羅 麗，劉文白，王曉琳，張恩槐

（上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

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固化疏浚泥室內(nèi)滲透試驗(yàn)研究

羅 麗，劉文白，王曉琳，張恩槐

（上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

摘 要：為了研究固化疏浚泥的滲透特性，對不同養(yǎng)護(hù)條件、固化劑摻入量和齡期的固化疏浚泥進(jìn)行了室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在養(yǎng)護(hù)條件一定時，固化疏浚泥的滲透系數(shù)隨著固化劑摻入量和齡期的增大而減?。豢捎糜诠こ谭罎B的最佳固化劑摻入量為6%～8%，而在固化劑中添加10%粉煤灰后的最佳固化劑摻入量為5%。試驗(yàn)結(jié)果對工程設(shè)計和施工具有重要的工程應(yīng)用參考價值。

關(guān)鍵詞：固化疏浚泥；滲透試驗(yàn)；固化劑摻量；滲透系數(shù)；滲透特性

1 研究背景

通過添加固化劑提高地基承載力是一種有效的疏浚泥資源化工程處理方法。疏浚泥固化后不僅可以為工程中軟土地基的處理節(jié)省大量的時間［1］、提高地基的強(qiáng)度［2］，還可以為工程防滲帶來良好的效果［3－4］。目前，研究者們關(guān)于固化土力學(xué)特性的研究主要集中于固化土的強(qiáng)度特性、應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系和滲透特性的關(guān)系方面。文獻(xiàn)［5］通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)探討了土的干密度、水泥摻量和齡期對水泥土滲透性的影響?？娭酒嫉龋?］針對水泥摻入量、水灰比和齡期進(jìn)行了固化土的滲透研究，結(jié)果顯示，符合堤防工程滲透穩(wěn)定的最佳水泥摻入量大于8%。文獻(xiàn)［7］的試驗(yàn)結(jié)果為滿足工程應(yīng)用的最佳水泥摻入比為10%。文獻(xiàn)［6－7］的試驗(yàn)結(jié)果為工程防滲提供了重要依據(jù)。研究固化疏浚泥的滲透特性，研究優(yōu)化出滿足防滲要求的固化材料摻入量，對相關(guān)土木和水利工程的設(shè)計和施工具有重要的工程應(yīng)用價值。

由于疏浚泥形成的自然條件及其所含有機(jī)物成分的差異會對疏浚泥的固化產(chǎn)生不同的影響［8－9］，因此，對固化疏浚泥進(jìn)行研究，固化材料的選擇也至關(guān)重要。本文通過在疏浚泥中摻入自配的固化劑進(jìn)行室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)，專門針對上海市臨港新城東南部疏浚泥的滲透特性進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)材料與方案

2．1 試驗(yàn)材料

取上海市臨港新城東南部附近的疏浚泥為原狀土，根據(jù)土的分類方法，該土定名為粉土，其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。固化材料由石灰、水泥、激發(fā)劑以及粉煤灰組成，自行配置2種固化劑。其中，固化劑I中不添加粉煤灰，固化劑Ⅱ中添加了占疏浚泥質(zhì)量10%的粉煤灰。試驗(yàn)所用粉煤灰的等級為Ⅱ級，水為普通自來水。

表1　原狀土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of undisturbed soil

圖1　變水頭TST－55型滲透儀Fig．1 Variable water?head instrument TST－55 for permeability test

2．2 試驗(yàn)方案

將取回的疏浚泥過孔徑為2 mm的篩進(jìn)行雜質(zhì)顆粒去除，配置疏浚泥土樣含水率為40%。選取固化劑I摻量為2%，6%，10%的固化疏浚泥試樣，在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，放入如圖1所示的TST－55型變水頭滲透儀中。所有試驗(yàn)選取相同的水力坡降進(jìn)行前期滲透試驗(yàn)，并計算滲透系數(shù)。

表2　試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes

方案1和方案2均選取固化劑摻入量為3%，4%，5%，6%，7%，8%的6組固化疏浚泥進(jìn)行滲透試驗(yàn)。在方案1中，將摻入固化劑I的疏浚泥試樣分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)情況下進(jìn)行3，7，14，28 d 共4個齡期的滲透試驗(yàn)；在方案2中，摻入固化劑Ⅱ的疏浚泥試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行7，28 d共2個齡期下的滲透試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與方案1在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下7，28 d共2個齡期的滲透結(jié)果進(jìn)行比對分析，以研究固化劑中加入粉煤灰對固化疏浚泥滲透性能的影響。

