吹填淤泥沉積規律室內試驗

曹玉鵬,吉 鋒

(東南大學交通學院巖土工程研究所,江蘇 南京 210096)

在我國,隨著港口航道的新建、拓寬和擴建,以及湖泊清淤等工程項目的開展,產生了大量的疏浚淤泥,如深圳銅鼓航道整治工程[1]疏浚量為4650萬m3;2003年西湖疏浚[2]水下底泥方量達260萬m3;揚州航道干線[3]1986—1995年疏浚淤泥方量達260萬m3;上海僅蘇州河治理[4]就需疏浚底泥數十萬m3。目前大多采用的處理方法是堆場貯存。我國一般采用抓斗式或絞吸式挖泥機具進行疏浚,由于施工的擾動,破壞了淤泥的原始結構,使疏浚淤泥具有含水率高、排水性質差、固結時間長的特點,吹填以后要經過很長時間自然沉積才能進行后續施工處理。但目前為止,疏浚淤泥的自然沉積規律尚不清楚,無法判斷淤泥自然沉積過程中某一時刻的含水率和自然沉積穩定的時間,從而無法為吹填淤泥的后續施工提供時間參考,以提高堆場的利用率。因此作為基礎研究,疏浚淤泥的自然沉積規律研究具有相當重要的現實意義。

對于吹填土的自重沉積過程,一些學者已經開展了試驗研究。Imai[5]將疏浚淤泥的自然沉積分為分散沉降、絮凝沉降、區域沉降和固結沉降4種類型。Been等[6]通過室內沉積柱試驗研究了粉質黏土的自重固結特性,測得不同初始密度的泥水混合物在自重沉積過程中各時刻的密度剖面、超孔隙水壓力剖面等分布特征。彭濤等[7]通過靜態落淤試驗研究獲得了深圳地區吹填淤泥自重沉積固結后的孔隙比范圍。詹良通等[8]對陽離子類型及其濃度對淤泥自重沉積固結過程的影響進行了深入研究。可以發現,這些學者在研究中給出了對密度、孔隙比、超孔壓等參數的定量描述,對自然沉積的類型也給出了定性描述,取得了很有意義的成果。但模型尺寸、初始含水率對自然沉積規律的影響研究鮮見報道,也沒有給出自然沉積穩定后最終含水率的定量描述。

筆者以福建可門港海相淤泥和江蘇白馬湖湖相疏浚淤泥為主要研究對象,通過泥漿的室內自然沉積試驗,研究疏浚淤泥在靜水條件下的沉積規律以及沉積穩定后淤泥含水率的變化范圍,探討模型尺寸、鹽水和淡水2種沉積環境以及初始含水率等參數對沉積速率和沉降量的影響,并對疏浚淤泥自然沉積穩定后的含水率變化范圍進行統計分析。

1 試驗用土及試驗方案

試驗用土的基本物理指標如表1所示,其中液、塑限采用100g錐式液塑限聯合測定儀測定,有機質質量分數采用重鉻酸鉀氧化法測定,黏粒質量分數采用馬爾文公司的MAF5000激光粒度分析儀測定,相對密度采用比重瓶法測定。

表1 試驗用土的基本物理指標

由表1可知:2個地區的疏浚淤泥黏粒質量分數均較高,均超過40.0%;2種土的液限和塑性指數也很高,依據《公路土工試驗規程》[9]對土的分類這2種土均屬于高液限黏性土,工程性質較差;有機質質量分數均小于3%,可不考慮其影響。福建可門港海水的離子質量分數由等離子體質譜儀測定,結果顯示海水的陽離子成分主要為鈉離子和鎂離子,陰離子中氯離子質量分數最高,硫酸根離子次之。海水密度為1.02g/cm3,含鹽量(質量分數)為3%。

