翁佳興

(東南大學(xué) 巖土工程研究所, 江蘇 南京 210096 )

隨著我國疏浚業(yè)的繁榮，各種航道、河道、湖泊的疏浚和拓寬以及港口新建、擴(kuò)建工程等都不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的疏浚淤泥，如江蘇連云港主航道改線工程每年的疏浚量約為200萬m3[1]；深圳西部港區(qū)銅鼓航道清淤工程的疏浚量達(dá)4650萬m3[2]；天津天津港25萬噸級(jí)深水航道的拓寬工程的疏浚量達(dá)8000萬m3[3]；長江口深水航道治理工程僅三期工程基建的疏浚量就達(dá)1.7億m3，工程竣工后年維護(hù)疏浚量約為3000萬m3[4]；南水北調(diào)東線江蘇段第一期工程，土石方開挖達(dá)20334.85萬m3，棄土當(dāng)中大部分是高含水率疏浚淤泥。吹填堆場(chǎng)處置由于具有廣闊的工程應(yīng)用前景，我國目前通常采用此方法來處理疏浚淤泥。水力式疏浚從切泥、泵吸、輸送、排放具有連續(xù)作業(yè)的特點(diǎn)，施工效率高，施工成本低，廣泛應(yīng)用于我國許多大型疏浚與吹填工程的施工。然而，由于水力式疏浚挖泥船挖泥機(jī)具的擾動(dòng)，疏浚淤泥的原始結(jié)構(gòu)被完全破壞，使得疏浚淤泥的含水率高、壓縮性大、排水性質(zhì)差、固結(jié)時(shí)間長，吹填以后需要經(jīng)過長時(shí)間自重沉積才能進(jìn)行后續(xù)處理，難以被工程直接利用。因此，作為前期工作及基礎(chǔ)研究，了解吹填淤泥在靜水中的自重沉積規(guī)律，為吹填堆場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、吹填淤泥的后續(xù)處理和再生利用提供基本參數(shù)，具有相當(dāng)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)吹填土的自重沉積規(guī)律開展了一些試驗(yàn)研究，彭濤等[5]對(duì)深圳地區(qū)吹填淤泥進(jìn)行了室內(nèi)靜態(tài)落淤試驗(yàn)，獲得了沉積結(jié)束時(shí)間和沉積結(jié)束后的孔隙比范圍；劉瑩[6]等對(duì)連云港吹填淤泥進(jìn)行了靜水自重沉積試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泥漿的初始含水率越高，沉降速度越快，沉積結(jié)束后泥漿含水率越高，而且將泥漿沉降過程分為絮凝沉降段和自重固結(jié)沉降段；詹良通[7]等對(duì)浙江海相淤泥進(jìn)行了沉降柱試驗(yàn)，研究了陽離子類型及其濃度對(duì)淤泥自然沉積過程的影響；Been等[8]通過室內(nèi)沉降柱試驗(yàn)得到了不同初始密度的泥漿在自重沉積過程中各時(shí)刻的密度剖面、超孔隙水壓力剖面等分布特征。但是到目前為止，吹填淤泥的自重沉積規(guī)律尚不清楚，直接以吹填淤泥為對(duì)象開展的自重沉積規(guī)律研究還處于起步階段，數(shù)據(jù)庫亟需得到豐富；另外，室內(nèi)靜水沉積試驗(yàn)的模型尺寸對(duì)吹填淤泥自重沉積的影響也鮮有研究與報(bào)道。

本文以南水北調(diào)東線江蘇段淮安四站新吹填場(chǎng)地的吹填淤泥為研究對(duì)象，通過一系列室內(nèi)靜水沉積試驗(yàn)，研究吹填淤泥在靜水條件下的自重沉積規(guī)律，探討初始含水率、初始泥漿高度以及室內(nèi)試驗(yàn)的模型尺寸對(duì)吹填淤泥沉積特性的影響，并且統(tǒng)計(jì)分析了吹填淤泥沉積穩(wěn)定后的含水率變化范圍。

