劉景錦，雷華陽(yáng),2，盧海濱，李 賓，鄭 剛，2

(1.天津大學(xué)土木工程系，天津 300072；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

真空預(yù)壓法淤堵泥層形成機(jī)理及預(yù)測(cè)模型研究

劉景錦1，雷華陽(yáng)1,2，盧海濱1，李 賓1，鄭 剛1，2

(1.天津大學(xué)土木工程系，天津 300072；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

針對(duì)真空預(yù)壓加固處理過(guò)程中容易形成的淤堵現(xiàn)象，結(jié)合室內(nèi)真空預(yù)壓模型試驗(yàn)，進(jìn)行了不同顆粒組成和不同真空度條件下的室內(nèi)試驗(yàn)，揭示了淤堵泥層的形成特性和機(jī)理，建立了排水量及平均含水率隨時(shí)間變化的預(yù)測(cè)模型。試驗(yàn)表明，在低真空度作用下，由于其滲透路徑寬而長(zhǎng)，淤堵泥層厚度較大，但含水率和密實(shí)度低，形成的孔隙直徑分布廣且分布較均勻；而在高真空度作用下滲透路徑窄而短，淤堵泥層厚度小但含水率和密實(shí)度高，形成的孔隙直徑較小且分布集中；黏粒含量越高形成的孔隙直徑越小，集中程度較高，濾層結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

真空預(yù)壓法；吹填淤泥；淤堵泥層；預(yù)測(cè)模型；滲透路徑

為實(shí)現(xiàn)大面積陸域增加而實(shí)施填海造陸工程所使用的疏浚淤泥具有高含水量、大孔隙比、低強(qiáng)度、高壓縮性、低滲透性和流變性等特點(diǎn)。由于淤泥在自重作用下完成固結(jié)需要幾年甚至更長(zhǎng)時(shí)間[1～2]，造成吹填軟土形成的地基土，具有非常特殊的宏微觀結(jié)構(gòu)特性[3～4]，導(dǎo)致這種地基不能滿足工程建設(shè)所要求的基本條件。為了使超軟土地基在短時(shí)間內(nèi)具有一定的強(qiáng)度以滿足工程建設(shè)的需要，瑞典Kjellman教授首次提出了真空預(yù)壓法。然而，工程實(shí)踐表明，真空預(yù)壓法在應(yīng)用過(guò)程中排水板周圍淤泥抱團(tuán)現(xiàn)象非常嚴(yán)重，形成的淤堵泥層會(huì)極大地降低排水固結(jié)效果，增加施工周期并使得超軟土地基出現(xiàn)強(qiáng)度不均勻現(xiàn)象(圖1)。如在溫州新近吹填淤泥真空預(yù)壓處理過(guò)程中，排水板周圍形成一個(gè)個(gè)10～20 cm的土柱[5]，土柱現(xiàn)象導(dǎo)致排水板周圍土體強(qiáng)度很不均勻[6]。在室內(nèi)真空預(yù)壓試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在非常短的時(shí)間內(nèi)就形成了外包泥層[7]，從而導(dǎo)致了排水通道淤堵。因此，開(kāi)展淤堵泥層的形成機(jī)理和預(yù)防方法研究對(duì)加快工程進(jìn)度具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 因淤堵泥層的形成而出現(xiàn)的局部突出現(xiàn)象Fig.1 The local extrude phenomenon due to the formation of siltation mud

在真空預(yù)壓防淤堵措施方面，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Koerner等[8]研究了反復(fù)用水沖洗的方法來(lái)修復(fù)淤堵泥層，但是這種方法僅在初期起到短暫的促進(jìn)排水效果，長(zhǎng)期防淤堵效果并不顯著；杭州西湖疏浚底泥的真空排水工程中，曾采用在底泥中埋設(shè)排水濾管，通過(guò)在濾管中反復(fù)抽吸氣，以期沖洗淤堵濾層達(dá)到加快排水固結(jié)的效果，但是效果不明顯[9]。室內(nèi)試驗(yàn)方面，也有許多學(xué)者提出不同的方法，如透氣真空快速泥水分離技術(shù)[10]、氣壓劈裂真空預(yù)壓法[11～13]等。此外，周源等[14]提出在真空預(yù)壓過(guò)程中濾層材料附近淤泥土體中的細(xì)顆粒會(huì)流失，粗顆粒富集并形成拱架結(jié)構(gòu)，這種拱架結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到防淤堵的目的。但是，這種拱架結(jié)構(gòu)不能很好地解釋在實(shí)際工程中所出現(xiàn)的淤堵泥層現(xiàn)象。

綜上所述，已有研究多集中在針對(duì)淤堵泥層的破碎提出不同的方法，但是對(duì)排水板周圍出現(xiàn)的淤堵泥層的形成機(jī)理和相關(guān)特性研究還很少涉及，對(duì)于淤堵泥層形成的預(yù)測(cè)模型更是鮮有提及。因此，本文采用了不同粒徑組成的土樣，通過(guò)施加不同真空荷載，進(jìn)行了室內(nèi)真空預(yù)壓模型試驗(yàn)。深入研究排水板周圍淤堵泥層的形成機(jī)理，分析粒徑組成和真空荷載值對(duì)淤堵泥層形成的影響，得到淤堵泥層形成的預(yù)測(cè)模型，為提出切實(shí)可行的防淤堵和淤堵泥層破碎方案提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)土體特性

