基于振動(dòng)-負(fù)壓排水法的泥漿加速脫水試驗(yàn)研究

盧星宇　儲(chǔ)兆微　袁帥　孫紅月

摘要：為探索高含水率泥漿經(jīng)濟(jì)有效的脫水方法，探討了振動(dòng)作用和負(fù)壓效應(yīng)加快泥漿脫水的可行性，并設(shè)計(jì)了室內(nèi)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中監(jiān)測排水量隨時(shí)間變化并取樣測定排水含土量，通過施加不同頻率的振動(dòng)力、改變振動(dòng)范圍以及使用不同單位面積質(zhì)量的土工織物濾層，對振動(dòng)-負(fù)壓排水法處理工程泥漿的效果開展了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：① 負(fù)壓排水相較重力排水，能夠形成真空并提升排水速率，加快排水進(jìn)程，對負(fù)壓排水施加振動(dòng)力能夠?qū)δ酀{形成擾動(dòng)，加快自由水的排出，緩解土工織物淤堵，提高排水速率；② 擴(kuò)大振動(dòng)范圍以及提高振動(dòng)頻率均能提高振動(dòng)-負(fù)壓法處理泥漿的排水速率，但過高的振動(dòng)頻率會(huì)使土工織物濾層失效、土顆粒大量流失；③ 振動(dòng)-負(fù)壓排水法處理泥漿時(shí)應(yīng)當(dāng)采用較低頻率振動(dòng)和較厚的土工織物，以保證土工織物濾層的有效性。

關(guān) 鍵 詞：泥漿脫水； 負(fù)壓排水； 振動(dòng)頻率； 振動(dòng)范圍； 土工織物

中圖法分類號： TU411 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.030

0 引 言

中國沿海廣泛分布著軟土地區(qū)，出于城市建設(shè)的需要，每年會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄工程泥漿［1-3］。軟土具有高黏粒含量等特性，并且在鉆孔樁基施工、泥水盾構(gòu)施工等過程中由于加水沖擊等作用會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生的泥漿成分復(fù)雜、含水量較高、土顆粒粒徑較?。?-5］。這種泥漿強(qiáng)度極低，處于流動(dòng)狀態(tài)，采用自然沉淀法進(jìn)行分離的耗時(shí)較長，因而常常采用槽罐車將泥漿運(yùn)送到郊外進(jìn)行自然干化或填埋處理，這往往會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸過程中泥漿漏撒嚴(yán)重，污染道路交通，對城市形象造成負(fù)面影響。同時(shí)由于沿海城市周邊土地資源愈發(fā)緊張，可提供處理泥漿的場地也較為有限，對此，學(xué)者們開始探索有效和實(shí)用的泥漿脫水技術(shù)，以降低泥漿含水率。目前利用機(jī)械壓濾來處理泥漿可以將泥漿含水率降至較低值［6］，化學(xué)絮凝法對工程泥漿進(jìn)行處理也得到了較為廣泛的研究［7-10］，電化學(xué)法也可用于泥漿脫水處理中［11］。此外，真空預(yù)壓法廣泛應(yīng)用于軟土地基、吹填淤泥地基處理工程中，對地基加固效果良好［12-13］，因此有學(xué)者采用抽真空設(shè)備對泥漿進(jìn)行脫水處理，泥漿的含水率得到顯著降低［14-16］。這些方法各具優(yōu)點(diǎn)，但也存在缺陷：如機(jī)械設(shè)備造價(jià)高昂、特定成分化學(xué)藥劑適用性不廣泛、抽真空設(shè)備耗能較高等。因此，探究經(jīng)濟(jì)有效的泥漿脫水技術(shù)仍有較大的工程意義。

孫紅月等［17］提出了一種全新的邊坡排水方法——負(fù)壓排水，通過隔離排水通道與大氣環(huán)境使排水通道內(nèi)部產(chǎn)生一定的負(fù)壓從而提高邊坡排水效率，具有施工簡單、可實(shí)現(xiàn)無能源動(dòng)力循環(huán)自啟動(dòng)排水等優(yōu)點(diǎn)。韓旭等［18］通過室內(nèi)圓筒物理模型試驗(yàn)，對粉土的負(fù)壓排水規(guī)律進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了負(fù)壓排水能夠有效提升粉土中的排水速率。苗永紅等［19］在室內(nèi)模擬了飽和軟土在振動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)，得出了振動(dòng)荷載用于軟土固結(jié)排水中可以提高軟土的排水速率的結(jié)論。