1 吹填淤泥的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)用吹填淤泥取自南水北調(diào)東線江蘇段淮安四站新吹填場(chǎng)地，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)得到吹填淤泥的基本物理指標(biāo)見表1。其中，液限采用碟式液限儀測(cè)定，塑限采用搓條法確定，粒度分布采用密度計(jì)法測(cè)定。吹填淤泥的塑性圖如圖1所示，從塑性圖可以看到，試驗(yàn)所用的吹填淤泥位于B線右側(cè)，A線上方，依據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[9]對(duì)土的分類屬于高液限黏性土。

表1 吹填淤泥的基本物理指標(biāo)

圖1 吹填淤泥的塑性圖

2 自重沉積試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同初始含水率沉積試驗(yàn)

不同初始含水率沉積試驗(yàn)的泥漿配制方案如表2所示。

表2 不同初始含水率沉積試驗(yàn)方案

吹填淤泥的s-t沉積時(shí)程曲線以及時(shí)間對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的s-logt沉積時(shí)程曲線分別如圖2、圖3所示。表3給出了5種不同初始含水率的泥漿初始時(shí)以及試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的含水率、孔隙比、密度。

表3 初始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)對(duì)比

圖2 不同初始含水率泥漿s-t沉積時(shí)程曲線

圖3 不同初始含水率泥漿s-lgt沉積時(shí)程曲線

2.2 不同初始泥漿高度沉積試驗(yàn)

不同初始泥漿高度沉積試驗(yàn)的泥漿配制方案如表4所示。

表4 不同初始泥漿高度沉積試驗(yàn)方案

從圖2、圖3以及表3可以看到，泥漿的初始含水率越大，泥面的下沉速度越快，泥面最終的沉降量越大，泥漿最終含水率越大，最終孔隙比越大，最終密度越??；反之，泥漿的初始含水率越小，泥面的沉降速度越慢，泥面最終沉降量越小，泥漿最終含水率越小，最終孔隙比越小，最終密度越大。因此，在實(shí)際吹填工程中，要想降低吹填淤泥沉積穩(wěn)定后的后續(xù)處理和再生利用的難度，應(yīng)當(dāng)盡量降低吹填淤泥的初始含水率。另外，還可以發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，不同初始含水率的泥漿有一個(gè)相同的沉降模式，s-lgt沉積時(shí)程曲線都呈現(xiàn)倒“S”形，這是典型的細(xì)顆粒泥漿的沉降模式[10]。

吹填淤泥的s-t沉積時(shí)程曲線以及時(shí)間對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的s-lgt沉積時(shí)程曲線分別如圖4、圖5所示。表5給出了4種不同初始泥漿高度的泥漿初始時(shí)以及試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的含水率、孔隙比、密度。

表5 初始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)對(duì)比

從圖4、圖5及表5可以看到，泥漿的初始高度越高，泥面的下沉速度越快，泥面最終的沉降量越大，泥漿最終含水率越小，最終孔隙比越小，最終密度越大；反之，泥漿的初始高度越低，泥面的沉降速度越慢，泥面最終的沉降量越小，泥漿最終含水率越大，最終孔隙比越大，最終密度越小?？梢?，初始泥漿高度對(duì)沉積特性有著不可忽視的影響。究其原因，主要是由于泥漿初始高度越高，泥漿自重沉積的上覆荷載也越大，沉積后的壓密程度越高，最終含水率越小。

圖4 不同初始泥漿高度泥漿s-t沉積時(shí)程曲線

圖5 不同初始泥漿高度泥漿s-lgt沉積時(shí)程曲線

2.3 不同口徑存泥容器沉積試驗(yàn)

不同口徑存泥容器沉積試驗(yàn)的泥漿配制方案如表6所示。

表6 不同口徑存泥容器沉積試驗(yàn)方案

吹填淤泥的s-t沉積時(shí)程曲線以及時(shí)間對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的s-lgt沉積時(shí)程曲線分別如圖6、圖7所示。表7給出了3種不同口徑存泥容器的泥漿初始時(shí)以及試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的含水率、孔隙比、密度。

