高含水率有機質河道底泥壓縮性狀試驗研究

黃爍菡，王婧，牟聰，丁建文

(東南大學 巖土工程研究所，南京 210096)

城市內河底泥是來源于生活、工業的污染物質經物理、化學和生物作用沉積于河床底部，形成富含有機質和營養鹽的灰黑色淤泥[1-2]。通常人類活動越活躍的區域，河湖底泥中有機物質含量越高。這些有機物質的存在，致使河湖底泥性狀呈現與非污染疏浚泥不同的物理-力學性狀。近年來，許多學者針對河道底泥工程特性開展的一系列研究[3-5]表明，城市河道底泥組成復雜，底泥中有機質含量高，造成其具有高含水率、細顆粒成分高、低透水性的特點。

土中有機質常被視為對工程不利的物質成分，大量研究表明，有機質具有極強的持水性和吸水性[6]，同時，土中有機質含量升高會引起土體陽離子交換量增大、初始孔隙比上升等特性[1-2]，這些特性造成有機質土的天然含水率、液限含水率高，高含量的有機質通常造成土體的壓縮性、蠕變性增大，強度減小，穩定性降低[7-9]。底泥中的有機質含量會直接影響底泥的排水性能，研究河道底泥的壓縮性狀，有助于了解底泥排水性能和潛在的壓縮體積量，為工程應用中高含水率疏浚底泥的排水有效處理和填埋堆場庫容有效利用提供直接指導[3]。已有研究主要通過人工添加研究有機質對土體物理-化學-力學性狀的影響，針對河道污染底泥，開展有機質的影響規律研究較少。

筆者以福州晉安區3條河道底泥和揚州七里河河道底泥為研究對象，采用過氧化氫處理改變河道底泥中有機質含量，并制備初始含水率約為1.0、1.5和1.75倍液限wL的試樣開展一維壓縮試驗，探索有機質含量和初始含水率對河道底泥壓縮性狀的影響規律。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料與方法

試驗底泥取自福建省福州市和江蘇省揚州市。其中，浦東河底泥、水上公園底泥和鳳坂河底泥分別取自福建省福州市晉安區的浦東河、水上公園人工湖和鳳坂河；七里河底泥取自江蘇省揚州市七里河。試驗底泥的基本物理性質如表1所示。由于底泥的孔隙液中含有可溶物質(溶解性有機質、營養鹽、重金屬離子等)，底泥烘干后，孔隙液中的可溶物質以固體形式存在于干土土粒中，按照常規方法計算含水率會產生誤差，因此，采用Noorany[10]提出的含液率概念計算土樣含水率。底泥的比重Gs采用標準比重瓶法測定[11]，測定過程中為了防止水與有機質產生反應，采用煤油代替水進行試驗；有機質含量采用440 ℃高溫灼燒測定底泥的燒失量(Loss On Ignition，LOI)[12]；液限wL和塑限wP分別采用碟式液限儀和搓條法測定[13]。

表1 河道底泥基本物理參數Table 1 Physical properties of river sediments

采用濃度為30%的過氧化氫溶液淋洗處理浦東河底泥。過氧化氫和底泥中有機物質發生氧化反應，使底泥中有機物質分解水和二氧化碳，在不引起底泥土顆粒礦物成分組成和含量變化的條件下，可有效降低底泥中的有機質含量[14-15]。故采用過氧化氫淋洗法，使浦東河底的有機質含量由9.5%降低到6.87%和3.67%，將淋洗后有機質含量為6.87%和3.67%的浦東河底泥分別稱為浦東過氧化氫淋洗底泥1#和2#。表2是過氧化氫溶液淋洗前后浦東河底泥的基本物理性質。

表2 過氧化氫淋洗前后浦東河底泥的基本物理參數Table 2 Physical properties of Pudong river sediments with or without hydrogen peroxide treatment

1.2 固結試驗方法

河道底泥由于沉積環境、疏浚技術等的影響，其天然含水率通常高于液限，呈流塑狀態[16]。因此，為更好地符合實際情況，試驗配置固結試樣的初始含水率將普遍大于液限。通過向現場取回的底泥加入原位河水并攪拌均勻，調整成泥樣初始含水率分別為0.96～0.99倍、1.48～1.5倍和1.72～1.75倍液限。根據泥樣初始含水率和環刀體積(高4 cm、直徑6.18 cm)，計算固結試樣質量，保證放入環刀內泥樣質量和計算值間誤差小于2%。向固結盒內注入現場取回的原位河水，液面高于試樣頂部，并靜置24 h。