已有研究表明，疏浚淤泥顆粒在吹填過(guò)程中的運(yùn)移及分選呈現(xiàn)一定的區(qū)域分布特征，表現(xiàn)為淤泥顆粒粒徑隨吹填口的距離而逐級(jí)減小[15]。本試驗(yàn)采用的吹填淤泥取自天津市濱海新區(qū)某吹填造陸工程現(xiàn)場(chǎng)，屬于典型的高含水率疏浚淤泥。為研究不同顆粒粒徑組成對(duì)淤堵泥層的形成所造成的影響，試驗(yàn)中的土樣取自距吹填口50 m，100 m和150 m的表層，對(duì)應(yīng)的土樣編號(hào)分別為T50，T100和T150。按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-1999采用高頻振動(dòng)儀和密度計(jì)法分別進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)土樣顆分曲線Fig.2 Curves of the particle analysis of test soil sample

從圖2中可以看出，3次取土的顆粒分析曲線近似平行，說(shuō)明距離吹填口越遠(yuǎn)，相同粒徑下對(duì)應(yīng)的累積百分含量越高，如粒徑為10 μm時(shí)距吹填口150 m土樣的累積百分含量為86.18%，距吹填口100 m土樣的累積百分含量為64.93%，距吹填口50 m土樣的累積百分含量為53.32%。土樣的液塑限采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-1999進(jìn)行測(cè)定，土樣的基本物性參數(shù)見(jiàn)表1。

由表1可知，距離吹填口越近其粉粒(粒徑5～75 μm)含量越多，黏粒(粒徑小于5 μm)含量越少。土樣T50，T100和T150塑性指數(shù)分別為16.9，18.9和34.6。

表1 土樣基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of soil sample

由于3批土樣的天然含水率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液限值，且其天然孔隙比都大于1.5，所以，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50007—2011中4.1.12關(guān)于對(duì)淤泥的定義：淤泥為在凈水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的黏性土。3批土樣都屬于淤泥。試驗(yàn)采用此3批淤泥土樣進(jìn)行不同真空壓力作用下的排水固結(jié)試驗(yàn)，以研究不同真空度值和顆粒組成對(duì)淤堵泥層形成造成的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)土樣與儀器設(shè)備

試驗(yàn)前預(yù)先制作干土樣，使磨成的干土粉末都過(guò)0.075 mm標(biāo)準(zhǔn)篩。先稱取一定質(zhì)量的干土樣粉末，并稱取兩倍質(zhì)量的水倒入攪拌桶中，再緩慢放入先前稱取的干土樣攪拌均勻后浸泡過(guò)夜；然后將攪拌桶中的淤泥倒入模型箱中并用保鮮膜密封模型箱以防止水分蒸發(fā)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況進(jìn)行了室內(nèi)真空預(yù)壓排水法固結(jié)試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)，設(shè)備裝置和平面布置如圖3、圖4所示。試驗(yàn)設(shè)備包括真空控制系統(tǒng)、集水系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)和模型箱等。通過(guò)鋼絲軟管將各個(gè)設(shè)備連接起來(lái)，組成整套試驗(yàn)裝置。

圖3 室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Skech map of the test device of laboratory model

圖4 室內(nèi)模型試驗(yàn)平面布置示意圖Fig.4 Layout plan of the test device of laboratory model

裝置中模型箱采用12 mm厚鋼化玻璃制作而成，由于模型試驗(yàn)受到室內(nèi)條件的限制，室內(nèi)試驗(yàn)采用的水平截面積為0.7 m2，模型箱各邊用金屬架固定，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該模型箱在真空壓力為80 kPa作用下側(cè)面沒(méi)有變形。現(xiàn)場(chǎng)采用的排水板寬度為100 mm，厚度為5 mm；排水板當(dāng)量換算直徑按如下公式確定：

(1)

式中：dp——排水板當(dāng)量換算直徑；b——排水板寬度；δ——排水板厚度。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79—2002，通過(guò)式(1)換算得到現(xiàn)場(chǎng)采用的排水板當(dāng)量換算直徑為66.85 mm；塑料排水板的間距按18倍的排水板當(dāng)量換算直徑選取，則4塊排水板所排水的水平面積為1.44 m2，而模型試驗(yàn)用的模型箱水平截面積為0.7 m2，其模型箱中4條排水板的作用面積與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的作用面積之比為0.5，即模型比為0.5，因此需將試驗(yàn)用排水板進(jìn)行縮尺二分之一的改造，改造后的排水板寬度為50 mm，排水板間距為0.5 m。

