網狀排水體負壓下處理圍堰袋裝淤泥試驗研究

吳躍東，顧建玲，郭旺旺，許 偉

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098；3.中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司，上海 200070)

隨著圍海造陸技術的發展[1]，我國基建對土資源的需求日益增加。目前廣泛運用的圍堰工程技術——膜袋砂圍堰[2]采用土工編織袋作為包裹體，充填料為滲透性較大的砂土，能較好地增強地基圍堰整體的整體性和安全系數[3]。但是隨著砂土資源緊張、價格上漲，必須盡快尋找出代替砂土的充填料。另一方面，城市海湖清淤等工程產生大量的疏浚淤泥，當前處理的方法十分不經濟、不環保。若將淤泥灌入膜袋再利用為圍堰膜袋充填料，這樣既可以緩解砂土資源緊缺的問題，又可以實現淤泥“變廢為寶”。本文采用最常用的直排式排水體，同時考慮到豎向排水板彎折嚴重問題，提出一種新型水平網狀式排水體聯合真空預壓處理膜袋淤泥的施工工藝，通過室內試驗分析兩種排水體的處理效果。考慮到淤泥具有黏性高、滲透性差等工程性質，將絮凝技術[4-5]引入此工藝中，分析絮凝劑的添加對兩種排水體聯合真空預壓處理膜袋淤泥的固結效果，最終證明了該工藝的可行性和有效性。

1 試驗材料及方案

1.1 排水體的構造及工作機理

目前處理軟土地基最常用的是直排式真空預壓法[6]，它是將排水板與濾管進行綁扎連接形成水平排水通道，繼而將濾管與集水管連接，集水管再與真空泵連接，如圖1(a)所示。本文對照試驗的另一種方法是改進真空預壓法[7]，它是通過密封接頭將排水板直接與排氣排水管連接，排氣排水管再與真空泵連接，如圖1(b)所示。將這兩種方法引入處理膜袋淤泥中，隨著固結的進行，膜袋最終會趨于扁平，橫截面類似于扁平的長方形，并考慮到水平排水板相較于豎向排水板在處理軟土時能有效改善板材出現彎折的問題[8]，于是在膜袋中將排水板布置為平行于橫截面。

圖1 真空預壓法Fig.1 Vacuum preloading method

本文將真空預壓處理膜袋淤泥中排水體分成兩種：第一種(以下簡稱普通直排式)基于直排式真空預壓法，試驗布置如圖2(a)所示；第二種(以下簡稱新型網狀式)基于改進真空預壓法，考慮到隨著固結的進行，排水板存在錯位、彎折等現象，因此為了更好地固定排水板位置、保持原有形狀，將其預制為縱橫交錯的網狀型，試驗布置如圖2(b)所示。

圖2 試驗布置Fig.2 Test arrangement

在普通直排式排水體中，排水板材料選用傳統的SPB-B普通型排水板，其具有凹凸結構，凹面不透水，凸面透水，芯板和濾膜分開；在新型網狀式排水體中，排水板材料選用SPB-B新型整體式排水板，濾膜采用親水性材料，容易降解，避免地基污染，且無凹凸結構，可根據試驗效果調節孔徑，大大提高了透水性能，可有效防止淤堵，其濾膜與芯材軋在一起，提高排水板強度，防止濾膜破損，有利于提高真空度傳遞能力，降低了真空荷載的沿程損失，進而增加了土體有效應力，對土體起到固結作用。

1.2 吹填淤泥土基本性質

本文試驗吹填淤泥土取自福建莆田石門澳真空預壓處理軟基現場。在泵入膜袋內之前，在淤泥攪拌池經攪拌裝置將其均勻攪拌，通過室內相關試驗最終測定結果如表1所示。

表1 福建莆田吹填淤泥土基本物理性質指標

1.3 絮凝劑

本試驗選用產自河南鞏義市的絮凝劑聚合氯化鋁PAC。絮凝劑是一種高分子聚合物，被廣泛應用于水處理工程中[7]，絮凝劑主要有兩個作用：第一，使懸浮的微小粒徑顆粒抱團形成絮團；第二，增大大粒徑顆粒絮團間的孔隙，滲透系數也得以提升，改善了排水板及濾管周圍存在的絮團問題。目前陽離子無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁[9](PAC)是最常用的凈水劑，它的優點在于易溶于水，有很強的吸附能力，并有很大的比表面積，在水解過程中伴隨發生電化學、凝聚、吸附和沉淀等一系列物理化學反應，因此能將水中的許多負電荷顆粒從水中沉淀出來，從而起到凈化作用，具有一定的環保效益。PAC處理后水的pH值變小，鋁與鹽分殘留量小，利于回用；并且其原材料生產成本低，絮凝速度快，比傳統低分子絮凝劑用量少。