本文提出將負(fù)壓排水技術(shù)和振動(dòng)作用結(jié)合起來用于泥漿處理，利用負(fù)壓效應(yīng)增加土體中水的滲出速率，同時(shí)利用振動(dòng)對含有大量細(xì)黏粒土的泥漿進(jìn)行擾動(dòng)，提高泥漿的排水速率。高分子聚合材料制成的土工織物具有孔隙小、透水性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但在排水過濾時(shí)，滲流攜帶的細(xì)小土顆?？赡軙?huì)在土工織物濾層表面和內(nèi)部滯留，當(dāng)滯留的細(xì)小顆粒數(shù)量逐漸增多時(shí)，會(huì)造成排水速率的降低［20-22］。振動(dòng)會(huì)使泥漿土體發(fā)生擾動(dòng)，從而緩解泥漿在排水過程中的淤堵，該方法既考慮了泥漿的物理組成，也結(jié)合了土工織物本身的微觀結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)不同振動(dòng)頻率以及振動(dòng)范圍，通過室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測不同工況下泥漿排水量隨時(shí)間的變化以及排出水含土量百分比，分析其變化規(guī)律，探究不同振動(dòng)頻率以及范圍下負(fù)壓排水的效率以及土工織物的保土性效果，對振動(dòng)-負(fù)壓排水法處理泥漿的可行性、有效性進(jìn)行了研究，以為實(shí)際工程中利用振動(dòng)作用和負(fù)壓效應(yīng)加快泥漿的排水速率提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)所用的泥漿使用舟山金塘碼頭施工開挖基坑內(nèi)的疏浚淤泥進(jìn)行制備，泥漿配制前所需的土料詳細(xì)參數(shù)，如天然含水率和比重等，嚴(yán)格按照GB/T 50123-2019 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［23］進(jìn)行測定。配制時(shí)按一定土水體積比在攪拌泵中攪拌固定時(shí)間獲得試驗(yàn)用泥漿。泥漿的顆分曲線如圖 1 所示，泥漿中粉粒（0.005～0.075 mm）和黏粒（<0.005 mm）含量分別約為 39%，42%，最后制得試驗(yàn)用泥漿物理性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)裝置

本文采用自主設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置如圖 2 所示，有機(jī)玻璃模型箱尺寸為435 mm×315 mm×250 mm（長×寬×高），貯水空腔高度設(shè)置為65 mm，直流微型振動(dòng)電機(jī)功率10 W、振動(dòng)力3 kg、可調(diào)節(jié)頻率為0～50 Hz。通過啟動(dòng)不同位置的振動(dòng)電機(jī)，可以調(diào)節(jié)模型箱在排水過程中受到振動(dòng)范圍；通過調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)的頻率，可以調(diào)節(jié)模型箱在負(fù)壓排水過程中的振動(dòng)頻率。

1.3 試驗(yàn)過程

① 試驗(yàn)開始前，將制備得到的泥漿自然靜置1 d后，抽取上層清液；② 在排水鋼板上側(cè)鋪設(shè)土工織物反濾層，并在模型箱中緊貼內(nèi)壁與土工織物鋪設(shè)塑料密封膜；③ 向模型箱內(nèi)倒入厚度為100 mm的泥漿；④ 待泥漿穩(wěn)定并滲流入貯水空腔后，打開排水管并開始排水，記錄排出液體重量并進(jìn)行取樣。