本次試驗(yàn)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程的一種模擬，模型與實(shí)際尺寸的比例為0.5。模型箱的邊界距離排水板10 cm，可以觀察排水過(guò)程中土樣的變化。排水板的滲流場(chǎng)等勢(shì)線分布為一個(gè)個(gè)同心橢圓，模型箱的透明邊界會(huì)對(duì)土樣滲流場(chǎng)的等勢(shì)線分布造成一定的影響，然而這種影響僅體現(xiàn)在排水板一側(cè)的滲流場(chǎng)等勢(shì)線較短，對(duì)其他側(cè)面沒(méi)有影響，因此邊界效應(yīng)問(wèn)題可以忽略，同時(shí)，正因如此才可以通過(guò)透明邊界觀察真空預(yù)壓過(guò)程中近排水板淤泥的變化。

2.2 試驗(yàn)步驟

將制備好的淤泥土樣倒入試驗(yàn)槽中，其初始高度為51 cm，初始含水率均在200%左右；淤泥表層上鋪無(wú)紡?fù)凉た棽?，在其上開(kāi)口并插入改造后的排水板；將排水板與通氣管和排水管進(jìn)行連接，上鋪密封膜，密封膜在試驗(yàn)槽邊下插入淤泥內(nèi)，并做密封泥層處理，以防止密封膜與試驗(yàn)槽邊接觸處漏氣；用鋼絲軟管將排水管連接到水氣分離罐上，并連接到真空泵上組成集水系統(tǒng)。

排水板連接有通氣管，由通氣閥門通入氣流使真空度維持在一個(gè)穩(wěn)定的值。通過(guò)真空表觀測(cè)整個(gè)系統(tǒng)中的真空度；通過(guò)電子稱顯示排水板由真空壓力排出水的質(zhì)量。

2.3 試驗(yàn)方案

由于淤泥土樣含水率高，孔隙比大，放置一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)一定的水土分離現(xiàn)象；水土分離現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生自重沉降。為確定試驗(yàn)所用3批土樣自重沉降的變化規(guī)律，需進(jìn)行自重固結(jié)試驗(yàn)(圖5)。

圖5 自重沉降試驗(yàn)Fig.5 The settlement test under dead-weight

測(cè)定預(yù)制淤泥土樣的含水率、密度等參數(shù)再倒入自重沉降試驗(yàn)裝置中并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，進(jìn)行泥面位置的測(cè)讀和記錄；通過(guò)讀取泥面的位置換算得到淤泥中土顆粒的下沉量，通過(guò)對(duì)下沉量的分析得出土樣的自重沉降規(guī)律。

本文主要考慮不同顆粒粒徑組成的土樣在不同真空壓力作用下對(duì)淤堵泥層的形成造成的影響，以及淤堵泥層的形成機(jī)理和排水預(yù)測(cè)模型的建立。因此，采用固定真空壓力值20 kPa，40 kPa和80 kPa來(lái)研究真空壓力值對(duì)不同土樣淤泥排水固結(jié)過(guò)程中淤堵泥層產(chǎn)生的影響，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Scheme of test

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中記錄電子秤的讀數(shù)，用以確定試驗(yàn)過(guò)程中的排水量，當(dāng)排水量的日增長(zhǎng)量小于0.1 kg時(shí)停止試驗(yàn)；拆除密封膜和無(wú)紡?fù)凉た棽紲y(cè)定不同測(cè)點(diǎn)土樣的含水率、密度等相關(guān)物性參數(shù)，以確定真空預(yù)壓試驗(yàn)過(guò)程中淤堵泥層的影響因素及淤堵泥層的特性。

每組試驗(yàn)取用相同的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)C1深度為0 cm，距離排水板為0 cm；測(cè)點(diǎn)編號(hào)C2深度為0 cm，距離排水板為20 cm；測(cè)點(diǎn)編號(hào)C3深度為20 cm，距離排水板為0 cm；測(cè)點(diǎn)編號(hào)C4深度為20 cm，距離排水板為20 cm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6為不同吹填口間距土樣的沉降量隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。

圖6 自重沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.6 Curves of self-weight sedimentation with time

從圖6中可以看出，試驗(yàn)中的土樣經(jīng)過(guò)靜置一段時(shí)間之后均會(huì)出現(xiàn)不同程度的水土分離現(xiàn)象。由于T150土樣黏粒含量較多，當(dāng)初始含水率相同時(shí)T150土樣的初始孔隙比最小，對(duì)比T50和T100土樣其因自重產(chǎn)生的沉降量較小。通過(guò)自重固結(jié)試驗(yàn)得到48 h之內(nèi)的自重沉降占總沉降的50%以上。為了盡量減小土樣自重沉降對(duì)沉降時(shí)間關(guān)系曲線的影響，試驗(yàn)時(shí)將土樣取回放入試驗(yàn)槽內(nèi)先進(jìn)行48 h的自重固結(jié)之后取出表層水，然后再進(jìn)行排水板的插板和表層密封處理。用鋼絲軟管進(jìn)行各試驗(yàn)設(shè)備的連接，此時(shí)打開(kāi)真空泵并調(diào)節(jié)通氣閥門使真空表維持在一個(gè)穩(wěn)定的值，通過(guò)各測(cè)量裝置檢測(cè)各參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

