吹填淤泥靜水沉積過程中的顆粒分選機理探討

周志彥 ，劉 鋒 ，徐桂中 ，唐 鵬

（1.江蘇鴻基巖土工程有限公司，江蘇 揚州 225002；2.宿遷市楚誠置業有限公司，江蘇 宿遷 223955；3.鹽城工學院土木工程學院，江蘇 鹽城 224055；4.江蘇科技大學土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212000）

0 引言

我國每年都需要對境內的各種水域進行疏浚，產生大量的高含水率流態泥[1]。吹填淤泥進入堆泥場后，在靜水沉積過程中會發生顆粒分選現象，導致土性沿深度分布不均[2～3]。因此，明確堆場吹填淤泥的工程特性的前提是了解其在靜水沉積過程中的顆粒分選規律。

很多學者在開展吹填淤泥靜水沉積過程中發現了顆粒分選現象[2,4]，總結后認為，初始含水率越高，顆粒分選現象越顯著[5]。根據淤泥含水率由高到低，徐桂中等[6]將淤泥顆粒分選分為不分選階段、分選度增長階段、分選度穩定階段。Xu等[6]指出，土的液限越大，靜水沉積過程中泥漿越不易發生分選，根據土的液限將土樣分為易分選土樣、弱分選土樣和難分選土樣。

本研究對不同初始含水率吹填淤泥開展靜水沉積試驗，根據靜水沉積后淤泥的含水率、顆粒級配等沿高度的分布規律，明確靜水沉積下吹填淤泥的分選規律，了解分選后顆粒級配沿高度的分布特性，分析初始含水率對顆粒分選規律的影響，探討靜水沉積過程中顆粒分選的機理。

1 靜水沉積試驗方案

試驗采用取自江蘇淮安白馬湖地區的吹填淤泥，土樣基本物理指標見表1。配置4組不同初始含水率的泥漿，初始含水率分別為液限的5倍、7.4倍、10.3倍、12.5倍。運用水瓢將攪拌均勻的泥漿快速移入事先準備好的沉降柱中，待沉降柱中的泥漿達到預定高度時，停止移入泥漿，并開始計時。沉降柱直徑12 cm，泥漿的初始高度均為45 cm。在泥漿移入沉降柱中后，泥漿表面會出現明顯的泥水分界面，記錄不同時間泥水分界面的高度。待沉積試驗開展2000 min左右，此時泥面沉降相對初期的沉降顯著較慢，結束試驗。沉積完成后，清除沉降柱表層的覆水，并采用真空吸泥裝置將沉降柱中的土樣由上至下分層抽出，每層5 cm左右。對抽出的淤泥開展含水率、液塑限、顆粒分析等測試，了解含水率、液塑限及顆粒級配等的分布情況。

表1 土樣的基本物理力學指標

2 試驗成果分析

2.1 靜水沉積過程中的泥面沉降規律

圖1為在泥面沉降量（s）～時間（t）坐標系中，泥水分界面（簡稱泥面）沉降量隨時間的變化關系。由圖可知，當初始含水率大于7倍液限時，泥面的沉降量在試驗初期（試驗開展200 min內）均隨時間呈線性增加，表明泥面等速沉降且沉降速率較大；在此之后，泥面沉降量瞬間變緩，沉降速率迅速降低，沉降曲線斜率變小，不同初始含水率泥漿泥面的沉降速率十分接近。當初始含水率等于5倍液限時，整個沉降過程中泥面的沉降速率基本相同。

圖1 沉降曲線（s-t）

在泥漿沉積規律的研究中，一般認為，泥面發生等速線性沉降是泥漿發生阻礙沉降的標志[7,8]。此時，泥漿中的土顆粒相互間尚未接觸，土的初始骨架尚未形成。由此可見，對于本次試驗，當白馬湖淤泥的含水率分別大于7倍液限時，泥漿首先發生阻礙沉降。當泥漿的含水率小于等于5倍液限時，泥漿進入自重固結狀態。

2.2 靜水沉積后含水率分布規律

圖2為不同初始含水率淤泥沉積完成后含水率沿高度的分布規律，由圖可知，當泥漿初始含水率為5倍液限時，淤泥的含水率沿深度略有降低，略小于初始含水率，但變化較小。由上述可知，當吹填淤泥的初始含水率為5倍液限時，淤泥在初始狀態時已進入自重固結狀態。由此可見，泥漿由自重固結引起的含水率的降低相對較小，這與自重固結時，泥面的沉降量較小是一致的。當初始含水率大于7倍液限時，沉積后淤泥的含水率沿高度的變化顯著大于初始含水率較小時，且隨高度的減小而迅速降低。初始含水率越高，沉積后的含水率沿深度變化越大。由上述現象可以推斷，由于自重固結時間較短，自重固結引起的泥漿的含水率的降低并不是上述泥漿含水率沿高度的顯著變化的主要原因。由下文中關于沉積后淤泥的顆粒分布規律可知，當含水率高于7倍液限時，淤泥含水率沿深度發生顯著變化與淤泥發生顆粒分選密切相關。

圖2 靜水沉積后含水率沿高度的分布規律

2.3 靜水沉積過程中的顆粒分選規律

將吹填淤泥中的土顆粒分為＜0.002mm，0.002 mm～0.005 mm，0.005 mm～0.01 mm，0.01 mm～0.075 mm 四個粒組。由于本試驗中所用各吹填淤泥土樣中大于0.075 mm顆粒的含量極低，所以沒有將大于0.075 mm顆粒作為單獨的粒組進行分析。圖3為不同初始含水率時各粒組含量沿高度的變化規律。

