鹽城港濱海港區高含水率淤泥水力滲透固結特性研究

嚴正春　孫浩　梁同好　王圣萍　徐桂中

摘要：隨著沿海開發上升為國家戰略，航道疏浚，港口、船閘建設，圍海造地等工程建設活動日益增多，在這些工程中均會產生大量的疏浚淤泥。采用水力滲透固結法對鹽城港濱海港區高含水率淤泥的壓縮滲透特性開展研究，試驗顯示，水力滲透固結方法可以有效的測試濱海港高含水率淤泥壓縮特性及滲透特性。試驗結果表明，由于濱海港淤泥位于在塑性圖中位于A線以下，屬于粉質土，所以目前關于粘性淤泥的壓縮特性及滲透特性的預測方法不適用于濱海港淤泥。在e-logσ坐標系中，濱海港淤泥的孔隙比隨有效應力呈線性變化關系。在lge-lgk坐標系中，濱海港淤泥的滲透系數隨孔隙比呈線性變化關系。最后，提出了濱海港淤泥的孔隙比～有效應力及滲透系數～孔隙比關系的定量化描述方法。

關鍵詞：淤泥；壓縮特性；滲透特性；液限

中圖分類號：Tu 411.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）04-0033-06

隨著沿海開發上升為國家戰略，航道疏浚，港口、船閘建設，圍海造地等工程建設活動日益增多，在這些工程中均會產生大量的疏浚淤泥。目前，這些新產生的淤泥一般被放入堆場放置或采用真空固結法處理后作為填土使用。因此，了解高含水率的固結特性，包括壓縮特性及滲透特性，是有效預測疏浚淤泥固結過程的前提。鹽城港濱海港區是江蘇沿海開發“三極一帶多節點”空間布局中的重要節點，內河疏港航道作為港口集疏運體系的重要組成部分，對濱海港區的發展具有重要作用。濱海港區疏港航道工程包括運鹽河船閘和濱海船閘兩座，區域內的1-2層為約7m厚的淤泥質粉質粘土，該層淤泥含水率高、液性指數達1.2以上，處于流動狀態，強度極低，不能直接用作地基，需要進行疏浚清除。目前，技術人員提出將該層淤泥開挖后進行真空預壓處理，并將處理后的土作為本工程中的填土使用，這樣不僅可以解決該層淤泥無場地堆放的難題，還可以增加填料，降低工程成本。因此，了解該層淤泥的壓縮特性是預測真空預壓法處理該層淤泥效果的前提。

需要指出，傳統的固結儀及滲透儀都無法運用于高含水率疏浚淤泥的固結特性的測試。為了研究高含水率淤泥的壓縮特性，對傳統的壓縮儀進行改進，改進后的壓縮儀的最小壓力可以降低至0.5kPa。則采用自平衡裝置設計出固結儀，該固結儀可以施加的最小壓力為0.1kPa，同時可以進行滲透試驗。但上述試驗方法仍有一些缺點，首先，上述方法往往只使用于含水率小于2倍液限時的淤泥，對于含水率大于2被液限時的淤泥不適用；其次，上述試驗方法測試時間長。為了克服上述方法的不足之處，提出了一種新的測試高含水率疏浚淤泥固結特性的方法——水力滲透固結法，該方法利用水的滲透力對淤泥進行加載，并在此過程中通過預先布置在泥漿中的高精度孔壓計測試不同位置的孔壓。根據泥漿固結后的孔壓及泥漿含水率的分布規律可以計算獲得疏浚淤泥在低有效應力下的孔隙比e～有效應力σ及滲透系數k-孔隙比e等本構關系。水力滲透法具有試驗簡單，可以對較高含水率時淤泥進行壓縮滲透特性測試，測試時間較短等優點。

本文的目的在于通過自行研制的水力滲透固結儀對鹽城港濱海港區產生的高含水率淤泥開展水力滲透固結試驗，探討鹽城港濱海港區高含水率疏浚淤泥的固結特性，獲得e～σ關系及k～e關系的評價方法。

