真空預壓加固吹填軟土地基的室內模型試驗與淤堵機制

朱向陽，陳祥龍，江舜武，鄧永鋒，金亞偉

（1.連云港港口集團，江蘇 連云港 222000；2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096；3.中交第二航務工程局有限公司技術中心，湖北 武漢 430040；4.江蘇新蘇港投資發展有限公司，江蘇 連云港，222042；5.江蘇鑫泰巖土科技有限公司，江蘇 宜興 214267）

0 引言

吹填土是典型的通過水力吹填形成的一種新近欠固結軟土，是在整治和疏通江、海、河、湖水域時，采用挖泥船和泥漿泵，把淤積泥砂以泥漿形式吹填到岸邊或施工場地內，逐步沉積形成的土體[1]。我國沿海城市地區經濟發達，人口眾多，人均土地面積較少，通過人工吹填灘涂淤泥進行圍墾造陸能有效解決沿海地區土地資源緊缺的問題[2-5]。

排水固結法常用來處理人工吹填超軟土[6-8]，然而在工程實踐中，排水體系的淤堵是該加固方法進一步推廣的主要技術障礙。為了解決疏浚淤泥地基真空預壓工程實踐中的淤堵問題，國內外學者從不同方面進行了研究，其中高效濾水性能的土工織物是一個研究熱點[9-12]。

在采用新型防淤堵真空預壓法處理吹填淤泥現場試驗中，其高效濾水性能的土工織物在克服濾水通道的淤堵問題上效果明顯[1，5]，但現場試驗依然出現“土柱”現象。本研究工作將膠體化學知識引入到該項研究中，開展了室內模型、微觀壓汞和膠體測定試驗，探究其板周土體淤堵機制，為解決吹填土地基真空預壓淤堵問題提供參考數據。

1 室內模型試驗裝置與方案

新型防淤堵真空預壓室內模型試驗土樣來自恒大海南海花島現場試驗場地淤泥。在2015年9—12月期間，作者參與了恒大海南海花島新型防淤堵真空預壓試驗現場，熟悉新型防淤堵真空預壓的施工工藝以及施工流程和監測試驗數據。現場試驗之后，發現雖然在使用了新型防淤堵排水板，改進施工工藝之后，工程中的“土柱”現象得到了改善，但是排水板附近土體淤堵并沒有得到實質性的解決，本文旨在發現并明確其淤堵的作用機理，而設計了室內模型試驗。

室內模型試驗的試驗裝置是在直排式真空預壓模型試驗基礎上改裝后形成的。主要把普通的B型排水板改為新型防淤堵排水板，PVC真空膜代替原有試驗所用的普通塑料袋，防堵真空預壓濾水管采用準25 mmPVC鋼絲軟管代替普通的PVC管。新型防淤堵真空預壓在直排式真空預壓的基礎上進行了演變，不僅用新型防淤堵排水板取代了傳統排水板，改善了豎直排水路徑；而且采用了無孔鋼絲軟管取代了水平波紋管，避免了水平波紋管在抽真空過程中因地基不均勻沉降而拉裂；連接方式也從包扎捆綁改進成了三通密封接頭，槍釘固定，解決了豎直排水路徑與水平排水路徑接頭處易堵的問題，形成了一個密閉貫通的獨立排水系統。

模型試驗沉降柱剖面圖見圖1。

圖1 沉降柱剖面圖Fig.1 Section diagram of settling column

本文把恒壓抽真空時間作為參數變量，分別測定15 d、22 d、29 d、36 d、43 d和50 d 6組室內模型試驗數據結果。

1）真空預壓抽真空過程中：淤每天定時讀取沉降量；于一定間隔時間讀取真空表的讀數；盂從飽和缸中抽出尾水，測得飽和缸中的尾水質量，選取其中部分用于烘干，觀察烘干后現象。

2）抽真空結束泵停之后：淤對真空預壓抽出的尾水宏觀上開展了丁達爾效應試驗，微觀上用Zeta電位測試與Malvern的Nano-ZS激光粒度測試，明確膠體的形態；于含水率：水平方向取0~1 cm、1~2 cm、2~3 cm、3~4 cm、4~5 cm、5~6 cm、6~7 cm、7~8 cm、8~9 cm、9~10 cm、10~11 cm、11~12 cm和12~13 cm的泥土試樣，并分別取距離沉降柱底部10 cm、20 cm、30 cm為豎直取樣，然后聯合測含水率；盂不排水十字板剪切強度：豎直方向取距離沉降柱底部10 cm、20 cm和30 cm和水平方向1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、7 cm、8 cm、9 cm、10 cm、11 cm、12 cm和13 cm聯合測定對應點的十字板剪切強度，把13組測定點分布在4個方向，這樣可以更好地控制試驗相互之間的擾動影響。