為避免高含水率泥樣從透水石側壁擠出，固結試驗第1級荷載選用0.5 kPa，采用Hong等[17]研制的低應力起始固結儀進行加載，荷載施加順序為0.5 kPa→1.5 kPa→3.125 kPa→6.25 kPa→12.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa→1 600 kPa。由Zeng等[18]的研究可知，每級荷載下加載時間3 h，可保證試樣主固結的完成。試驗過程中，固結盒內注入現場取回的原位河水，保證試樣始終處于飽和狀態。

2 試驗結果

2.1 河道底泥原泥壓縮性狀

表3是4種河道底泥的一維固結試驗方案，其中浦東河底泥固結試樣的初始含水率為0.99倍、1.50倍和1.72倍液限，水上公園固結試樣初始含水率為1.50倍液限，鳳坂河底泥固結試樣初始含水率為0.96倍、1.50倍液限，七里河底泥固結試樣初始含水率為0.99倍、1.48倍液限。

表3 底泥試樣固結試驗方案Table 3 Programme of one-dimensional incremental load consolidation tests of river sediments

注：eL為對應于液限的孔隙比；e0為固結試樣的初始孔隙比。

圖1(a)、(b)分別為浦東河底泥、水上公園底泥、七里河底泥和鳳坂河底泥e0/eL=1.48～1.50、0.96～0.99時的壓縮曲線e-lgσ′v。底泥的壓縮曲線與高初始含水率重塑土的壓縮曲線一致，呈倒“S”形。Hong等[17]將這一現象歸因于重塑土中存在類似于天然沉積黏土的屈服應力σ′yr。當豎向有效應力σ′v小于屈服應力σ′yr時，各壓縮曲線較為平緩；當豎向有效應力σ′v大于屈服應力σ′yr時，土體的壓縮性增大，壓縮曲線陡然下降。

圖1 相同e0/eL值的河道底泥壓縮曲線Fig.1 Compression curves of reconstituted river

這4種河道底泥有機質含量、液限等參數指標均不相同。從圖1中可以看出，eL值較大的底泥壓縮曲線始終在eL較小的底泥壓縮曲線上方。長期以來,針對重塑無機土壓縮性狀的研究結果表明，e0和eL是影響重塑土壓縮特性的兩個重要物理參數。Skempton[19]總結了20多組天然沉積土，發現液限不同土樣的壓縮性不同，各種深度天然土的含水率與液限的比例在0.6～1.5之間。Nagaraj等[20]提出用參數e0/eL歸一化壓縮曲線。Burland[21]認為，相較于液限wL，液限孔隙比eL更加適合分析重塑土的壓縮性狀。這一試驗證明，與無機質土的壓縮曲線特性相同，液限孔隙比eL是影響底泥壓縮曲線的重要物理參數。

(1)

圖2是底泥的液限孔隙比eL與壓縮指數Cc的關系圖。從圖2可以看出，底泥的壓縮指數隨液限孔隙比eL的增大而增大，表明液限孔隙比eL高的底泥具有較高的壓縮性。

圖3(a)、(b)、(c)分別是不同初始含水率的浦東河底泥、鳳坂河底泥和七里河底泥的壓縮曲線e-lgσ′v。初始含水率值較高的底泥的壓縮曲線始終在初始含水率較低的壓縮曲線的上方，河道底泥壓縮性隨初始含水率的增加而增大。

圖2 底泥液限孔隙比eL與壓縮指數Cc關系圖Fig.2 Compression curves of reconstituted river sediments

圖3 不同初始含水率下底泥壓縮曲線Fig.3 Effect of initial water content on compression curves

重塑土的壓縮曲線中存在一個豎向有效應力界限值，超過這一界限值，重塑土的壓縮性迅速增大，壓縮曲線陡降，這一豎向有效應力的界限值即是重塑屈服應力。重塑屈服應力采用Butterfiled[22]提出的確定方法，壓縮曲線在ln(1+e)-lgσ′v雙對數坐標下變換為兩條直線，這兩條直線的交點即為重塑屈服應力。圖4是底泥重塑屈服壓力與e0/eL的關系圖，從圖4可以看出，隨著底泥初始含水率的增大，底泥的重塑屈服應力減小。Hong等[17]指出，土的重塑屈服應力與土體的初始孔隙比與液限孔隙比之間的比值e0/eL有關，并提出重塑屈服應力預測公式σ′yr= 5.66/(e0/eL)2。