本試驗研究對福建可門港淤泥用鹽水和淡水分別配制4種初始含水率w分別為3wL,4wL,5wL和6w L(對應的含水率分別為 180%,240%,300%和360%)的泥漿,然后倒入直徑 D分別為 20cm,10cm,7cm,5cm的量筒進行自然沉積試驗,泥漿高度控制在25cm。對江蘇白馬湖淤泥同樣按照液限的整數倍進行配制,分別為3wL,4wL,6wL,8wL和10wL,然后倒入標準量筒(D=6.5cm)進行沉積試驗,泥漿的初始高度控制為30cm。試驗的每個量筒上貼有透明塑料刻度尺,精確到1mm,刻度增加的方向為泥水分界面下沉的方向,按不同時間觀察和記錄泥水分界面的刻度值。

試驗中變化初始含水率是為了研究初始含水率對沉積的影響;區分鹽水環境和淡水環境是為了研究沉積環境對沉積的影響;而不同直徑是為了研究容器的模型尺寸對沉積的影響;采用2種淤泥進行試驗是為了對自然沉積模式進行探討,以及對自然沉積穩定后含水率的變化范圍進行統計分析。

2 試驗結果分析

2.1 沉積環境對沉積過程的影響分析

將試驗記錄的泥面在不同時刻的沉降量與相應的時間點繪在直角坐標系上,即可得到各種不同條件下的沉積過程曲線。圖1給出了多種直徑和初始含水率下鹽水與淡水環境下的沉積時程曲線。從圖1中可以看出,同一初始含水率、同一直徑時泥漿在鹽水環境下比在淡水環境下的沉積速度稍快,具體表現為沉降曲線的斜率較大,但是最終淡水環境下泥漿的沉降量大于鹽水環境下的沉降量。這是由于鹽水環境下水溶液含鹽量較高,其電解質濃度較高,使細顆粒更容易絮凝成團,成為更大的粒團勻速下沉,根據Stokes定律,下沉的速度與粒團直徑的平方成正比,淤泥在鹽水環境下形成的絮團大于淡水環境下形成的絮團,所以鹽水環境下淤泥沉降速度較快,但是大粒團堆積時存在大孔隙,并且由于在鹽水環境下土顆粒間的靜電作用較強,其形成的孔隙結構不易被破壞,致使相比淡水環境鹽水環境下的淤泥在沉積穩定后有更大的孔隙,最終的沉降量也較小。

圖1 鹽水與淡水環境下的沉積時程曲線

2.2 模型尺寸對沉積過程的影響分析

圖2給出了同一含水率、同一環境下不同量筒直徑時的淤泥沉積時程曲線。對比圖2中各曲線可以看出,量筒的直徑對疏浚淤泥的沉降量有較大的影響,同一沉積環境下淤泥的最終沉降量隨著量筒直徑的增大而增大,直徑越大,在相同時間內的沉降量越大,這主要是由于泥漿在沉積過程中會受到邊界摩擦力的影響。在邊界條件一致的前提下,單位質量土體所受到的摩擦力與直徑成反比,因此,直徑越大,邊界摩擦力影響越小,沉降量越大。需要指出的是,邊界摩擦作用主要對邊壁附近的泥漿沉積產生影響,當容器直徑足夠大時,直徑對沉積的影響必然可以忽略,但從圖2可以看出,即使容器直徑達到20cm,仍然不能忽略尺寸因素的影響,因此在進行室內沉積試驗模擬實際大面積疏浚淤泥的沉積規律時,必須考慮容器尺寸對沉積的影響,在試驗允許的條件下盡量采用大尺寸容器。

圖2 同一含水率、同一環境下不同量筒直徑時的淤泥沉積時程曲線

2.3 初始含水率對沉積過程的影響分析

由于鹽水與淡水環境下,不同直徑、同一初始含水率的沉降時程曲線變化規律基本一致,類似于土的固結壓縮曲線。為簡化問題,選取淡水環境、量筒直徑為20cm時的福建可門港淤泥沉積時程曲線和江蘇白馬湖淤泥沉積時程曲線來分析不同初始含水率對沉積的影響,見圖3和圖4。