2 試驗結果與分析

2.1 真空度傳遞

按照試驗方案，分別記錄了15 d、22d、29 d、36 d、43 d和50 d的真空度數據。由于真空度穩定后，其空間變化規律較為相近，文中僅選取50 d的典型數據，如圖2所示。圖2中可以發現，土體中有真空度的時間會延后，上漲速度快。在剛開始抽真空的時候，雖然飽和缸真空度顯示的真空壓力為100 kPa，但是沉降柱（圖1）中距離排水板水平距離3 cm、7 cm、12 cm的真空表都沒有真空度，隨著排水板的距離越遠，開始有真空度的時間也相對延長，離排水板距離最近的3 cm先有真空度。一但有了真空度之后，真空度的上漲速度就很快，而最先穩定下來的反而是離排水板距離最遠的12 cm，達到了30 kPa。

圖2 抽真空50 d真空度Fig.2 Vacuity of 50 d vacuum

圖2 中最明顯的規律就是離排水板距離越近，真空度越高，這與現有文獻普遍認知的“真空度會在土工材料和淤泥傳遞中不斷衰減”相吻合。但是，還有一個規律：在飽和缸真空度穩定在100 kPa，抽真空穩定以后20 d左右，距離排水板3 cm、7 cm、12 cm的真空度分別基本穩定在67 kPa，53 kPa，28 kPa。由固結機理可知，真空度越大，孔隙水越容易被排出，固結越快、越大，靠近排水板位置的土體塌陷幅度應該更大，而本文室內模型試驗卻形成“土柱”現象，表明真空預壓過程中，土壤顆粒出現了移動。

2.2 含水率分布

按照試驗方案，15 d、22 d、29 d、36 d、43 d和50 d 6組真空預壓后，板周土含水率分布規律如圖3和圖4所示。

對比距離沉降柱底10 cm與30 cm的土體，43 d和50 d的含水率兩者之間的差距非常小，靠近排水板位置的土體幾乎沒有區別，說明已經達到了有效抽真空的極限時間。此時，孔隙被堵塞，只有更大的真空負壓力才能把水抽出，在真空負壓力和淤堵作用此消彼長情況下，最終就會形成一個平衡，土中水就不再能被排出了。

圖3 距離沉降柱底10 cm含水率Fig.3 Moisture content with 10 cm from the bottom of settling column

圖4 距離沉降柱底30 cm含水率Fig.4 Moisture content with 30 cm from the bottom of settling column

圖3 和圖4也表明，距離排水板越近，含水率越低，同時，距離沉降柱底部越近，含水率越高，如抽真空50 d，距離沉降柱底10 cm、20 cm和30 cm，含水率分別為34%~38%、30%~36%、28%~35%，其他試驗組也有相似規律。含水率分布規律符合真空預壓抽真空的工作機理，即在抽真空時，排水板中的空氣是最先被真空泵抽出，在排水板形成負壓邊界，而排水板附近土體排水路徑最短，孔隙水最容易被排出。該現象也驗證了真空度的傳遞規律，即在傳遞過程中真空度會隨著傳遞路徑（橫向、豎向）的增加而逐漸衰弱，真空壓力降低。圖中可以發現靠近排水板1/3距離這段含水率的斜率上升非常快，而離排水板較遠的含水率曲線則較為平緩，結合室內模型試驗“土柱”現象與真空度的分布規律，同樣表明土壤顆粒發生移動富集在排水板附近。