先將已過孔徑為2 mm篩的土按照上述方案與固化劑混合均勻，與水一起放入攪拌機(jī)中攪拌。然后把攪拌均勻的固化疏浚泥分為4層或5層填入預(yù)先在內(nèi)壁涂抹了凡士林的環(huán)刀（直徑D×高度H＝61．8 mm×40．0 mm）進(jìn)行塑樣，每加入一層土人工搗實(shí)2～3 min，以排除試樣中的氣泡，再裝入下一層，直至環(huán)刀裝滿，用刮土刀刮平試樣。為確保試樣的一致性，每個環(huán)刀土試樣干密度控制在1．68 g／cm3。試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的疏浚泥試樣在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后放入滲透儀進(jìn)行滲透試驗(yàn)，然后計算滲透系數(shù)；自然養(yǎng)護(hù)的疏浚泥試樣則直接放入滲透儀中在各個齡期進(jìn)行滲透系數(shù)的測定。試驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)溫度（20±2）℃，實(shí)際滲透系數(shù)kT用標(biāo)準(zhǔn)值k＝k20來代替。滲透系數(shù)取2組平行試驗(yàn)的平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

從固化劑的摻入量λ、齡期T和養(yǎng)護(hù)條件下分析固化疏浚泥的滲透特性，以滲透系數(shù)k為切入點(diǎn)，結(jié)合軟弱土的滲透系數(shù)（見表3），對固化疏浚泥的滲透性能進(jìn)行分析。

表3　軟弱土的滲透系數(shù)Table 3 Permeability coefficients of soft soils

3．1 方案1結(jié)果及分析

方案1的室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　方案1固化疏浚泥的滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of permeability coefficient of solidified dredged mud in scheme 1

3．1．1 固化劑I摻入量對滲透性能的影響

圖2為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)條件下的固化劑摻入量λ和滲透系數(shù)k的關(guān)系曲線。

圖2　滲透系數(shù)與摻入量的關(guān)系（方案1）Fig．2 Relationship between permeability coefficient and blending ratio（scheme 1）

分析圖2可以看出：不論是早期（3 d）的滲透系數(shù)，還是長期（28 d）的滲透系數(shù)，固化劑的摻入量λ均決定著滲透系數(shù)k值的大小。隨著λ的增大，k值呈下降趨勢，滲透性減小。由圖2（a）可見，在相同的固化劑摻入量情況下，養(yǎng)護(hù)早期（3 d）的k?λ曲線明顯高于養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的k?λ曲線，k值降低明顯；且7，14，28 d這3個養(yǎng)護(hù)齡期的k?λ曲線較為接近，k值下降比養(yǎng)護(hù)初期（3～7 d）緩慢。隨著λ的增大，k?λ曲線在固化劑摻入量≥6%時下降明顯變緩，且逐漸趨于穩(wěn)定。由圖2（b）可見，自然養(yǎng)護(hù)條件下固化疏浚泥的摻入量和滲透系數(shù)的關(guān)系也符合上述規(guī)律。

學(xué)生在整體動機(jī)上存在物質(zhì)追求維度得分高的特點(diǎn)，學(xué)校應(yīng)該注意該學(xué)習(xí)動機(jī)的引導(dǎo)。物質(zhì)追求維度對應(yīng)的是生理需要，根據(jù)馬斯洛的需要層次理論，該需要處于最低層次，同時也是最基本的，其特點(diǎn)是一旦獲得滿足就會減弱，因此是短暫且外在的。

這種現(xiàn)象可以從固化土的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行解釋。當(dāng)疏浚泥中添加了固化劑后，固化材料在水化過程中，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物將土顆粒膠結(jié)起來形成骨架，堵塞滲流通道，引起疏浚泥的滲透性能降低，滲透系數(shù)減小；且固化劑的摻入量越大，土體膠結(jié)越密實(shí)，固化疏浚泥的整體結(jié)構(gòu)性就越強(qiáng)，滲透性就越低。

對比文獻(xiàn)［6］研究的水泥摻入量和水灰比對滲透系數(shù)的影響，本文研究固化劑摻入量對滲透系數(shù)的影響。兩者得出的結(jié)論基本相同，即固化材料的摻入量對固化疏浚泥的滲透性能影響較大。