使用單位面積質(zhì)量400 g/m2、厚2.9 mm的土工織物進(jìn)行10組試驗(yàn)。首先進(jìn)行兩組不啟動(dòng)振動(dòng)電機(jī)的自然重力排水試驗(yàn)與負(fù)壓排水試驗(yàn)，再進(jìn)行啟動(dòng)單側(cè)振動(dòng)電機(jī)的10～40 Hz的4組負(fù)壓排水試驗(yàn)以及啟動(dòng)雙側(cè)振動(dòng)電機(jī)的10～40 Hz的4組負(fù)壓排水試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)記錄排水量并對排出水進(jìn)行取樣封裝。試驗(yàn)結(jié)束后將排出水樣烘干（24 h），以測定排出水的含土量。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)隨著振動(dòng)頻率升高，排出水的含土量會(huì)大大增加，為分析土工織物反濾層的效果，在啟動(dòng)單側(cè)振動(dòng)電機(jī)的工況下，另外使用單位面積質(zhì)量300 g/m2、厚2.3 mm以及單位面積質(zhì)量200 g/m2、厚1.7 mm的土工織物進(jìn)行4組負(fù)壓排水試驗(yàn)，用于對照。試驗(yàn)中用到的不同單位面積質(zhì)量（厚度）土工織物實(shí)物如圖3所示，技術(shù)指標(biāo)如表2所列。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同排水方法試驗(yàn)結(jié)果對比

為探究振動(dòng)-負(fù)壓排水的可行性與效果，分別進(jìn)行了重力排水、負(fù)壓排水、單側(cè)振動(dòng)（10 Hz）-負(fù)壓排水試驗(yàn)。得到整個(gè)排水階段排水量隨時(shí)間變化如圖4所示。

前10 min的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，重力排水、負(fù)壓排水的排水速率相差不大。10 min～1 h時(shí)，重力排水速率較低，負(fù)壓排水速率開始降低，但仍然高于重力排水，說明隨著排水過程的進(jìn)行，土體顆粒會(huì)在重力和滲流作用下積累在土工織物濾層的表面以及內(nèi)部，降低排水速率，而負(fù)壓排水會(huì)使儲(chǔ)水空腔內(nèi)部形成一定的負(fù)壓從而加快泥漿的排水速率。在1.5 h時(shí)，重力排水的排水量與負(fù)壓排水的排水量相差不大，這是因?yàn)?.5 h時(shí)負(fù)壓排水時(shí)儲(chǔ)水空腔會(huì)形成真空，導(dǎo)致內(nèi)部水排出有一定滯后。在前6 h內(nèi)，負(fù)壓排水與重力排水的排水量均隨時(shí)間逐步增加；在1.5 h之后，負(fù)壓排水速率明顯高于重力排水，在6 h時(shí)的排水量甚至達(dá)到了重力排水的兩倍，說明儲(chǔ)水空腔內(nèi)部形成了持續(xù)的負(fù)壓，負(fù)壓排水效果較好。

前6 h，單側(cè)10 Hz振動(dòng)-負(fù)壓排水速率顯著高于重力排水和負(fù)壓排水，表明振動(dòng)力的施加能夠擾動(dòng)泥漿內(nèi)部土顆粒在土工織物上的沉積，從而加快排水速率；30～75 min、90 min～6 h這兩段時(shí)間，單側(cè)10 Hz振動(dòng)-負(fù)壓排水速率有一定降低，原因是儲(chǔ)水空腔內(nèi)負(fù)壓形成，導(dǎo)致排水有一定滯后，總體排水效果良好。

整個(gè)排水階段，重力排水、負(fù)壓排水、單側(cè)10 Hz振動(dòng)-負(fù)壓排水量隨時(shí)間變化如圖5所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明前期重力排水與負(fù)壓排水的排水速率均較穩(wěn)定，但在6 h之后排水速率均呈現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象，此時(shí)泥漿已經(jīng)排出一部分水，而在土工織物的內(nèi)部，由于細(xì)小土顆粒的滯留以及土工織物表面土顆粒的累積，導(dǎo)致土工織物的滲透系數(shù)變小，逐漸發(fā)生淤堵。在最終排水量相差不大的情況下，負(fù)壓排水總時(shí)長小于重力排水總時(shí)長。單側(cè)10 Hz振動(dòng)-負(fù)壓排水在前15 h均能保持較高的排水速率，在15 h后排水速率逐漸降低，40 h時(shí)最終排水量與負(fù)壓排水、重力排水的最終排水量持平，但排水時(shí)長相較負(fù)壓排水縮短了33.5 h，說明通過施加振動(dòng)力能夠加快負(fù)壓排水進(jìn)程。