2.3 十字板剪切強度分布

圖5 不排水十字板剪切強度試驗結果Fig.5 Test result of undrained vane shear strength

室內模型試驗抽真空完畢以后進行十字板試驗。15 d、22 d、29 d、36 d、43 d和50 d 6組試驗數據和距離沉降柱底部10 cm、20 cm、30 cm試驗數據都有類似的典型數據規律：靠近沉降柱底部的土體不排水十字板強度比上部的要稍微低一點，而靠近排水板的土體不排水十字板強度遠比遠離排水板的高，如圖5，表明了真空度在徑向傳遞過程中有不同程度的衰減。同樣，0~4 cm的不排水十字板剪切強度遠大于距離排水板稍遠的土體，0~4 cm土體也就是本文所說的“土柱”現象范圍。由于小粒徑的顆粒被不斷負真空壓力帶動下聚集在了排水板附近，形成了致密的土體，導致了不排水十字板剪切強度很高。結合含水率分布規律，0~4 cm的土體含水率變化幅度很大。距離排水板徑向越近，含水率越小，強度越大，土壤顆粒富集在排水板附近，在0~4 cm的“土柱”范圍內尤其明顯。6組真空預壓抽真空的試驗結果依次分別顯示不排水十字板剪切強度在4.0~8.5 kPa，5.0~12.5 kPa，8.0~18.0 kPa，11.0~24.0 kPa，13.0~30.0 kPa，16.0~34.0 kPa，結果表明各組之間不管是最低強度還是最高強度都隨著真空預壓抽真空的時間增加而增加，15 d和22 d整體上升趨勢不明顯，29 d相對于15 d和22 d上升速度很快，后期36 d，43 d，50 d比較平穩。這與含水率在抽真空43 d，50 d的含水率變化幅度很小這一現象一致。

3 微觀壓汞試驗

本文在距板芯0~4 cm處，即“土柱”現象最明顯的位置，取樣后開展壓汞試驗，觀察真空預壓36 d、43 d、50 d后板周土體的微觀孔隙特征。采用 Micromeritics Autopore郁 Mercury Porosimeter全自動壓汞儀。取樣過程中盡量避免了擾動，鋁盒中倒入液氮，直到淹沒試樣，隨后放入冷凍干燥機中抽真空冷凍干燥48 h。凍干試樣放入干燥皿中干燥24 h后，進行壓汞試驗。如圖6，36 d、43 d、50 d真空預壓曲線的累積總進汞量依次減小，即總孔隙率減小，試驗土樣的致密程度增高，這與十字板剪切強度分布規律一致。抽真空時間越長，試樣的累計進汞量越低。隨著抽真空時間越長，50 d真空預壓試驗土樣曲線有明顯的往左偏移，表明小孔隙的孔徑在增多，而大孔隙的孔徑在減少。如圖7，真空預壓抽真空36 d、43 d、50 d孔隙密度分布曲線均呈現出單峰，43 d的峰值小于但接近50 d的峰值，36 d的峰值類似。真空預壓抽真空50 d和43 d的孔隙密度分布曲線的峰值均在300 nm左右，主要孔隙分布范圍在100~600 nm，36 d的孔隙密度分布曲線的峰值在500 nm左右，主要孔隙分布范圍在200~700 nm。可以發現36 d、43 d、50 d的孔隙密度分布曲線的峰值沿坐標軸往負方向偏移，表明36 d、43 d、50 d的孔隙粒徑逐漸減小，即小孔隙粒徑所占比例逐漸增大。

圖6 累積孔隙進汞曲線Fig.6 Curves of cumulated pore mercury intrusion

圖7 孔徑分布密度Fig.7 Pore diameter distribution density

4 膠體試驗

膠體是指直徑在1~100 nm之間的顆粒，但是實際上土壤中直徑小于1 000 nm的黏粒都具有膠體的性質，所以通常所說的土壤膠體實際上是指直徑在1~1 000 nm之間的土壤顆粒，它是土壤中最細微的部分[13]。土壤中所有膠粒都是帶電的，這是膠體的基本條件，是土壤產生離子吸附和交換、離子擴散、酸堿平衡、氧化還原反應以及膠體的分散和絮凝的根本原因。黏土礦物的結構單位是硅氧四面體和鋁氧八面體，硅氧四面體的中心離子Si4+和鋁氧八面體的中心離子Al3+能被其它離子所代替，從而使黏土礦物帶上電荷。如果中心離子被低價陽離子所代替，黏土礦物帶負電荷；黏土礦物膠體的中心離子若被高價陽離子取代則帶正電荷。黏土礦物的中心離子主要被低價陽離子取代：常見有Si4+被Al3+和Al3+被Mg2+取代，故黏土礦物膠體以帶負電荷為主[14-15]。

4.1 尾水特征

新型防淤堵真空預壓抽真空過程中，水通過孔隙到排水板再排出到飽和缸，而膠體小顆粒則會和水一起被帶到尾水飽和缸。抽真空前期尾水呈現黃色，尾水烘干之后呈現黃白色，其中白色物質應為Nacl晶體，黃色物質與恒大海南海花島現場試驗的土樣顏色基本一致。隨著抽真空過程持續進行，稍大的膠體顆粒會被堵在排水板附近，最終就形成了土體致密的“土柱”現象，孔隙越來越小，真空預壓抽真空后期的尾水漸漸澄清，呈現為普通水的外觀，但是烘干后，依然顯示為稍淡的黃白色，并且后期的尾水量比前期要少很多。

