期采用高真空度的T1 試驗(yàn)組淤堵層形成時(shí)間較早，故分級真空預(yù)壓處理疏浚淤泥時(shí)，用排水通道的暢通來增加排水效果［14］。

2.2 靠近排水板處土體孔隙率變化

靠近排水板處測量圓監(jiān)測到的土體孔隙率變化曲線如圖4 所示。通過研究土體孔隙率的變化，可以間接反映真空預(yù)壓過程中土體滲透路徑的大小與長短變化。土體孔隙率大，說明土體中滲透路徑寬大，真空預(yù)壓排水通道暢通，反之孔隙率較小時(shí)，說明土體中滲透路徑短小，土中水分排出困難。首先，各組模擬試驗(yàn)初始孔隙率均靠近土體整體孔隙率0.7，這是由于土體顆粒分布不均勻，局部孔隙率與土體整體孔隙率接近但有微小偏差，且測量圓的半徑也對孔隙率的監(jiān)測偏差存在一定影響，測量圓半徑越大則與土體實(shí)際孔隙率越接近。

圖4 靠近排水板處孔隙率變化曲線Fig.4 Porosity Curve near Drainage Plate

其次，各組孔隙率在真空壓力作用下都逐漸下降，且計(jì)算步長為300萬步時(shí)都趨于穩(wěn)定，且各組孔隙率在前期下降速度較快而后期下降速度變緩，這是因?yàn)槟Ｐ椭蓄w粒之間存在一定距離，前期在真空壓力作用下顆粒相互靠近，導(dǎo)致孔隙率下降速度較快；而后期顆粒間相互接觸與碰撞，顆粒之間在移動的過程中尋找接觸更為緊密的方式，故孔隙率下降速度緩慢并最終趨于穩(wěn)定。

此外，與靠近排水板處孔隙變化規(guī)律相似，孔隙率在前期下降速度較快，后期速度變緩，且與排水板距離越近，其孔隙率衰減的時(shí)間越早，這是由于靠近排水板處真空度大。最后，通過對比各組模擬組別孔隙率下降趨勢來看，采用分級真空預(yù)壓的孔隙率下降速度緩于常規(guī)真空預(yù)壓，而采用三級真空壓力加載方式的T4 其孔隙率下降最緩，說明分級真空預(yù)壓中排水通道暢通時(shí)間更久，能有效緩解淤堵層形成，且分三級施加優(yōu)于二級施加的方式。

2.3 靠近筒壁處土體孔隙率變化

靠近筒壁處測量圓監(jiān)測到的土體孔隙率變化曲線如圖5 所示。首先，各組試驗(yàn)孔隙率在整體趨勢都呈現(xiàn)為減小的趨勢，但在真空預(yù)壓初期孔隙率存在先減小后增大的現(xiàn)象。這是由于真空預(yù)壓前期靠近排水板的土體率先向土體運(yùn)動，隨后真空壓力向遠(yuǎn)離排水板位置處傳遞，伴隨著遠(yuǎn)處顆粒逐漸向排水板處移動，真空預(yù)壓前期測量圓內(nèi)顆粒整體移動速度較緩，等測量圓左側(cè)靠近排水板處的土顆粒完成遷移后會導(dǎo)致測量圓內(nèi)土體顆粒速度加快，顆粒移動出測量圓的顆粒數(shù)目大于進(jìn)入測量圓內(nèi)的顆粒數(shù)目，故會導(dǎo)致土樣孔隙率增大現(xiàn)象。其次，由于前期采用低真空度的T2～T4，其靠近筒壁處孔隙率趨于穩(wěn)定所需時(shí)間較長，但最終孔隙率各組相差不大，這說明采用分級施加真空壓力的方式，對土體中最終的孔隙率造成的差異較小，但若處理相同時(shí)間，分級真空預(yù)壓的孔隙率大于常規(guī)真空預(yù)壓，說明分級真空預(yù)壓有助于減緩淤堵層形成，這與試驗(yàn)得到的結(jié)果一致［15］。

圖5 靠近筒壁處孔隙率變化曲線Fig.5 Porosity Curve near the Wall of the Cylinder

此外，各組模擬試驗(yàn)的土體孔隙率大幅度減少均發(fā)生在真空預(yù)壓處理前期，而后期孔隙率下降幅度較不明顯。最后，T1試驗(yàn)組由于全程采用80 kPa的真空壓力進(jìn)行處理，故其孔隙率下降速度最快，且其到達(dá)平穩(wěn)的狀態(tài)也最早，說明靠近排水板處土體顆粒接觸更為緊密，從而導(dǎo)致淤堵層形成。相對而言，采用分級真空預(yù)壓的T2～T4則能減緩淤堵層的形成。

2.4 靠近排水板處黏粒含量變化

靠近排水板處測量圓監(jiān)測到的土體黏粒含量變化曲線如圖6所示。通過監(jiān)測土體不同位置處黏粒含量的變化，可以獲得真空預(yù)壓中細(xì)顆粒的遷移規(guī)律，以此探究真空預(yù)壓過程中淤堵層的形成機(jī)理。首先，由于模型整體黏粒含量設(shè)置為35%，而測量圓內(nèi)所測得的初始黏粒含量為32.5%，這是因?yàn)闇y量圓只監(jiān)測模型局部的黏粒含量，而黏粒與粉粒在模型整體分布不均勻，故初始黏粒含量有一定偏差，但在合理范圍之內(nèi)。其次，在計(jì)算步長為120萬步之內(nèi)，黏粒含量有較大幅度的變化，這是由于模型生成的顆粒之間間距較大，在真空壓力作用下顆粒向排水板處遷移，導(dǎo)致測量圓內(nèi)顆粒數(shù)目增多，故黏粒含量變化較為顯著。