2.2 不同振動(dòng)范圍以及振動(dòng)頻率下負(fù)壓排水試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖6可知：在振動(dòng)范圍相同的情況下，隨著振動(dòng)頻率的增高，總體排水時(shí)間呈現(xiàn)逐漸縮短的趨勢，說明排水效果變好；在振動(dòng)頻率相同的情況下，雙側(cè)振動(dòng)排水時(shí)長均小于單側(cè)振動(dòng)。啟動(dòng)單側(cè)振動(dòng)時(shí)，10 Hz與20 Hz最終排水時(shí)間相同，但在啟動(dòng)雙側(cè)振動(dòng)器時(shí)，20 Hz的排水時(shí)間比10 Hz縮短5 h，說明在低頻率振動(dòng)時(shí)，增大振動(dòng)范圍能夠有效提升排水效果。而在30 Hz和40 Hz時(shí)，雙側(cè)振動(dòng)與單側(cè)振動(dòng)最終排水時(shí)間近似，說明在高頻率振動(dòng)時(shí)，增大振動(dòng)范圍并不能有效提升排水效果。

由于在較高頻率下（如40 Hz），出現(xiàn)了最終排水量大于9 000 g的情況，因此需要對其排水含土量進(jìn)行進(jìn)一步分析。對排出水樣進(jìn)行烘干稱重分析，可得到不同頻率下單或雙側(cè)振動(dòng)-負(fù)壓排水含土量隨時(shí)間變化如圖7所示，水樣渾濁度結(jié)果如圖8所示。

由圖7可知：在振動(dòng)范圍相同的情況下，排水含土量隨振動(dòng)頻率的增大而增大；在振動(dòng)頻率相同的情況下，雙側(cè)振動(dòng)的排水含土量高于單側(cè)振動(dòng)的排水含土量。在低頻振動(dòng)（10，20 Hz）時(shí)，單雙側(cè)振動(dòng)排水含土量較低，且振動(dòng)范圍對排水含土量影響較小。在高頻振動(dòng)（30，40 Hz）時(shí)，排水含土量較大，而且雙側(cè)振動(dòng)對排水含土量增大的影響也較為明顯。

綜上可知：① 提高振動(dòng)頻率或者擴(kuò)大振動(dòng)范圍均能加快排水速率，因?yàn)樘岣哒駝?dòng)頻率會(huì)增大對泥漿的擾動(dòng)，使其滲透速率加快，振動(dòng)范圍的擴(kuò)大則加大了對泥漿擾動(dòng)的影響區(qū)域，兩者均能促進(jìn)泥漿中自由流體的運(yùn)動(dòng)，從而加快了泥漿的整體排水速率。② 在振動(dòng)的作用下，泥漿會(huì)隨著振動(dòng)產(chǎn)生周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但泥漿中水和土顆粒的密度差異導(dǎo)致各自產(chǎn)生的振動(dòng)和加速度不同，二者會(huì)產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，土顆粒之間的束縛水會(huì)向自由水轉(zhuǎn)化，使得泥漿中水排出更為容易。③ 過高的振動(dòng)頻率雖然能增大排水效果，但是會(huì)大大提高排出水的含土量，導(dǎo)致土工織物濾層的失效。原因在于靠近土工織物濾層表面以及進(jìn)入土工織物內(nèi)部的土顆粒會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)波的頻率過大獲得較大的能量，產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)并在滲流的作用下穿過土工織物并流失。

2.3 不同單位面積質(zhì)量的土工織物濾層對振動(dòng)-負(fù)壓排水試驗(yàn)結(jié)果影響

為進(jìn)一步探究振動(dòng)-負(fù)壓排水情況下，不同單位面積質(zhì)量的土工織物濾層的反濾作用與失效情況，使用單位面積質(zhì)量300 g/m2、厚2.3 mm的土工織物進(jìn)行10～30 Hz的3組單側(cè)振動(dòng)-負(fù)壓排水試驗(yàn)，使用單位面積質(zhì)量200 g/m2、厚1.7 mm的土工織物進(jìn)行10 Hz下1組單側(cè)振動(dòng)-負(fù)壓排水試驗(yàn)，得到不同振動(dòng)頻率與單位面積質(zhì)量土工織物濾層的單側(cè)振動(dòng)-負(fù)壓排水隨時(shí)間變化如圖9所示，排水含土量變化如圖10所示。