在真空壓力作用下，淤泥中的自由水被收集到水氣分離罐內(nèi)，罐下的電子稱記錄了排水質(zhì)量隨時(shí)間的增加量。將不同吹填口間距的土樣在相同真空壓力作用下的排水量與時(shí)間關(guān)系曲線繪制成圖7。其中T50-20指的是距離吹填口為50 m的淤泥土樣在20 kPa真空壓力作用下的排水量隨時(shí)間的變化曲線。

圖7 相同真空壓力作用下排水量隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curves of drainage amount with time under the same vacuum pressure value

由圖7可以看出，真空預(yù)壓排水固結(jié)過(guò)程存在明顯的快速排水階段、穩(wěn)定排水階段和緩慢排水3個(gè)階段；在相同真空度作用下，吹填口的距離不同土樣所表現(xiàn)出的最終排水量有所差異；T50的最終排水總量較小，只有20 kg左右，其固結(jié)程度較差；反之，T150的最終排水總量較大，大約有40 kg，其固結(jié)效果較好。

由圖7還可以看出，黏粒含量較多的土樣在真空壓力作用下，雖孔隙通道半徑較小，但形成的濾層結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，不易在真空壓力作用下遭到破壞，因此其滲透系數(shù)不至過(guò)小，排水固結(jié)效果較好。

圖8為相同吹填口間距的土樣在不同真空壓力作用下的排水量與時(shí)間關(guān)系曲線。從圖8中可以看出，對(duì)比低真空度作用下，距吹填口距離相同即相同顆粒組成的土樣在高真空度作用下排水總量較少，由于高真空壓力作用下排水板外側(cè)土體在非常短的時(shí)間內(nèi)便形成了薄而密實(shí)的淤堵泥層，使得高真空度作用下淤泥土樣的總體排水固結(jié)程度反而較差。因此，一味地追求提高真空度無(wú)法實(shí)現(xiàn)更好的排水固結(jié)效果。

從圖8中還可以看出，無(wú)論是高真空度還是在低真空度作用下，在排水固結(jié)過(guò)程后期排水量的增加量較小，日增加量均在0.1 kg以內(nèi)，可以認(rèn)為此后的排水固結(jié)效果不良，即排水板周圍形成了淤堵泥層。淤堵泥層在穩(wěn)定排水階段之前就已開(kāi)始形成，在緩慢排水階段前期淤堵泥層基本形成，淤堵泥層形成后排水量變化很少。所以，穩(wěn)定排水階段為淤堵泥層的形成期。淤堵泥層的形成會(huì)減緩淤泥質(zhì)土樣的排水固結(jié)速度，當(dāng)淤堵泥層形成后土樣幾乎沒(méi)有自由水的排出。

為了更好地分析土樣顆粒組成和真空壓力對(duì)淤堵泥層形成的影響，對(duì)試驗(yàn)完成后的淤堵泥層不同測(cè)點(diǎn)處的物性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。表3和表4分別給出了不同位置處土樣的含水率和孔隙比結(jié)果。

由表3和表4中數(shù)據(jù)可以看出，C2和C4處的含水率隨真空壓力的增加呈上升趨勢(shì)，C1和C3處的含水率隨著真空壓力的增加呈降低趨勢(shì)。但是，從圖8中分析得到，低真空度作用下淤泥的排水總量反而比高真空壓力作用下的大，說(shuō)明低真空度作用下的總體排水固結(jié)效果更顯著。因此，C1和C3處的含水率變化規(guī)律與圖8得出的不同。究其原因，可解釋為距排水板水平距離為零的淤泥直接承受排水板傳來(lái)的真空壓力，不存在真空壓力的水平衰減問(wèn)題，因此80 kPa作用下該處的排水固結(jié)效果一定比20 kPa作用下的明顯，即距排水板水平距離較近的地方含水率呈現(xiàn)隨著真空壓力的增加含水率呈降低趨勢(shì)是合理的。

由表3還可看出，距排水板20 cm處的含水率隨著真空壓力的增加明顯變大，相同土樣在20 kPa作用下距排水板20 cm處的含水率比80 kPa作用下低20%左右。這是由于80 kPa作用下土樣更快地進(jìn)入淤堵泥層形成階段，淤泥土樣的滲透路徑更快地變短變窄，滲透系數(shù)下降明顯。由于80 kPa作用下淤泥的滲透路徑比低真空度作用下的淤泥滲透路徑短，導(dǎo)致高真空度負(fù)壓作用范圍較小，最后形成的淤堵泥層比20 kPa作用下的厚度小但是密度更大，也更加密實(shí)。所以，低真空度作用下形成的淤堵泥層厚度大但是含水率和密實(shí)度低，高真空度作用下形成的淤堵泥層厚度小但是含水率和密實(shí)度高。

同時(shí)，由表3中可知，C2和C4測(cè)點(diǎn)的含水率在80 kPa作用下要比20 kPa作用下高20%～30%，C1和C3處的含水率在80 kPa作用下要比20 kPa作用下低6%左右。雖然高真空度作用下形成的淤堵泥層含水率低，但由于高真空荷載作用下淤堵泥層之外的含水率要比低真空荷載作用下高很多，這樣就使得高真空荷載作用后的總體含水率明顯高于低真空荷載作用下的土體，這與圖7得出的結(jié)論相同。