由圖3和圖4可以看出,泥漿的初始含水率越大,泥面的下沉速度越快,最終的沉降量越大;反之,泥漿的初始含水率越小,泥面的沉積速度越慢,最終沉降量越小,這與劉瑩等[10]的結論一致。同時可以發現,在時間的對數坐標上,2種淤泥3倍、4倍、5倍、6倍和8倍液限試樣的沉積曲線都成反“S”形,曲線特征符合細顆粒泥漿的沉降模式[11]。而圖4中江蘇白馬湖淤泥10倍液限試樣的沉降時程曲線呈現“凹”形,這是由于10倍液限時試樣的濃度小于形成絮網需要的臨界濃度,沉降中的細顆粒僅僅形成了絮團,絮團的沉降速度遠大于絮網沉降速度,因此該曲線形狀不同于其他曲線的形狀。宋根培[12]曾指出,絮網形成的臨界含水率要小于900%,本文10倍液限的泥漿試樣含水率為890%,正好在這個臨界含水率附近。

圖3 福建可門港淤泥沉積時程曲線

圖4 江蘇白馬湖淤泥沉積時程曲線

2.4 最終含水率統計分析

將沉降穩定后含水率與液限的比值和初始含水率與液限的比值繪圖,見圖5。圖5中w為初始含水率,w C為穩定含水率,w L為液限。從圖5中可以看出,以3～6倍液限為初始含水率的海相淤泥泥漿自然沉積完成時,淤泥的穩定含水率在2.4～3.4倍液限之間;以3～10倍液限為初始含水率的湖相淤泥泥漿自然沉積完成時,淤泥的穩定含水率在2.2～2.7倍液限之間。由此可知,若想降低自然沉積穩定后的施工難度,建議盡量降低疏浚淤泥的初始含水率,以提高疏浚淤泥的濃度。

總體來看,海相疏浚淤泥沉積穩定時含水率的變化范圍要大于湖相疏浚淤泥,這與海相淤泥沉積時形成的絮凝結構有關。經過統計可以發現,以3～10倍液限為初始含水率的淤泥泥漿(海相和湖相)自然沉積完成時含水率變化范圍在2.2～3.4倍液限之間。由此可見,沉積穩定后的含水率仍然很高,由于在自重狀態下固結速度緩慢,含水率仍會居高不下,需要其他工程措施來加速排水,比如打設排水板或砂井、進行真空預壓或堆載預壓。

3 結 語

圖5 沉積穩定后含水率與液限的關系

對福建可門港和江蘇白馬湖疏浚淤泥進行室內靜水沉積試驗,探討模型尺寸和沉積環境對淤泥沉積的影響,分析初始含水率對淤泥自然沉積特性的影響,統計了自然沉積穩定后含水率的變化范圍。研究結果表明:①鹽水環境下淤泥的沉積速度稍大于淡水環境下的沉積速度,但最終淡水環境下的沉降量大于鹽水環境下的沉降量。②量筒的直徑對疏浚淤泥的沉降量有較大的影響,直徑越大,相同時間內的沉降量越大。③初始含水率是影響淤泥泥漿沉積的重要因素,初始含水率越高,泥面沉積速度越快,最終的沉降量也越大;當初始含水率達到臨界含水率890%時,沉積時程曲線不符合典型細顆粒泥漿沉降模式。④初始含水率在3～10倍液限時,淤泥泥漿自然沉積完成時淤泥的穩定含水率在2.2～3.4倍液限之間。

本試驗研究可明確吹填工程中含水率的穩定時間及變化范圍,為淤泥的工程措施處理提供理論支撐及施工時間參考。試驗還揭示了自重固結后淤泥含水率仍較高,建議采取工程措施加快淤泥排水,以縮短工期。

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