3．1．2 齡期對滲透性能的影響

圖3為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)條件下的齡期T和滲透系數(shù)k的關(guān)系曲線。

圖3　滲透系數(shù)與齡期的關(guān)系（方案1）Fig．3 Relationship between permeability coefficient and curing age（scheme 1）

由圖3可見，當(dāng)固化劑摻入量確定時，固化疏浚泥的滲透系數(shù)隨著齡期的推移而逐漸變小，說明固化疏浚泥的滲透性能隨齡期的增長而降低。由圖3（a）可知，在養(yǎng)護(hù)齡期為3～7 d時，k?T曲線下降趨勢顯著；隨后k值隨齡期的增長，在齡期為14～28 d時，滲透系數(shù)的下降速率逐漸變緩，且在齡期接近28 d時k?T曲線有趨于穩(wěn)定的趨勢。這與侯永峰等［7］研究所得出的水泥土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)情況下，滲透系數(shù)的變化規(guī)律相同。當(dāng)固化劑的摻入量λ為3%～5%時，k?T曲線間距較大，λ對k值的影響較大，k值減小較快；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d、λ從3%增加到5%時，固化疏浚泥土的滲透性能降低66%。當(dāng)固化劑摻入量λ在6%～8%時，k?T曲線的間距較小，λ對k值的影響較小，k值的減小相對緩慢；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d、λ由6%增加到8%時，固化疏浚泥的滲透性能降低25%；而λ由5%增加到6%，滲透性能降低35%。參照前期對比試驗(yàn)，可得出：λ 從8%增加到10%時，滲透性能僅降低了6%。因此，從整體效果來看，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，λ在 6%～8%的固化疏浚泥滲透性能最穩(wěn)定。

分析圖3（b）可知，自然養(yǎng)護(hù)條件下的滲透系數(shù)和齡期的關(guān)系也符合上述規(guī)律。究其原因，在養(yǎng)護(hù)初期（3～7 d）階段，疏浚泥中的水化反應(yīng)速度較快，能夠快速地填充土中的大孔隙，并將土顆粒迅速地膠結(jié)起來形成骨架，堵塞滲流通道，引起滲透系數(shù)大幅度下降。因此，在養(yǎng)護(hù)初期，滲透性能不穩(wěn)定；然而，隨著齡期的增長，化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行，固化劑逐漸被消耗，疏浚泥中的孔隙不斷被反應(yīng)物質(zhì)填充，導(dǎo)致后期固化反應(yīng)速度減弱，滲透系數(shù)下降逐漸變緩，固化疏浚泥滲透性逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

3．1．3 養(yǎng)護(hù)條件對滲透系數(shù)的影響

在自然養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，固化疏浚泥的滲透系數(shù)與摻入量的關(guān)系見圖4。

圖4　不同養(yǎng)護(hù)條件下的滲透系數(shù)與摻入量的關(guān)系（方案1）Fig．4 Relationship between permeability coefficient and blending ratio under different curing conditions（scheme 1）

由圖4可見，相同條件的固化劑摻入量和齡期時，自然養(yǎng)護(hù)條件下的k值比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的k值大，說明標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下固化疏浚泥的滲透系數(shù)比實(shí)際工程現(xiàn)場的滲透系數(shù)偏小。結(jié)合表4，在齡期為28 d時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下固化疏浚泥的摻入量達(dá)到5%即可滿足工程防滲要求，而自然養(yǎng)護(hù)條件下滿足工程防滲要求的固化劑摻入量則需達(dá)到6%；當(dāng)2種養(yǎng)護(hù)條件下的固化劑摻入量為3%，4%，5%，6%，7%，8%時，自然養(yǎng)護(hù)條件下的k值分別比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下增加了13%，15%，22%，33%，32%，25%。結(jié)合軟弱土的滲透系數(shù)（表3）和實(shí)際工程所需考慮的經(jīng)濟(jì)效益，可以得出：在自然養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)λ≤5%時，固化疏浚泥具有低滲透性；當(dāng)λ≥6%時，固化疏浚泥有極低滲透性（k＜1．0×10－5cm／s），可較好地用于防滲工程，與單純的以水泥作為固化材料［7］相比，固化劑I的摻入量減小了2%。