1.試驗方案

1.1土樣介紹

本文試驗所用的土樣為取自于中國江蘇濱海工業園區內疏浚淤泥堆場中的疏浚淤泥，這些淤泥產生于濱海港區運鹽河船閘的施工過程中。表1為濱海港淤泥的基本物理指標，圖1顯示了濱海港淤泥在塑性圖中的位置，由圖1可知，濱海港淤泥在塑性圖中位于A線以下，屬于粉質淤泥。

1.2試驗設備與方法

本次試驗采用的水力滲透固結儀為由鹽城工學院研制的水力滲透固結儀，該設備由土樣室、孔壓傳感器、水頭裝置及數據采集裝置等幾部分組成。土樣室為直徑為14cm，高30cm，側面布置了10個高精度的孔壓計，孔壓計的精度為10Pa。

為了盡量減少土樣室側面對淤泥沉降的影響，孔壓傳感器呈螺旋方式布置于土樣室的側面，相互間垂直距離為2.5cm。孔壓計與采集器相連，并連接至電腦。為了能夠對土樣室中的土樣施加滲透力，所以土樣室與水頭裝置相連。圖2為本次試驗所用水力滲透固結儀土樣室的實物圖。

試驗前，首先制備含水率為土樣液限3倍的高含水率泥漿，將泥漿倒人土樣室中，并對土樣室中的泥漿施加0.8m高度的水頭差，此時，水由泥漿的上表面經過泥漿滲透至下表面并排出。在水的滲透作用下，泥漿發生固結。試驗過程中，記錄泥漿的高度h和出水量Q。同時，采集不同時間時的孔壓u。待泥面沉降趨于停止后，將土樣室中的土樣分層取出，并測試每層泥漿的平均含水率wm。在此之后，根據上述數據可以計算獲得疏浚淤泥的孔隙比隨有效應力及滲透系數隨孔隙比的變化關系。

2.試驗成果與分析

圖3顯示了泥漿沉降量隨時間的變化關系，其中，空心圓顯示的為s～T曲線，實心圓顯示的為s—logT曲線。由圖3中s～T曲線可知，在整個試驗期間，沉降量隨時問不斷增加，而且沉降速率也有所變化。在試驗開始后的前10000分鐘內，泥漿沉降較快，沉降速率較大，累計沉降量達7cm。在此之后，泥漿沉降較小，在試驗后10000-30000分鐘內，泥漿的沉降速率迅速降低，累計沉降量也相對較小，沉降量由7cm僅增加到9cm。另外，由圖3可知，s～logT曲線呈現反“s”型，當試驗時間達到32 000分鐘后，S～logT曲線趨于水平，表明此時泥漿的沉降趨于停止。根據土力學基本理論可知，s～logT曲線趨于水平標志著土樣內部超靜孔壓基本消散，土樣固結完成。由此可見，圖3中所示本次試驗達到30000分鐘后，固結基本完成。

圖4為半對數坐標系下，濱海港淤泥中孔壓隨時間的變化關系。由圖4可知，泥漿中孔壓隨時間不斷消散，在試驗前10000分鐘內，1號和2號位置處孔壓均變化較大，3-10號位置孔壓變化不明顯。但在10000分鐘之后，3-10號孔壓隨時間的變化逐漸減小，并在30000分鐘趨于平穩，表明此時超靜孑L壓基本消散結束。另外，由圖4可知，孔壓消散完畢的時間隨孔壓計位置的增高而增加，底部1號孔壓計超孔壓消散結束的時間約為10000分鐘，而頂部10號孔壓計中超孔壓消散完畢的時間約為30000分鐘，這與圖3中泥漿沉降基本穩定的時間基本一致。

圖5為泥漿固結完成后，孔壓隨泥漿高度的變化規律，由圖5可知，孔壓隨泥漿高度的增加而增加，在上部泥漿中，孔壓隨深度的變化較小，在泥漿下部，孔壓隨深度的變化較大。另外，由圖5可知，孔壓隨高度呈良好的指數變化關系。