表7 初始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)對(duì)比

圖6 不同口徑存泥容器泥漿s-t沉積時(shí)程曲線

圖7 不同口徑存泥容器泥漿s-lgt沉積時(shí)程曲線

從圖6、圖7及表7可以看到，相比于23 cm和32 cm口徑存泥容器的沉積曲線，6.5 cm口徑存泥容器的沉積曲線的泥面沉降速度明顯較緩，泥面最終的沉降量也明顯較?。欢?3 cm和32 cm口徑存泥容器的沉積曲線幾乎重合。由此可見，存泥容器口徑的大小并不是始終影響泥面的沉降，隨著容器口徑的增大，容器邊界對(duì)泥面沉降的影響逐漸減弱，這主要是由于泥漿在沉降過程中會(huì)受到容器邊壁粘滯阻力的影響，但是顆粒間的聯(lián)結(jié)作用有限，邊壁粘滯阻力的影響必然有一定的范圍，當(dāng)容器的口徑較小時(shí)，受到邊壁粘滯阻力影響的面積占整個(gè)容器斷面面積的比例較大，泥面沉降所受到的阻礙作用顯著；當(dāng)容器的口徑較大時(shí)，受到邊壁粘滯阻力影響的面積占整個(gè)容器斷面面積的比例較小，泥面沉降所受到的阻礙作用不顯著，泥面沉降呈現(xiàn)明顯的中間低平四周高的“凹”形現(xiàn)象，邊壁粘滯阻力的影響主要集中在邊界附近區(qū)域，對(duì)泥漿整體的沉降阻礙作用較小。因此，在進(jìn)行室內(nèi)沉積試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際大面積吹填堆場(chǎng)的吹填淤泥沉積，研究吹填淤泥的沉積規(guī)律時(shí)，必須考慮室內(nèi)試驗(yàn)的模型尺寸對(duì)沉積的影響，盡量采用大尺寸容器。

2.4 吹填淤泥沉積穩(wěn)定狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析

吹填淤泥沉積穩(wěn)定時(shí)的狀態(tài)很大程度上決定了吹填淤泥的后續(xù)處理方法。根據(jù)表3、表5以及表7對(duì)泥漿沉積穩(wěn)定時(shí)的含水率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，w0為初始含水率，wL為液限含水率，ws沉積穩(wěn)定含水率，ws/wL與w0/wL關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看到，初始含水率w0為2～10倍液限含水率范圍內(nèi)的吹填淤泥泥漿自重沉積完成時(shí)，吹填淤泥的沉積穩(wěn)定含水率ws在1.4～2.8倍液限含水率之間，可見，吹填淤泥沉積穩(wěn)定后的含水率仍然很高，難以直接利用。在實(shí)際吹填工程中，吹填高度一般高達(dá)3～4 m，淤泥水力吹填入吹填堆場(chǎng)，初始含水率高，在自重狀態(tài)下的沉積，沉積速度緩慢，即使經(jīng)過了較長時(shí)間的自重沉積，含水率依然居高不下，給后續(xù)處理和再生利用帶來困難，需要其他工程措施來加速排水，如真空預(yù)壓或者堆載預(yù)壓等。

圖8 泥漿沉積穩(wěn)定時(shí)的含水率統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

(1)吹填淤泥泥漿的沉積時(shí)程曲線符合典型的細(xì)顆粒泥漿的沉降模式；

(2)初始含水率是影響吹填淤泥泥漿沉積的重要因素，初始含水率越大，泥面沉降速度越快，最終沉降量和含水率也越大。實(shí)際吹填工程中，應(yīng)當(dāng)盡量降低吹填淤泥的初始含水率，以降低后續(xù)處理的難度。

(3)泥漿的初始高度越高，上覆荷載越大，沉積后的壓密程度越高，最終的沉降量越大，最終含水率越?。?/p>

(4)室內(nèi)靜水沉積試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)盡量采用大尺寸容器，以減小模型尺寸對(duì)泥漿沉積的影響；

(5)吹填淤泥泥漿沉積穩(wěn)定后的含水率依然很高，初始含水率在2～10倍液限含水率范圍內(nèi)時(shí)，其沉積穩(wěn)定后的含水率在1.4～2.8倍液限含水率之間，建議采用真空預(yù)壓或者堆載預(yù)壓等其他工程措施來加速排水，以利于吹填淤泥的后續(xù)處理和再生利用。

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