高含水率疏浚淤泥的真空固結模型試驗研究

沈 杰 鄧東升 丁建文 吉 鋒 洪振舜

（1.東南大學 交通學院，南京 210096；2.南水北調東線江蘇水源有限公司，南京 210029）

為了改善河流湖泊的水質、保證河道正常的泄洪能力和內陸航道的通航能力，我國每年都會開展大規模的疏浚清淤工程.在內陸地區，疏浚泥通常排放于排泥場內，經常采用真空預壓技術進行排水加固處理.然而在真空預壓處理疏浚泥地基過程中，經常由于排水體的淤堵問題而出現“土樁”現象，從而導致豎向排水體失效，造成淤堵［1］.其中，“土樁”是以排水板為中心軸、自上而下直徑不等的不規則柱狀體，加固后“樁體”范圍內土體的強度比周圍土體高1.5～2.0倍，加固后土體的強度呈明顯的不均勻性［2］，真空預壓處理效果的不均勻性的本質以及淤堵的原因是“土樁”的形成.

隨著真空預壓技術越來越多地應用于排泥場疏浚泥的處理，相關的室內模型試驗的研究也已經有較多的理論成果.目前，真空固結室內模型試驗研究的重點主要在于膜下真空度對真空預壓加固效果的影響［3］.本文針對真空預壓過程中排水板附近的淤堵問題，采用室內模型試驗模擬真空預壓過程，探討真空荷載在沿徑向上的傳遞規律并分析造成排水板周圍“土樁”現象的成因.

1 模型試驗

1.1 試驗土樣

試驗所用土樣取自泰州引江河17號排泥場，通過室內試驗得到泰州土的基本物理指標見表1.液塑限分別用碟式儀法和搓條法測得，比重用比重瓶法測得，顆分數據用密度計法測得.

表1 吹填土的物理性質

1.2 試驗裝置與方法

本試驗的試驗儀器裝置如圖1所示，試驗裝置主要由兩臺真空泵、兩臺飽和缸和一個沉降柱組成.考慮到真空泵不宜連續長時間使用，本試驗裝置選用兩臺真空泵交替使用，同時為了確保試驗過程中能在不漏氣的情況下從飽和缸中收集尾水，本實驗裝置采用兩臺飽和缸交替使用，真空泵和飽和缸的交替使用都通過球閥的開關來實現.

圖1 模型試驗裝置實圖

實際工程中所用排水板寬度為10cm，用這種寬度的排水板可以在距離排水板1m的范圍內有效地傳遞真空荷載［4］，而本試驗模型直徑為28cm，所以需要按照尺寸比例縮小排水板的寬度，縮小后排水板寬度為25mm.試驗中，通過等比例縮小的排水板可以準確地模擬淤泥在真空負壓作用下的排水固結過程，并且滿足相似性原理.模型和排水板尺寸以及真空表側頭的布設如圖2所示，其中，4個真空度側頭的布設深度均位于距離沉降柱底部20cm的高度處，也就是試樣的中間層位置，而徑向上側頭的位置分別距離排水板3cm、7cm和12cm，這3個側頭完全位于淤泥中，而另一個真空度側頭布設在排水板的另一側，緊靠排水板表面，和其他3個側頭位于同一深度，其目的在于測量位于同一深度處的排水板表面真空度，和試驗中測得的淤泥中徑向真空度進行對比使用.

圖2 淤泥試樣以及監測儀器布設的剖面圖

1.3 試驗方案

本試驗施加的真空壓力為100kPa，飽和缸上真空表顯示的讀數即為膜下真空度，由于試驗裝置的氣密性能好，因此，試驗中膜下真空度可以達到100 kPa，試驗用泥的初始含水率為2wL，試驗過程中每天測量徑向4個不同距離、同一深度的真空表的讀數和泥面的沉降值.其中試樣表面的沉降是用來作為判斷抽真空試驗是否結束的控制指標，當沉降曲線出現收斂現象，并且飽和缸中收集不到尾水的時候即作為抽真空試驗結束的標準.