4.2 丁達爾效應與膠體存在性初步判別

1869年，英國科學家丁達爾發現了丁達爾現象。丁達爾現象是膠體中分散質微粒對可見光（波長為400~700 nm）散射而形成的。它在實驗室里可用于膠體與溶液的鑒別[16]。本文的新型防淤堵真空預壓室內模型試驗中，有大量的尾水從沉降柱中被真空負壓力帶到了飽和缸中，取不同時期尾水進行丁達爾試驗，同時取純凈水丁達爾試驗。早期與后期丁達爾試驗發現尾水懸浮液中有一條明亮的通路，如圖8，表明尾水具有丁達爾現象。

圖8 尾水的丁達爾效應Fig.8 Tyndal effect of tail water

4.3 尾水中膠體粒徑

尾水膠體粒度分布如圖9所示。尾水中的顆粒集中分布在80~300 nm之間，在真空時間相對較長的43 d、50 d的尾水中的顆粒相對于時間較短的更小，集中在80~100 nm附近。真空預壓處理后板周土體孔徑主要在300~500 nm之間，而測得尾水中膠體粒徑主要處在100~300 nm之間，二者之間存在一定重疊，表明了更大粒徑的膠體顆粒被淤積在板周土體內，不能隨滲流過程排出。這也說明了真空荷載作用下吹填土中土壤膠體的運移可能是導致淤堵的一個重要原因。

圖9 尾水中膠體粒徑分布Fig.9 Particle size distribution of colloid in tail water

5 結語

本文將膠體化學知識引入巖土工程學科，通過室內模型試驗，微觀壓汞試驗，膠體測定試驗等，探究了在人工吹填軟土真空預壓中，膠體顆粒的存在及移動形成淤堵機制。控制室內模型試驗抽真空時間作為參數變量，分別抽真空15 d、22 d、29 d、36 d、43 d和50 d得到6組不同深度、徑向不同位置的真空度試驗結果分布規律、含水率試驗結果分布規律和不排水十字板剪切強度試驗結果分布規律，觀察“土柱”微觀壓汞試驗，結合尾水中膠體測定試驗，明確“土柱”現象的內在原因。主要結論如下：

1）離排水板距離越近，真空度越高。在抽真空過程中，大顆粒的膠體不斷的被較小的孔隙堵在排水板附近，形成室內模型試驗“土柱”現象。含水率隨著抽真空時間逐漸降低，距離排水板距離越近，含水率越低，同時，距離沉降柱底部越近，含水率越高。從微觀的角度來講，即膠體顆粒移動富集在排水板附近，對真空度的傳遞有阻礙作用，且堵住了排水路徑，使淤泥中的水不能通過有效路徑排出。靠近排水板0~4 cm距離土樣含水率的變化非常快，而距離排水板較遠則反之，結合室內模型試驗“土柱”現象與真空度的分布規律，同樣表明土壤顆粒發生移動富集在排水板附近。沉降柱底部土體的不排水十字板強度比上部的要稍低一點，而徑向靠近排水板土體的不排水十字板強度遠比遠離排水板的高，即“土柱”現象范圍的不排水十字板剪切強度遠大于距離排水板稍遠的土體。結合含水率分布規律，距離排水板徑向越近，含水率變小，強度越大，土壤顆粒富集在排水板附近，在0~4 cm的“土柱”范圍內尤其明顯。

2）36 d、43 d、50 d真空預壓抽真空曲線的累積總進汞量依次降低，即總孔隙率降低，試驗土樣的致密程度增高，致密程度直接影響土體的強度。抽真空時間越長，試樣的累計進汞量越低。隨著抽真空時間越長，50 d真空預壓試驗土樣曲線有明顯的往左偏移，表明小孔隙的孔徑在增多，而大孔隙的孔徑在減少；真空預壓抽真空36 d、43 d、50 d孔隙密度分布曲線均呈現出單峰。可以發現36 d、43 d、50 d的孔隙密度分布曲線的峰值沿坐標軸往負方向偏移，表明36 d、43 d、50 d的孔隙粒徑逐漸減小，即小孔隙粒徑的所占比例逐漸增大。

3）對比烘干前后的尾水性質，開展不同時期尾水的丁達爾試驗，發現真空預壓尾水存在膠體顆粒；納米粒度分析表明尾水中膠體粒徑與板周土體孔徑分布存在一定的重疊，可能是導致吹填土地基真空預壓實踐中發生淤堵的一個重要原因。

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