圖8 相同顆粒組成土體排水量隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Curves of drainage amount with time under the same soil particles

測(cè)點(diǎn)T50T100T15020kPa40kPa80kPa20kPa40kPa80kPa20kPa40kPa80kPaC1352134082945323131422887292327912718C3409135093451397535183447345632933307C252696389713350626232707476363396581C4568969118697574465187934532664568071

表4 不同測(cè)點(diǎn)的最終孔隙比Table 4 The finally void ratio of different measure points

土樣孔隙比可以間接反映滲透路徑的直徑大小和長(zhǎng)短。當(dāng)孔隙比較大時(shí)，土樣內(nèi)部顆粒之間的滲透路徑就較多且滲透路徑寬而長(zhǎng)，代表其滲透系數(shù)就較大；當(dāng)孔隙比較小時(shí)，由于土顆粒相互擠密，土樣內(nèi)部顆粒之間的滲透路徑就較少且滲透路徑窄而短，說(shuō)明其滲透系數(shù)較小。通過(guò)表4中不同位置處孔隙比的對(duì)比可以看出，C1和C3處孔隙比隨著真空壓力的增加而減小，C2和C4處孔隙比隨著真空壓力的增加而增大。在80 kPa作用下C1和C3處孔隙比值要比20 kPa作用下低0.4左右，C2和C4處孔隙比值在80 kPa作用下要比20 kPa作用下高出約0.4。這說(shuō)明在顆粒組成相同的情況下，距排水板水平距離近的地方高真空度作用下滲透路徑較窄，形成的淤堵泥層比低真空度作用下更密實(shí)，而距排水板水平距離較遠(yuǎn)的地方低真空度作用下滲透路徑變窄較緩慢，該處真空壓力雖有所衰減但仍可以進(jìn)行一定的排水固結(jié)，相反高真空荷載并沒(méi)有傳遞到水平方向較遠(yuǎn)的地方。因此，距排水板水平距離較遠(yuǎn)的土樣在低真空度作用下形成的淤堵泥層相對(duì)高真空度作用下更密實(shí)，這與表3得出的結(jié)論相同。

真空預(yù)壓法在施加真空荷載后會(huì)逐漸形成過(guò)濾層，隨著時(shí)間的進(jìn)行過(guò)濾層最終形成淤堵泥層，導(dǎo)致排水固結(jié)效率的降低。在研究淤堵泥層的含水率、孔隙比和滲透系數(shù)中已對(duì)淤堵泥層的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了解釋，為了進(jìn)一步對(duì)淤堵泥層的特性、各宏觀因素對(duì)淤堵泥層的影響及其微觀形成機(jī)制進(jìn)行研究，對(duì)真空預(yù)壓試驗(yàn)后的淤堵泥層土樣進(jìn)行微觀壓汞試驗(yàn)研究。

微觀壓汞試驗(yàn)土樣需采用完全干燥且結(jié)構(gòu)性未受影響的土樣，壓汞試樣的制備方法已在前文中闡述。利用Washburn方程得出不同汞壓對(duì)應(yīng)的孔隙半徑，利用各級(jí)汞壓作用下的累計(jì)進(jìn)汞量求得各孔隙直徑對(duì)應(yīng)的體積百分含量就得到土樣中的孔隙分布。將在不同真空壓力作用下形成的淤堵泥層中相同顆粒組成，同一測(cè)點(diǎn)處土樣的孔隙分布繪制于圖9中。

圖9 同一測(cè)點(diǎn)在不同真空壓力作用下的孔隙分布特征Fig.9 Distribution of pores of the same measuring point under different vacuum pressure

從圖9中反映出土樣中的孔隙主要分布在10～3 000 nm之間，其中20 kPa作用下土樣孔隙主要分布在600～3 000 nm區(qū)域，占所有孔隙分布的64.12%。20 kPa真空荷載作用后土樣中1 500 nm 孔隙最多，占總體的8.22%。40 kPa作用下土樣孔隙主要分布在10～700 nm區(qū)域，占所有孔隙分布的90.03%。40 kPa真空荷載作用后土樣中400 nm孔隙最多，占總體的4.99%。

對(duì)比不同真空荷載作用下土樣的孔隙分布特征，發(fā)現(xiàn)真空壓力越大，土樣中的孔隙半徑越小，且孔隙分布越向小孔隙發(fā)展。當(dāng)真空壓力較小時(shí)，土樣中孔隙直徑分布較廣且分布比較均勻；當(dāng)真空壓力變大后土樣中孔隙分布較窄且分布集中，但孔隙最大含量比低真空度下低。

在低真空度作用下，土樣形成的淤堵泥層結(jié)構(gòu)性不強(qiáng)，滲透系數(shù)較大，密度較小，含水率較大，因此孔隙比較大，土體中含有大量孔隙，形成的這種淤堵泥層雖然降低了排水固結(jié)效果，但仍可以進(jìn)行真空負(fù)壓的傳遞，隨著時(shí)間的進(jìn)行在該真空度作用下可加固的土體雖強(qiáng)度不高但范圍較大。