圖6顯示了試驗過程中出水量隨時間的變化規律，圖6中顯示，累計出水量隨時間的增加而增加。但曲線的斜率逐漸變小，最終斜率保持不變，為一條直線。這表明，出水量隨時間的增加而降低，最終出水量保持常量。分析認為，上述現象是由于，試驗過程中，泥漿不斷發生固結，孔隙比不斷減小，所以泥漿的出水量也逐漸減小。但當泥漿固結完成后，泥漿的孔隙比不再減小，所以出水量隨時間保持常速率，因此累計出水量曲線呈現直線。另外，單位出水量保持常數也表明泥漿固結基本穩定。

圖7為濱海港高含水率淤泥低有效應力狀態下的壓縮曲線，圖7中顯示，低有效應力狀態下淤泥在e～logσ坐標系中呈線性分布。分析認為，前人研究的疏浚淤泥在塑性圖中位于A線以上，屬于粘性土，而本次試驗所用的濱海淤泥在塑性圖中位于A線以下，屬于粉土范疇，這可能是導致本次試驗成果與前人研究差異的原因。另外，通過對本次試驗獲得的濱海高含水率淤泥獲得的e～σ數據進行擬合，可以獲得式（1），因此，式（1）可以描述濱海港淤泥的壓縮特性。

通過自制的固結儀對初始含水率高達三倍液限的不同疏浚淤泥開展固結滲透試驗，并采用相對孔隙比e/el（土樣孔隙比e與土樣液限時孔隙比el的比值）作為歸一化參數對獲得的不同液限疏浚淤泥的壓縮曲線進行歸一化處理，獲得了歸一化曲線，如式（2）所示。

圖8顯示了本次試驗濱海港淤泥的歸一化孔隙比e/el隨有效應力的變化關系，同時式（2）描述的關系同樣顯示于圖8中。圖8中顯示，濱海疏浚淤泥的歸一化壓縮曲線位于式（2）所示曲線的上方，表明式（2）并不能預測濱海疏浚淤泥的壓縮曲線。

圖9顯示濱海港淤泥滲透系數隨孔隙比的變化關系，其中。實心圓顯示的e-logk曲線，空心圓顯示的為loge-logk曲線。由圖可知，在半對數坐標系中，e-logk曲線呈略微上凹的曲線。諸多學者在研究原狀土的滲透特性時發現，粘性土的e-logk曲線的斜率ck約為土樣初始孔隙比的0.5倍。研究發現，重塑淤泥的e-logk曲線的斜率ck與其孔隙比相關，介于0.3～0.7e之間。圖10中顯示了濱海淤泥e-logk曲線的斜率ck隨孔隙比的變化關系，圖中顯示，濱海港土樣的ck同樣介于0.3-0.7倍液限之間。

另外，由圖9可知，在雙對數坐標系中，濱海港淤泥的滲透系數隨孔隙比呈線性變化關系，可用式

圖11為濱海淤泥滲透系數隨相對孔隙比的變化關系，圖11中顯示，在相同的相對孔隙比下，濱海港淤泥的滲透系數介于式（4）和式（5）所示的滲透系數預測方法之間，并且三者的差異并隨相對孔隙比的增加而增加。

4.結論

本文采用水力滲透固結法對鹽城濱海港區產生的高含水率淤泥進行固結滲透試驗，探討濱海港區淤泥的e-σ關系和e～k關系，獲得如下結論：

（1）水力滲透固結方法是一種合理有效的測試高含水率淤泥壓縮特性及滲透特性的試驗方法。

（2）由于濱海港淤泥位于在塑性圖中位于A線以下，屬于粉質土，所以目前關于粘性淤泥的壓縮特性及滲透特性的預測方法不適用于濱海港淤泥。

（3）在e-logσ坐標系中，濱海港淤泥的孔隙比隨有效應力呈線性變化關系，可采用式（1）進行描述。

（4）在1ge-lgk坐標系中，濱海港淤泥的滲透系數隨孔隙比呈線性變化關系，可采用式（3）所示的關系進行描述。