2 試驗結果與分析

2.1 徑向顆粒含量的變化

真空抽水結束后，沿著排水板徑向取樣做顆分試驗，取樣區間分別為距離排水板0～1cm、1～2cm、2～3cm、3～6cm、6～9cm和9～12cm這6個區間，通過顆分試驗得到各不同徑向距離的黏粒（粒徑小于0.005mm）含量，并將其和原泥中黏粒含量進行對比，如圖3所示.從圖中可以發現靠近排水板區域的黏粒含量比原泥增加了而遠離排水板的區域則減少了，越靠近排水邊界，黏粒被水攜帶、流動遷移的現象越明顯［5］.因此，可以認為淤泥中的黏粒在100kPa真空壓力作用下發生了朝排水板的移動.但是，與原泥中的粘粒含量相比，粘粒流失區域的粘粒最大流失含量為5.2%，粘粒富集區域的粘粒最大增加含量僅為2.6%，黏粒流失區的黏粒含量減少量多于黏粒富集區的黏粒含量增加量，可以認為黏粒流失區域所流失的粘粒有一部分在靠近排水板的區域富集，而另外有一部分隨尾水被排出了.由此可見，高含水率淤泥中部分細顆粒會受到真空壓力的影響而發生向排水板方向的富集，但是最大富集量僅為2.6%，因此細顆粒的移動并不是形成“土樁”的主要原因.“土樁”的形成最主要的原因是排水板周圍顆粒在真空負壓作用下朝排水板聚集并吸附在排水板周圍，形成低滲透的粘土層，即泥皮，從而造成豎向排水體的淤堵［6］，這可由徑向真空度的衰減趨勢間接反映.

圖3 抽真空結束后試樣中徑向的粘粒含量分布曲線

2.2 真空度

2.2.1 排水板中真空度

試樣在抽真空過程中的徑向真空度變化規律如圖4所示，其中4條曲線分別表示抽真空55h、150h、200h和245h后徑向各不同距離處的4只真空表的讀數.從圖中可以發現，位于同一深度緊貼排水板的真空表的讀數在施加100kPa的真空壓力的同時便迅速上升至90kPa，此后一直維持在90kPa上下，比施加的真空壓力小10kPa左右，說明真空度在沿排水板往下傳遞的過程中會發生衰減.

圖4 不同抽真空時間淤泥中徑向真空度分布曲線

2.2.2 淤泥中真空度

從圖4可以發現，位于同一深度，埋設在淤泥中的真空表并不是從一開始就有讀數的，其讀數是經歷了一個啟動階段后才開始慢慢增長［7］，且淤泥中真空度的啟動時間隨著與排水板的距離的增大而增長.從圖4還可以發現，在抽真空過程中淤泥中的真空度沿著徑向有一個衰減的趨勢，即淤泥中真空度隨著與排水板距離的增大而減小.可以認為真空度在向淤泥中傳遞的過程中產生了能量的衰減，真空度難以傳遞至排水板遠處.淤泥中孔隙水壓力的消散主要是由真空度的傳遞所引起的［8］，真空度在淤泥中傳遞并增長的過程中，孔隙水逐漸滲流至排水板內并被排出，從而使得土顆粒逐漸壓密在排水板周圍，形成“土樁”，使得真空度在徑向上的傳遞受到阻礙.

可見直接加載大真空壓力來處理高含水率疏浚泥時，真空壓力在起到排水固結作用的同時也對真空度的徑向傳遞起到阻礙作用.在抽真空作用初始階段，真空負壓形成的滲流場促進孔隙水的排出，但是之后逐漸形成的“土樁”會對真空度的傳遞起到阻礙作用，隨著抽真空作用的繼續進行，這種阻礙作用繼續增大，直到這兩種作用達到平衡狀態.此時，土體沉降穩定，且不再能收集到尾水.

2.3 真空預壓的處理效果

2.3.1 淤泥處理后強度性狀

當結束抽真空后，拆除試樣表層的密封膜，用十字板剪切儀測量試樣中不同高度層的徑向距離上各點的不排水強度，其十字板剪切強度的分布規律如圖5所示，其中H表示測點距離試樣底部的高度.從圖中可以發現，同一徑向距離的上層土體強度大體上要略高于下層土體強度，而同一深度處的土體強度隨著與排水板的徑向距離的增大而逐漸減小.可見，真空預壓這種軟基處理方法對靠近排水板的土體的處理效果要好于遠離排水板的土體，這主要與真空度沿徑向的衰減規律有關，真空度在徑向上發生衰減勢必導致遠離排水板的淤泥的處理效果不及靠近排水板的淤泥的處理效果.