在較高真空壓力作用下，土樣在較早的時(shí)間內(nèi)就形成了具有一定結(jié)構(gòu)性的濾層結(jié)構(gòu)，且該濾層結(jié)構(gòu)在靠近排水板部位的滲透系數(shù)較小，密度較大，含水率較低，因此該部分的孔隙比很小，土體中的孔隙分布較少，在高真空壓力作用下雖然前期排水固結(jié)效果較好，但形成的這種淤堵泥層厚度較小且較密實(shí)，因此真空負(fù)壓欲透過(guò)該濾層傳遞到更遠(yuǎn)的淤泥土體就比較困難，隨著時(shí)間的進(jìn)行該真空壓力作用下土體的加固范圍較小但強(qiáng)度較高。這與前文中排水量與真空壓力關(guān)系的分析相一致。

為了在微觀上研究不同顆粒組成對(duì)淤泥土樣淤堵泥層的形成產(chǎn)生的影響，本文將同一測(cè)點(diǎn)不同顆粒組成的土樣在相同真空壓力作用下的孔隙分布繪制成圖10。圖中3批土樣均在40 kPa真空壓力作用后取相同位置的試樣進(jìn)行了壓汞試驗(yàn)。

圖10 不同顆粒組成土樣在相同真空壓力 作用下的孔隙分布特征Fig.10 Distribution of pores of different soil particles under the same vacuum pressure

從圖10中可以看出，T50土樣真空預(yù)壓后孔隙直徑分布主要集中在100～700 nm范圍內(nèi)，占孔隙總體的90.03%，其中孔隙直徑為400 nm的含量最多，為4.99%；T100土樣真空預(yù)壓后孔隙分布比較均勻，主要分布在2個(gè)區(qū)域，20～1 900 nm和14 000～40 000 nm范圍內(nèi)，分別占孔隙總體的55.67%和18.8%，其中孔隙直徑為1 000 nm的含量最多，為2.24%；T150土樣真空預(yù)壓后孔隙直徑分布主要集中在10～160 nm范圍內(nèi)，占孔隙總體的90.56%，其中孔隙直徑為100 nm的含量最多，為11.05%。

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出土樣的黏粒含量越多，其真空預(yù)壓后的最終孔隙直徑越小且集中程度較高。黏粒含量小的土樣含有的大顆粒比較多，易形成土體骨架，大顆粒形成的排水通道會(huì)比細(xì)顆粒的直徑大，所以黏粒含量小的土樣真空預(yù)壓過(guò)程中發(fā)生的土顆粒流失現(xiàn)象比較嚴(yán)重，從而最終形成的淤堵泥層的孔隙比較大，孔隙直徑也較大。相反，黏粒含量較多的土樣土顆粒在受到真空壓力作用后的流失量比較小，同時(shí)由于黏粒直徑較小，其最終形成的排水通道直徑小，所以形成的淤堵泥層中的孔隙也小。綜上所述，黏粒含量較多的土樣真空預(yù)壓后形成的淤堵泥層比較密實(shí)，黏粒含量少的土樣形成的淤堵泥層比較松散。

3.2 淤堵泥層形成機(jī)理分析

淤堵泥層的形成將對(duì)真空預(yù)壓排水固結(jié)的效果產(chǎn)生不利的影響，真空預(yù)壓排水固結(jié)的過(guò)程伴隨著淤堵泥層的形成過(guò)程。在真空預(yù)壓過(guò)程中，重力水在真空吸力作用下排出吹填土體的同時(shí)，大量黏粒會(huì)隨水流遷移至排水板周圍[16]。土中細(xì)顆粒隨滲透力的作用朝排水板方向聚集，部分極細(xì)顆粒將通過(guò)濾膜進(jìn)入芯板并隨水流被排出，但大部分細(xì)顆粒仍是粘附于排水板周圍[6]。

進(jìn)行真空預(yù)壓排水固結(jié)之前，淤泥土樣的土顆粒之間存在著大量的自由水，這些自由水會(huì)使得土中部分顆粒處于懸浮狀態(tài)，這時(shí)土顆粒之間的有效應(yīng)力幾乎為零。抽真空之前，由于土樣中天然含水率較大，土體中的孔隙水壓力大于零且沿深度是遞增的。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)真空壓力被維持在一定值時(shí)，排水板內(nèi)部通道的真空負(fù)壓力與土體內(nèi)部的孔隙水壓力形成了較大的壓力差，為了使密封膜下的真空度保持平衡，土體顆粒間的自由水由真空壓力差的作用會(huì)移動(dòng)到排水板內(nèi)。