2 施工工藝設計及試驗方案

2.1 水平網狀排水體圍堰工藝流程

本文設計了一種新型水平網狀排水體聯合真空預壓處理袋裝淤泥圍堰工藝，具體包括以下步驟：

(1)根據放樣，在地基表面鋪設若干數量的防滲土工膜袋，中間采用復合密封膜，土工膜袋上部需要至少2個袖口，袖口直徑不小于15 cm。

(2)將塑料排水板橫縱交叉預制成網狀型，排水板數量及尺寸均可根據膜袋尺寸、施工工期等要求具體而定，網狀塑料排水板可用連接繩使其懸置于膜袋中間高度，使膜袋內各處淤泥固結均勻。

(3)通過混合器設備將吹填淤泥和絮凝劑溶液同時泵入膜袋內，可從多個袖口沿不同方向同時泵入，在進行抽真空前，應絮凝若干小時待淤泥黏性降低，這樣不易產生淤堵。

(4)待網狀排水板與無孔真空濾管通過密封連接裝置連接、所有袖口均綁扎密封后，開啟真空泵逐漸將膜袋內淤泥水分排出，膜袋內淤泥固結完成80%左右，便可進行第二次復充，若沒有達到相應的固結度，則繼續真空排水。

(5)經若干次復充、排水固結后，量測袋內固化土是否滿足充填厚度要求，若不滿足，則繼續復充、排水固結，若滿足膜袋內充填土厚度要求，則進行下一個土工膜袋的充填、固結。

(6)各土工膜袋充填料滿足固結度和充填厚度要求后，在填筑時將上層膜袋填筑在下層的縫隙中間，袋與袋之間錯峰排列并相互嵌固，直到膜袋高度達到圍堰設計標高，形成膜袋圍堰主體結構。

2.2 室內試驗方案

本次試驗所研究的變量為排水體類別和絮凝劑PAC的摻量(以試驗用的吹填淤泥的量為百分比進行摻加)。如表2所示，共開展7組對比試驗，其中包括3組普通直排式和4組新型網狀式(其中1組不加絮凝劑作為空白對照組)。上述7組對比試驗中所用的淤泥，是上述現場取樣的靜置2 d后的吹填淤泥土，其靜置后的含水率為70%，體積均為1 000 L，同時填充的膜袋規格均相同：長為20 dm、寬為10 dm、高為5 dm，真空排水固結時間均為7 d。

表2 真空預壓處理袋裝淤泥試驗方案

3 試驗結果及分析

基于上述試驗方案，通過兩種排水體和不同絮凝劑PAC摻量聯合真空預壓處理袋裝淤泥后，其含水率、抗壓強度和抗剪強度均會有不同程度的變化。本文通過含水率試驗、無側限抗壓強度試驗、直接剪切試驗來反映兩種排水體和不同絮凝劑PAC摻量對真空預壓處理袋內淤泥的加固效果。

3.1 含水率試驗

在利用真空預壓處理袋裝淤泥時，淤泥的固結本質上是隨著吹填淤泥的孔隙水排出，超孔隙水壓力消散，從而有效應力增加，淤泥強度便隨之提高，達到了加固的目的。因此對于同一初始含水率的淤泥試樣，通過測定真空預壓處理后的淤泥含水率可反映固結過程中排出的水量，從而反映出淤泥加固的效果。

由圖3可知：兩種排水體固結后的淤泥含水率隨著絮凝劑的添加都下降了15%左右(下降比例基準值是最少摻量，普通直排式為0.1%，新型網狀式為0.0%，下同)。原因是絮凝劑的添加增大了大粒徑顆粒絮團間的孔隙，降低了淤泥的黏性使滲透系數得以提升，促使土體孔隙水壓力的消散，在一定時間內孔隙水排出量更多，使得真空預壓處理袋內淤泥效果更佳。

圖3 淤泥固結后含水率與PAC摻量的關系Fig.3 Relationship between water content and PAC content of silt after consolidation

比較相同絮凝劑添加量情況下的淤泥固結后的含水率，新型網狀式相比于普通直排式淤泥固結后含水率均減少了24%左右，即新型網狀式加固膜袋淤泥的效果要優于普通直排式排水體。原因是新型整體式排水板相比普通型排水板滲透系數更大，防淤堵效果好，能更好克服滲流阻力和排水困難。