圖4 底泥重塑屈服壓力與e0/eL關系圖Fig.4 The e0/eL effects on remoulded yield

2.2 有機質含量對河道底泥壓縮性狀的影響

土中有機質含量變化通常會改變土體的比重以及液限值[7, 23-24]。土體的比重Gs和液限wL是直接影響土體液限孔隙比eL的兩個參數。圖5、圖6分別為浦東河底泥液限、比重與有機質含量關系圖。結果表明，浦東河底泥有機質含量升高引起底泥液限升高、比重降低。土體的液限孔隙比公式為

eL=Gs×wL

(2)

圖5 有機質含量與底泥液限含水率關系圖Fig.5 Organic matter contents effects on

圖6 有機質含量與底泥比重關系圖Fig.6 Organic matter contents effects on

圖7為浦東河底泥液限孔隙比eL與有機質含量的關系圖，試驗結果表明，有機質含量升高會導致底泥的液限孔隙比增大。

圖7 有機質含量與底泥液限孔隙比eL關系圖Fig.7 Organic matter contents effects on

表4為過氧化氫淋洗前后的浦東河底泥的一維固結試驗方案，固結試樣的初始含水率為0.98～0.99倍、1.48～1.50倍和1.72～1.75倍液限范圍內。

表4 不同有機質含量浦東河底泥固結試驗方案Table 4 Programme of one-dimensional incremetal loadconsolidation tests of Pudong river sediments with organic contents

圖8(a)、(b)、(c)分別為過氧化氫淋洗前后浦東河底泥固結土樣e0/eL=0.98～0.99、1.48～1.5和1.72～1.75時的壓縮曲線e-lgσ′v。不同有機質含量底泥壓縮曲線層次上存在明顯差異，有機質含量高的底泥的壓縮曲線位于有機質含量低的底泥的壓縮曲線上方。隨著豎向有效應力的增加，有機質含量高的底泥展現了更高的壓縮性，各壓縮曲線之間的差距減小。李學等[25]通過研究固結過程中吹填土的微觀特征，并采用模擬試驗定量分析有機質對吹填土工程性質的影響，發現在土體固結過程中，100 kPa和400 kPa是土體中有機質結構發生變化的兩個特征值，在100 kPa豎向壓力下黏土顆粒和有機質之間的團聚體穩定性遭到破壞，而在400 kPa豎向壓力下有機質顆粒發生破壞。因此，在豎向壓

圖8 相同e0/eL值不同有機質含量的浦東河底泥壓縮曲線Fig.8 Effect of organic matter contents on compression curves of Pudong clay at same

力較大時，不同有機質含量的底泥壓縮曲線逐漸趨于一致。

Zeng等[26]通過人工添加腐殖酸的方式改變土體中有機質含量，并進行了26組的一維固結試驗。試驗結果表明，腐殖酸對土體壓縮性質的影響主要是通過改變土體的初始孔隙比e0和液限孔隙比eL兩個物理參數。當e0和eL相同時，無機土和有機質土的e-lgσ′v壓縮曲線基本一致。

圖9為不同有機質含量的浦東河底泥的重塑屈服應力與e0/eL關系圖，隨著初始含水率增大，重塑屈服應力呈減小趨勢。試樣的e0/eL比值相同時，底泥的重塑屈服應力基本一致，這表明，有機質含量主要通過改變底泥的初始孔隙比e0與液限孔隙比eL影響重塑屈服應力σ′yr。

圖9 不同有機質含量浦東河底泥屈服壓力與e0/eL關系圖Fig.9 e0/eL effects on remoulded yield stress of Pudong river sediments with different organic

圖10為浦東河底泥壓縮指數與有機質含量關系圖。底泥的壓縮指數隨有機質含量的增大而增大，表明底泥中的有機質含量越高，底泥呈現出越高的壓縮性。林琳等[27]采用人工添加腐殖酸的方式研究有機質對黑土壓縮特性的影響，也得出類似的結論。

圖10 底泥壓縮指數與有機質含量關系圖Fig.10 Organic matter contents effects on

3 結論

通過對福州晉安區和揚州七里河共4條河道底泥的系列壓縮試驗研究，得出如下主要結論：

1)在e0/eL值相同的條件下，液限孔隙比eL較大的底泥的壓縮曲線始終在液限孔隙比eL較小的壓縮曲線上方，與無機土類似，初始孔隙比e0和液限孔隙比eL也是分析和評價河道底泥壓縮性狀的關鍵控制因素。

2)在eL值相同的條件下，河道底泥初始含水率增加，底泥重塑屈服應力σ′yr減小，壓縮指數增大。

3)底泥有機質含量上升，壓縮指數呈現上升趨勢，有機質含量增加主要通過影響河道底泥的液限和比重，進而導致河道底泥重塑屈服應力σ′yr和壓縮性狀發生改變。