真空壓力的作用初期，真空壓力產(chǎn)生的吸力主要由自由水承擔(dān)，隨著自重固結(jié)作用和真空預(yù)壓排水固結(jié)的進(jìn)行，淤泥中的自由水會(huì)不斷地排出土體，處于懸浮狀態(tài)的土顆粒將隨著自由水的滲流而發(fā)生移動(dòng)，土顆粒間將相互接觸進(jìn)而產(chǎn)生有效應(yīng)力，且土顆粒之間的有效應(yīng)力會(huì)隨著自由水的不斷排出而逐漸變大。

在此期間，土顆粒之間形成滲透路徑且隨著時(shí)間的推移其直徑會(huì)變窄，之后土體中較小土顆粒在滲透路徑中隨著水流遷移，當(dāng)遷移的土顆粒遇到小于自身粒徑的滲透路徑直徑時(shí)，遷移的顆粒會(huì)卡在較小的滲透路徑處而停止遷移。隨著越來(lái)越多的土顆粒停止遷移，滲透路徑就會(huì)變得越來(lái)越短，其直徑也會(huì)隨著真空壓力的作用而越來(lái)越窄，并最終完全堵塞所有的滲透路徑形成淤堵泥層。這一過(guò)程也解釋了淤堵泥層距離排水板越近密實(shí)度越高的現(xiàn)象。

真空壓力作用后期，由于排水板附近淤堵泥層的形成，淤泥內(nèi)部排水路徑受到阻隔，淤泥土樣中土顆?；静辉侔l(fā)生運(yùn)移，除淤堵泥層之外的土顆粒呈均勻的分布。

真空預(yù)壓法的土體固結(jié)程度在很大程度上取決于排水量的多少。真空壓力作用下淤泥土體顆粒形成的孔隙通道為自由水的排出提供了路徑，孔隙通道的多少和直徑大小(即滲透路徑的長(zhǎng)短和直徑大小)決定了排水的速率。但是由于淤堵泥層的產(chǎn)生，真空預(yù)壓法的排水量受到了很大的影響，使得距離排水板較遠(yuǎn)的土體加固效果不明顯。

3.3 預(yù)測(cè)模型

針對(duì)吹填土體特有的工程特性，楊愛(ài)武等[17]對(duì)吹填軟土的經(jīng)驗(yàn)流變預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了一系列研究。基于此，本文對(duì)吹填土體真空預(yù)壓過(guò)程中淤堵泥層形成進(jìn)行了模型預(yù)測(cè)研究。

淤堵泥層的形成期進(jìn)行研究可以確定排水板排水固結(jié)失效的時(shí)間，以淤堵泥層形成時(shí)間為根據(jù)確定采取相關(guān)的淤堵泥層破碎措施的時(shí)間，對(duì)提高吹填土最終的排水固結(jié)效果有重要的指導(dǎo)意義，因此建立排水量與時(shí)間的關(guān)系就顯得尤為重要。將排水量時(shí)程關(guān)系曲線的時(shí)間取對(duì)數(shù)后作為橫坐標(biāo)，排水量為縱坐標(biāo)，發(fā)現(xiàn)取時(shí)間對(duì)數(shù)后的排水時(shí)程關(guān)系曲線具有較好的指數(shù)關(guān)系(圖11)，圖11中擬合公式的y為排水量，x為時(shí)間對(duì)數(shù)值x=lgt。

圖11 排水量時(shí)間對(duì)數(shù)擬合曲線Fig.11 The fitting curves of drainage amount with logarithmic time

從圖11中可以看出，各排水量時(shí)間對(duì)數(shù)關(guān)系曲線的快速排水階段和穩(wěn)定排水階段都存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，參考1936年Casagrande[18]提出的用作圖法確定主、次固結(jié)分界時(shí)間的方法，本文通過(guò)確定快速排水階段和穩(wěn)定排水階段的時(shí)間分界點(diǎn)，并將此時(shí)間點(diǎn)作為淤堵泥層形成期的開(kāi)始點(diǎn)。從圖11中得出的淤堵泥層開(kāi)始形成的時(shí)間為1 000～3 135 min。將取時(shí)間對(duì)數(shù)后的排水時(shí)程關(guān)系曲線進(jìn)行指數(shù)擬合，得到的排水量時(shí)程關(guān)系曲線的預(yù)測(cè)方程為：

(2)

式中：M——排水量/kg；t——時(shí)間/min；α，β——與淤泥性質(zhì)及真空壓力有關(guān)的系數(shù)。

通過(guò)試驗(yàn)確定，α值范圍為0.04～0.42，β值范圍為0.97～1.5。應(yīng)用式(2)可以在進(jìn)行真空預(yù)壓處理前，通過(guò)作圖法判定淤堵泥層形成的時(shí)間，在這一時(shí)間段后開(kāi)始采取淤堵泥層破碎措施。

采用式(2)做出的預(yù)測(cè)圖形，進(jìn)行快速排水階段和穩(wěn)定排水階段時(shí)間分界點(diǎn)即淤堵泥層形成期的開(kāi)始點(diǎn)的求取，得出淤堵泥層開(kāi)始形成期的時(shí)間段在1 950～2 900 min之間，由試驗(yàn)曲線得出的淤堵泥層形成期為1 000～3 135 min，因此預(yù)測(cè)方程能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)淤堵泥層的形成期。