3．2 方案2結(jié)果及分析

粉煤灰作為常用輔助外摻劑，價格低廉。例如，I級和Ⅱ級粉煤灰價格約為水泥價格的1／4及生石灰價格的1／2。同時，粉煤灰還可以提高固化土的強(qiáng)度和抗?jié)B性［10］。方案2的試驗(yàn)結(jié)果見表5，固化劑摻入量和滲透系數(shù)的關(guān)系對比見圖5。

表5　方案2疏浚泥固化的滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of permeability coefficient ofsolidified dredged mud in scheme 2

圖5　標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下固化劑摻入量和滲透系數(shù)的關(guān)系對比（方案2）Fig．5 Relationship between permeability coefficient and blending ratio of curing agent under standard curing condition（scheme 2）

由圖5可以看出，疏浚泥中摻入固化劑Ⅱ的k?λ曲線均在摻入固化劑I的k?λ曲線下方，且k?λ的下降趨勢相同。結(jié)合表5，在養(yǎng)護(hù)齡期為28d、固化劑I和固化劑Ⅱ的摻入量均為3%，4%，5%，6%，7%，8%時，摻入固化劑Ⅱ的k值比摻入固化劑I的k值各自減小了9%，33%，37%，47%，59%，69%，這說明粉煤灰的添加對改善固化疏浚泥滲透性能的效果顯著，可使固化疏浚泥的滲透系數(shù)減小，滲透性能降低。結(jié)合表4、表5可得出，在齡期為28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，固化劑Ⅱ摻入量為5%時的k＝0．62× 10－5cm／s＜0．99×10－5cm／s＜1．0×10－5cm／s＜1．27× 10－5cm／s（固化劑I的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下k＝0．99× 10－5cm／s，自然養(yǎng)護(hù)條件下k＝1．27×10－5cm／s），具有極低的滲透特性，可較好地用于防滲工程，同時這比文獻(xiàn)［7］的固化材料摻入量減小了3%。

3 結(jié) 論

以上海市臨港新城東南部的疏浚泥為研究對象，利用作者所配置的固化劑，進(jìn)行了固化疏浚泥的滲透試驗(yàn)，研究表明：

（1）固化疏浚泥的滲透特性隨著固化劑摻入量的增大而減小。在自然養(yǎng)護(hù)條件下，固化劑摻入量為6%～8%時，固化疏浚泥具有極低的滲透性，可較好地用于防滲工程。

（2）固化疏浚泥的滲透特性隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小，在養(yǎng)護(hù)初期3～7 d時，滲透系數(shù)減小最顯著，滲透性能不穩(wěn)定；在養(yǎng)護(hù)齡期為14～28 d時，滲透系數(shù)下降趨勢變得平緩，滲透性能逐漸降低，且在齡期達(dá)到28 d后，滲透系數(shù)和滲透特性都逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，于固化劑中添加10%的粉煤灰后，可以使固化疏浚泥的滲透效果減弱，且固化劑的最小摻入量為5%時，也可以較好地用于防滲工程。

本文主要從養(yǎng)護(hù)條件、固化劑摻入量和齡期方面，對固化疏浚泥的滲透特性進(jìn)行了宏觀的分析，得出了可用于防滲工程的最佳固化劑摻入量。而固化疏浚泥的滲透特性與強(qiáng)度之間的關(guān)系則需要進(jìn)一步研究。

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（編輯：姜小蘭）

Indoor Permeability Test for Solidified Dredged Mud

LUO Li，LIU Wen?bai，WANG Xiao?lin，ZHANG En?huai
（College of Ocean Science and Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Abstract：In order to study the permeability characteristics of solidified dredged mud，we carry out indoor experi?ment with variable water head．During the experiment，the effects of curing condition，blending ratio of curing agent and curing age are taken into consideration．The results show that under given curing condition，permeability coeffi?cient decreases with the increase of blending ratio of curing agent and curing age．Furthermore，the range of appro?priate blending ratio of curing agent for permeability prevention in actual projects varies from 6%to 8%，and appro?priate blending ratio of curing agent with 10%of fly ash is 5%．The test results offer reference for engineering de?sign and construction in similar projects．

Key words：solidified dredged mud；permeability test；blending ratio of curing agent；permeability coefficient；permeability characteristics

作者簡介：羅 麗（1988－），女，陜西渭南人，博士研究生，主要從事水利工程方面的研究工作，（電話）17709897282（電子信箱）295539341＠qq．com。

收稿日期：2014－12－02；修回日期：2014－12－30

中圖分類號：TU44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－5485（2016）03－0089－04