3.2 無側限抗壓強度試驗

淤泥經過固結處理后，通常剪切破壞發生時土體變形極小，因此試驗中通常采用無側限抗壓強度作為評定淤泥固結效果的指標[10]，因此通過測定真空預壓處理后的淤泥的無側限抗壓強度可反映加固的效果。

由圖4可知：兩種排水體固結后的淤泥無側限抗壓強度隨著絮凝劑的添加都有不同程度的提高：普通直排式約為20%，新型網狀式約為25%。這說明淤泥中摻絮凝劑有利于真空預壓過程中孔隙水的排出，并在一定范圍內隨著絮凝劑的摻量增加效果更佳。原因是絮凝劑的加入使其內部的極性基團能與淤泥膠質微粒發生化學反應，凝聚形成大顆粒絮團[11]，改善土體的滲透性，使得濾管和排水板的淤堵狀況大大改善，真空度在土體與排水體的傳遞效率提高，膜袋土體得到了有效加固。

圖4 淤泥固結后抗壓強度與PAC摻量的關系Fig.4 Relationship between compressive strength and PAC content of silt after consolidation

比較相同絮凝劑添加量情況下的淤泥固結后的無側限抗壓強度，新型網狀式比普通直排式固結后的強度提高了約32%。原因是新型網狀式縮短了真空傳遞路徑，有效改善真空度在路徑傳遞中的損失，普通直排式真空能量大部分集中在濾管中，而新型網狀式真空能量可直接傳遞至排水板中，且能有效改善普通直排式中排水板與濾管發生的淤堵問題，使得膜袋土體加固效果更佳。

3.3 直接剪切試驗

由庫侖定律可知，土的抗剪強度公式為τ=c+σtanφ，土的抗剪強度指標黏聚力c和內摩擦角φ對工程活動具有重要意義。絮凝材料能與土體發生一系列物理化學作用，改變土顆粒表面電化學性質等方式，繼而影響其顆粒級配及滲透性，從而影響抗剪強度指標。本文通過直接剪切試驗來繪制出抗剪強度線如圖5和圖6所示，直線的傾角即為所求土的內摩擦角φ，直線與坐標縱軸的截距即為土的黏聚力c。

圖5 固結淤泥抗剪強度與PAC摻量關系(普通直排式)Fig.5 Relationship between shear strength and PAC content of consolidated silt (straight-line)

圖6 固結淤泥抗剪強度與PAC摻量關系(新型網狀式)Fig.6 Relationship between shear strength and PAC content of consolidated silt (new mesh-type)

由表3可知：兩種排水體固結后的淤泥抗剪強度隨著絮凝劑的添加而不斷上升：普通直排式中內摩擦角增加了27.7%、黏聚力增加了67.1%；新型網狀式中內摩擦角增加了24.6%、黏聚力增加了46.5%。這說明淤泥中摻入絮凝劑主要提高了土顆粒間的靜電力、膠結作用等，而對土顆粒間的摩擦作用影響較小。原因是加入高分子類絮凝劑，其內部的極性基團能與淤泥膠質微粒發生化學反應，中和微粒表面的電荷，提高了土顆粒間的靜電力與膠結作用。

表3 淤泥固結后抗剪強度指標c、φ值

比較0.3%絮凝劑摻量條件下，新型網狀式相比于普通直排式淤泥固結后抗剪強度峰值黏聚力增長了54.30%，內摩擦角相差不大，說明在真空預壓處理膜袋內淤泥工藝中，新型網狀式排水體能更有效地改善排水板和濾管的淤堵問題，使真空能量在傳遞過程中得到有效保證，使得膜袋土體孔隙水快速排出，土體得到了有效加固。

4 結論

1)基于直排式真空預壓法(普通直排式)，和基于改進真空預壓法(新型網狀式)兩種排水體聯合真空預壓處理膜袋淤泥對比試驗可知，新型網狀式相比于普通直排式排水體處理效果更佳，原因是新型網狀式能更有效地改善排水的淤堵問題，減少真空度在傳遞過程的損失，加快土體孔隙水的排出。

2)絮凝劑的添加可有效降低淤泥的黏性，提升淤泥的滲透性，使得真空預壓處理袋裝淤泥效果更佳。在0.0%～0.3%的添加范圍內，隨著絮凝劑PAC摻量的增加而效果更佳，不僅含水率明顯下降，且無側限抗壓強度和直剪強度均得到了提高。

3)經分析得到本次試驗最佳組合為：合理密度的預制網狀新型整體式水平排水板直接與排氣排水管連接(新型網狀式排水體)和淤泥固體顆粒含量0.3%的絮凝劑PAC摻量。