圖6 靠近排水板處黏粒含量變化曲線Fig.6 The Variation Urve of Clay Content near the Drainage Plate

此外，隨著計(jì)算步長的增加，黏粒含量趨于穩(wěn)定，其中T1 最快達(dá)到穩(wěn)定，且在120 萬步時(shí)T1 組別的黏粒含量最高，說明高真空壓力有助于細(xì)顆粒的遷移，且在真空壓力處理過程初期就已經(jīng)完成大部分細(xì)顆粒的遷移；相對而言采用分級真空預(yù)壓的T2～T4 黏粒含量分別有略微增加，其中采用20 kPa 的T2 和T4 在120 萬步時(shí)黏粒含量為33.1%，小于T1 黏粒含量的36.6%。

最后，對比各組真空預(yù)壓結(jié)束時(shí)黏粒含量可知，采用分級真空預(yù)壓的T2～T4 中黏粒含量分別為36%，36.6%和34%，均低于T1 的38.9%。這說明分級真空預(yù)壓能緩解土體中細(xì)顆粒的遷移，其中分三級施加真空壓力的方式能最大程度上降低細(xì)顆粒遷移數(shù)量，有助于緩解淤堵層的形成。

2.5 靠近筒壁處黏粒含量變化

靠近筒壁處測量圓監(jiān)測到的土體黏粒含量變化曲線如圖7 所示。首先，真空預(yù)壓初期黏粒含量的波動幅度較大，這與靠近排水板處的黏粒含量變化的原因相同。其次，各組黏粒含量在初期波動后都有一個(gè)明顯的陡降和小幅度上升變化的過程，這是由于測量圓左側(cè)土體已經(jīng)向排水板遷移完成，導(dǎo)致測量圓內(nèi)顆粒遷移速度加大，故短時(shí)間內(nèi)黏粒含量發(fā)生顯著降低；但由于測量圓內(nèi)土體發(fā)生遷移后，測量圓右側(cè)遠(yuǎn)離排水板的顆粒也開始加速向排水板移動，導(dǎo)致測量圓內(nèi)細(xì)顆粒數(shù)目又有一定補(bǔ)充，所以黏粒含量存在這一先陡降后上升的現(xiàn)象。

圖7 靠近筒壁處黏粒含量變化曲線Fig.7 The Variation Curve of Clay Content near the Wall of the Cylinder

此外，真空預(yù)壓初期采用低真空度的組別，該現(xiàn)象發(fā)生的越遲，其中T2 與T4 都在120 萬步后增大真空壓力才出現(xiàn)先陡降后上升的過程，而在20 kPa 壓力下都只在一定范圍內(nèi)的波動，說明20 kPa 能使土體中大顆粒與細(xì)顆粒整體向排水板遷移，防止細(xì)顆粒在排水板處聚集形成淤堵層或堵塞排水板濾膜上的排水通道，使得真空預(yù)壓排水效果降低。

最后，通過對比各組真空預(yù)壓結(jié)束后黏粒含量可知，各組最終的黏粒含量相差不大，黏粒含量都在20%左右，且都低于初始黏粒含量與靠近排水板處黏粒含量。這說明真空預(yù)壓中遠(yuǎn)離排水板處的細(xì)顆粒存在向排水板處遷移的現(xiàn)象，但分級真空預(yù)壓與常規(guī)真空預(yù)壓對在排水板與筒壁中間部分土體細(xì)顆粒含量的基本無差異影響，而對靠近排水板處黏粒含量影響顯著，這可能是由于中間部分土體細(xì)顆粒的遷出會伴隨著靠近筒壁處細(xì)顆粒的遷入。

3 結(jié)論

本文針對分級真空預(yù)壓法處理疏浚淤泥的過程進(jìn)行離散元模擬分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

⑴ 真空預(yù)壓初期采用高真空度會加快顆粒遷移，到達(dá)最終平穩(wěn)狀態(tài)所需時(shí)間更短，加快淤堵層的形成，降低了真空預(yù)壓處理效果。

⑵真空預(yù)壓前期采用高真空度會導(dǎo)致土體孔隙率下降速度加快，而分級真空預(yù)壓能減緩排水板附近孔隙率下降速度，其中分三級的分級真空預(yù)壓孔隙率下降速度最緩慢，說明分級真空預(yù)壓能減緩排水板附近的淤堵層形成，土體排水通道暢通，提高土體排水效率。

⑶真空預(yù)壓過程中存在顆粒遷移現(xiàn)象，其中遠(yuǎn)離排水板的細(xì)顆粒會在真空預(yù)壓作用下向排水板遷移使得排水板處細(xì)顆粒含量增加，從而產(chǎn)生致密的淤堵層，而分級真空預(yù)壓前期采用低真空度的方式能減少細(xì)顆粒的遷移，減緩排水板處淤堵層形成。