圖3 不同初始含水率時各粒組含量沿高度的變化

由圖3可知，當初始含水率為5倍液限時，四個粒組的顆粒均沿高度的變化較小，保持與泥漿初始狀態各粒組的含量一致。當初始含水率分別大于等于7倍液限時，各組試驗中，小于0.002 mm粒組、0.002 mm～0.005 mm粒組及0.005 mm～0.01 mm粒組的含量均隨高度的降低而降低，但0.01 mm～0.075 mm粒組，含量隨高度的降低而增加。由此可見，沉積過程中，粒徑大于0.01 mm顆粒相對于粒徑小于0.01 mm顆粒發生相對沉降。另外，由圖3可知，對于同一組試驗，各粒組含量沿高度降低時，位置較高處各粒組含量隨高度的變化小于位置較低處的，即各粒組含量隨高度的變化率隨高度的降低而增加。由圖3可知，在同一高度處，初始含水率越高，小于0.002 mm粒組、0.002 mm～0.005 mm粒組及0.005 mm～0.01 mm粒組的含量均隨初始含水率的增加而增加，粒組0.01 mm～0.075 mm的含量隨初始含水率等增加而降低。現有研究顯示，靜水沉積過程中的顆粒分選現象是由靜水沉積過程中小于0.01 mm顆粒與大于0.01 mm顆粒間發生相對運動產生。由此可知，大于0.01 mm的粒組在沉積過程中相對于小于0.002 mm粒組、0.002 mm～0.005 mm粒組及0.005 mm～0.01 mm粒組發生相對下沉，導致分選現象的產生，與現有的研究結果一致。

3 顆粒分選機理探討

現有研究顯示，對于吹填淤泥而言，當吹填淤泥的初始含水率較高時，泥漿在初始時刻發生阻礙沉降（泥漿處于懸浮狀態），在此過程中，顆粒發生分選現象。當吹填淤泥的初始含水率較低時，泥漿在初始時刻已進入自重固結狀態（土的初始結構形成），沒有發生顆粒分選現象[7,8]。因此，靜水沉積過程中，分選現象能否發生的臨界狀態與土的初始結構形成密切相關。由本次試驗成果可知，當初始含水率為5倍液限時，泥漿處于自重固結狀態，土的初始結構已形成，所以未發生顯著的顆粒分選現象，但當初始含水率大于7倍液限時，泥漿中出現了顯著顆分現象，由此表明，泥漿的初始含水率大于7倍液限時，泥漿處于懸浮狀態。對于發生顆粒分選的泥漿，由于顆粒分選的發生，導致土性的改變，因此，初始時刻的相對含水率（初始含水率與液限之比w0/wL）與沉積后各位置泥漿的相對含水率并不一致。

為了進一步了解沉積后淤泥的相對含水率，圖4顯示了白馬湖淤泥的液限沿高度的變化。由圖4可知，初始含水率大于7倍液限時，泥漿沉積后的液限均沿高度的增加而增加。分析認為，這是由粗顆粒沿高度的增加逐漸減小引起。初始含水率為5倍液限時，未發生顯著的顆粒分選現象，淤泥的液限未沿高度發生顯著變化，與沉積前原泥的液限相似。

圖4 不同初始含水率時液限的沿高度的分布規律

根據圖2及圖4所示數據，可以獲得沉積后淤泥的相對含水率沿高度的變化規律，見圖5。由圖5可知，在靜水沉積后，相對含水率沿高度的降低均呈略微降低的趨勢。

圖5 相對含水率沿高度的分布規律

分析認為，相對含水率沿高度降低的原因與不同高度處淤泥發生不同程度的自重固結相關。高度較低處淤泥受到的上部自重壓力大，產生較大程度的自重固結，所以相對含水率較低。此外，圖5中顯示，相同高度處，沉積前泥漿的初始含水率越高，沉積后淤泥的相對含水率也越高，說明沉積前淤泥的初始含水率是影響沉積后淤泥含水率的重要因素。分析認為，沉積前淤泥的初始含水率越高，淤泥受到的上部自重壓力也越小，所以相同高度處淤泥自重固結程度就越小。

現有關于軟黏土壓縮特性方面的研究可知，初始含水率是影響土的壓縮特性的重要因素。初始含水率越高，相同壓力下，黏土固結后的孔隙比越大[9，10]。為了解本次研究中，淤泥沉積后的相對含水率是否受初始含水率的影響，沉積后淤泥的相對含水率與其液限的關系見圖6。

圖6 沉積后相對含水率隨液限的變化規律

由圖6可知，盡管沉積前淤泥的初始含水率不一致，但沉積后淤泥的相對含水率并不隨沉積后土樣的液限的變化而變化。盡管數據相對分散，但可以看出，相對含水率均在4倍～6倍液限間。如果不考慮沉積過程中自重固結作用對相對含水率的影響，可以認為，沉積過程中，泥漿進入自重固結時的含水率（土的初始結構形成）在5倍液左右，與泥漿的初始含水率關系不密切。

4 結論

（1）泥漿處于自重固結狀態時，不會發生顆粒分選。當泥漿的初始含水率大于5倍液限時，土樣發生顆粒分選現象。

（2）當發生顆粒分選時，粒徑大于0.01 mm顆粒相對于粒徑小于0.01 mm顆粒發生相對下降，導致沉積后的泥漿含水率及液限等均沿高度降低。

（3）沉積過程中，泥漿進入自重固結狀態時的含水率在5倍液限左右，與其沉積前的初始含水率關系不密切。