利用真空預(yù)壓排水量預(yù)測(cè)模型可以推測(cè)淤泥平均含水率隨時(shí)間的變化情況。試驗(yàn)土樣的初始含水率在200%左右，模型箱中的干土樣總量為M0，定義初始含水率ωo為200%，則模型箱中土樣的平均含水率ω與真空預(yù)壓過(guò)程中由排水板排出的水量M之間的關(guān)系為：

(3)

將式(2)代入式(3)中得到土樣平均含水率與時(shí)間的關(guān)系：

(4)

(5)

根據(jù)式(5)可以由土樣距吹填口間距和真空壓力值的大小推測(cè)出土樣中平均含水率隨時(shí)間的變化，由淤泥土樣含水率的降低值可以評(píng)估真空預(yù)壓法對(duì)淤泥地基的處理效果。

本次試驗(yàn)所使用的吹填淤泥是天津沿海地區(qū)，得出的預(yù)測(cè)方程對(duì)該地區(qū)利用真空預(yù)壓法進(jìn)行地基前期中判斷淤堵泥層形成時(shí)間并何時(shí)進(jìn)行防淤堵措施有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)其他沿海地區(qū)的吹填土地基處理還需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。本文中對(duì)各排水量時(shí)間對(duì)數(shù)關(guān)系進(jìn)行指數(shù)擬合時(shí)發(fā)現(xiàn)，各擬合曲線對(duì)排水量時(shí)間對(duì)數(shù)關(guān)系的快速排水階段和穩(wěn)定排水階段的擬合度較高，對(duì)緩慢排水階段的擬合度較差，因此本文得出的預(yù)測(cè)模型只能針對(duì)淤泥地基處理的前中期的排水量進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，對(duì)后期排水量的預(yù)測(cè)需要進(jìn)一步的研究分析。

4 結(jié)論

(1)在相同真空度作用下，黏粒含量較高的淤泥土樣因?yàn)V層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，總體排水固結(jié)效果較好；高真空度作用下因淤泥土樣較快形成薄而密實(shí)的淤堵泥層，導(dǎo)致總體排水固結(jié)效果反而較差。因此，一味追求提高真空度不能達(dá)到更好地排水固結(jié)效果。

(2)吹填淤泥真空預(yù)壓法形成的淤堵泥層在微觀上與滲透路徑的長(zhǎng)度和直徑有關(guān)；滲透路徑中遷移的小顆粒會(huì)卡在較窄的滲透路徑處而停止遷移，導(dǎo)致滲透路徑變短；最終滲透路徑將完全堵塞而形成淤堵泥層。當(dāng)真空度較低時(shí)，滲透路徑寬而長(zhǎng)，形成的淤堵泥層厚度大但含水率和密實(shí)度低；當(dāng)真空度較高時(shí)，滲透路徑窄而短，形成的淤堵泥層厚度小但含水率和密實(shí)度高。

(3)高真空度作用下，土樣中淤堵泥層處的孔隙直徑較小且分布集中；低真空度作用下土樣中淤堵泥層處的孔隙直徑分布廣且分布較均勻；土樣的黏粒含量越多，其真空預(yù)壓后的最終孔隙直徑越小且集中程度較高。

(4)建立了淤泥地基處理過(guò)程中排水量和含水率的預(yù)測(cè)方程，能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)淤堵泥層的形成期，建議根據(jù)預(yù)測(cè)的淤堵泥層形成時(shí)間來(lái)采取相應(yīng)的防淤堵措施。

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責(zé)任編輯：張明霞

A study of siltation mud formation mechanism and predictionmodel of vacuum preloading method

LIU Jingjin1, LEI Huayang1,2, LU Haibin1, LI Bin1, ZHENG Gang1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity，Tianjin300072，China；2.KeyLaboratoryofCoastCivilStructureSafetyofEducationMinistry，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)

For the easily formed clogging phenomenon in the reinforcement process of vacuum preloading, the indoor tests under the conditions of different particle composition and different vacuum pressure value combined with the indoor vacuum preloading model test had been conducted. The formation features and mechanism of the siltation mud had been revealed, and the forecast model of drainage amount and the average moisture content had been built up preliminarily. The results show that the thickness of siltation mud is large with low moisture content and compactness due to the seepage paths are wide and long under lower vacuum degree, and the diameter distribution of pores is wide and uniform. However, the seepage paths are narrow and short under higher vacuum degree, the thickness of siltation mud is small with high moisture content and compactness, and the diameter of pores is small and the distribution is uniform. The higher clay content, the smaller the pore diameter, the higher degree of the concentration, and the more stable of the filter layer structure.

vacuum preloading method; hydraulic fill mud; siltation mud; prediction model; seepage path

2016-12-26;

2017-02-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51378344)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目資助(14JCYBJC21700)；天津市科技興海項(xiàng)目資助(KJXH2013-15)

劉景錦(1988-)，女，博士研究生，主要從事巖土工程科研工作。E-mail:liujingjinljj@163.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.10

TU411.5

A

1000-3665(2017)03-0061-11