由圖9可以看出，在相同振動(dòng)頻率下，單位面積質(zhì)量越低、厚度越薄的土工織物濾層排水效果越好。但圖10則表明，在相同振動(dòng)頻率下，使用單位面積質(zhì)量低、厚度薄的土工織物作為濾層更容易導(dǎo)致排水含土量升高，土工織物濾層失效。較厚土工織物濾層在低頻振動(dòng)時(shí)的反濾效果較好，在高頻振動(dòng)下才會(huì)失效。但即使在低頻振動(dòng)時(shí)土顆粒也很容易穿透較薄的土工織物濾層，使排水含土量大大提升，導(dǎo)致土工織物濾層失效。因此，為保證振動(dòng)-負(fù)壓排水系統(tǒng)的有效性，應(yīng)該選擇單位面積質(zhì)量較大、厚度較厚的土工織物作為反濾層，同時(shí)不應(yīng)當(dāng)施加較高頻率的振動(dòng)。

3 結(jié) 論

（1） 在負(fù)壓排水過程中，隨著貯水空腔內(nèi)部水的流出，氣體擴(kuò)張而形成的負(fù)壓能夠提高泥漿的排水速率；施加振動(dòng)能夠?qū)δ酀{中土顆粒形成擾動(dòng)，緩解土工織物淤堵，促進(jìn)泥漿中自由水的排出，并使得泥漿中顆粒間的束縛水向自由水轉(zhuǎn)化，從而進(jìn)一步加快負(fù)壓排水速率。

（2） 提高振動(dòng)頻率能夠加大對泥漿土體的擾動(dòng)，提高其排水速率，但當(dāng)振動(dòng)頻率過高時(shí)（>20 Hz），會(huì)出現(xiàn)土顆粒流失嚴(yán)重的現(xiàn)象，導(dǎo)致土工織物濾層失效；擴(kuò)大振動(dòng)范圍能夠加大對泥漿的擾動(dòng)范圍，提高泥漿的排水速率。

（3） 單位面積質(zhì)量較低（<300 g/m2）、厚度較薄的土工織物在低頻振動(dòng)下也較容易產(chǎn)生土顆粒流失嚴(yán)重的現(xiàn)象，而單位面積質(zhì)量較大（400 g/m2）、厚度較厚的土工織物在低頻振動(dòng)下排水效果良好，排水含土量也較低。因此，在進(jìn)一步的振動(dòng)-負(fù)壓排水法處理泥漿的工程應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)采用單位面積質(zhì)量大且厚的土工織物作為濾層，同時(shí)使用雙側(cè)低頻振動(dòng)的方式，可以在提高排水速率同時(shí)使得土工織物濾層不容易失效。

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（編輯：胡旭東）

Experimental study on mud rapid dewatering based on vibration-negative pressure drainage method

LU Xingyu，CHU Zhaowei，YUAN Shuai，SUN Hongyue

（Ocean College，Zhejiang University，Zhoushan 316021，China）

Abstract： In order to explore an economical，effective and rapid dewatering method for high water content mud，the feasibility of combining vibration and negative pressure to accelerate mud dewatering was discussed，and an indoor simulation test was designed.During the test，the drainage volume was monitored over time，and the soil content in the drainage was measured.The effect of vibration-negative pressure drainage method on the treatment of engineering mud was studied by applying different frequency vibration force，changing vibration range and using geotextile filter layer with different mass per unit area.The test results showed that compared with gravity drainage，negative pressure drainage can generate vacuum and increase the drainage rate，and accelerate the drainage process.Applying vibration force to negative pressure drainage can disturb the mud，accelerate the discharge of free water，alleviate the clogging of geotextiles，and increase the drainage rate.Expanding the vibration range and increasing the vibration frequency can improve the drainage rate of the mud treated by the vibration-negative pressure method，but too high vibration frequency will cause the failure of the geotextile filter layer and the loss of soil particles.When using the vibration-negative pressure drainage method to treat the mud，lower frequency vibration and thicker geotextile should be used to ensure the effectiveness of the geotextile filter.

Key words： mud dewatering；negative pressure drainage；vibration frequency；vibration range；geotextile

收稿日期：2022-08-03

作者簡介：盧星宇，男，碩士研究生，主要從事負(fù)壓排水方法研究。E-mail：carry201314@zju.edu.cn

通信作者：孫紅月，女，教授，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治研究。E-mail：shy@zju.edu.cn