圖5 各不同深度處的徑向十字板強度分布規律圖

2.3.2 含水率

在測量十字板剪切強度的同時，對同一測點進行取樣并測量含水率，得到不同深度處淤泥的含水率沿排水板徑向的變化規律圖，如圖6所示.從圖中可以發現含水率的徑向變化規律與強度的變化規律相反，即同一深度層的含水率隨著與排水板距離的增大而增大，說明靠近排水板的淤泥被抽出的孔隙水要多于遠離排水板的淤泥.真空度在向地下水位以下土體傳遞時，其作用是引起大氣壓力所產生的那部分孔隙水壓力的減小.因此，在抽真空過程中，距離排水板間距越小，其孔隙水壓力下降速度越快［9］，淤泥中真空度越大，加固后含水率越低，強度越高.

圖6 各不同深度處的徑向含水率分布規律圖

3 淤泥中徑向真空度和加固效果關系

為了探尋徑向真空度的分布規律與加固后的土體徑向強度之間的聯系，將試驗結束時土體中徑向真空度分布規律曲線和加固后土體徑向平均強度分布規律曲線繪制在同一個坐標軸中，如圖7所示，其中徑向平均強度是指位于同一徑向距離的4個不同深度處的不排水強度的平均值，同時用3次多項式進行擬合，得到徑向平均強度的擬合公式為Cu（L）＝－0.018 3L3＋0.420 1L2－3.668L＋30.492和徑向真空度擬合公式P（L）＝－0.066 7L3＋1.583 3L2－14.817L＋87，并且求得Cu（L）和P（L）曲線的拐點分別為7.6cm和7.9cm，可以發現兩條擬合曲線的拐點幾乎位于同一個位置，說明該試驗條件下形成的“土樁”邊界位于7.6～7.9cm這個范圍內，超出這個范圍后，徑向真空度和加固后土體強度均迅速減小，所以淤泥中徑向真空度的傳遞與加固后強度存在必然聯系.而從圖3中可以發現細顆粒富集區域僅在0～3cm，遠小于“土樁”邊界，可以認為細顆粒的徑向移動并非“土柱”形成的主要原因.

真空度在徑向傳遞的規律和加固后土體的徑向強度和含水率規律存在必然聯系.可以認為淤泥中真空度數值增長得越高，分布范圍越廣，其排水板周圍的土體的加固效果越好.所以，如何能讓真空度在淤泥中的傳遞效率更高，傳遞范圍更廣，是未來解決此類真空加固工程中真空預壓加固效果不均勻、淤堵等問題的關鍵所在.

圖7 徑向真空度和不排水強度與徑向距離的擬合曲線

4 結 論

1）淤泥中的部分細顆粒在大真空壓力作用下會發生朝排水板的移動，但其移動量不足以形成排水板周邊隆起的“土樁”.與原泥中的粘粒含量相比，粘粒流失區域的粘粒最大流失含量為5.17%，粘粒富集區域的粘粒最大增加含量僅為2.56%，并且富集區域非常小，僅在0～3cm處有富集現象.

2）淤泥中真空度在抽真空過程中首先經歷一個啟動階段，之后真空度慢慢增長，并且淤泥中真空度的分布在抽真空過程中沿徑向存在一個衰減的規律，在抽真空245h后，徑向3cm、7cm和12cm處的真空度分別為55kPa、38kPa和22kPa，越靠近排水板真空度越大，反之則越小.

3）靠近排水板的區域的加固效果要優于遠離排水板的區域，這主要表現在加固后土體強度沿徑向遞減而含水率沿徑向遞增.各層土體距離排水板1cm的測點的強度比距離排水板12cm的測點的強度大12kPa左右，而1cm處的含水率比12cm處的含水率小2.31%左右.

4）通過對徑向真空度分布曲線P（L）和加固后土體徑向平均強度分布規律曲線Cu（L）求解拐點，發現兩者拐點幾乎位于同一位置，即真空度可以廣泛分布并達到較高數值的區域即為具有高強度的“土樁”區域，而真空度沒法有效傳遞到或只能達到較低數值的區域即為“土樁”區域外的軟弱帶.可以認為，“土樁”的主要成因是：在真空負壓作用下，靠近排水板區域的淤泥首先經過排水固結逐漸形成強度較大的“土樁”，之后“土樁”又逐漸阻礙真空度向遠處傳遞，直到這兩種作用達到平衡狀態.

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