吳海民,束一鳴,常廣品,劉云鋒,劉欣欣,顧 克

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

土工管袋能直接用于水中和軟土地基上筑壩,可就地取材,與拋石等傳統(tǒng)筑壩技術(shù)相比,具有受天氣影響小、適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)、施工速度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為圍墾造陸、蓄淡水庫(kù)、沿海堤防、港口碼頭圍堰等河口海岸工程中最佳筑堤技術(shù)選擇[1]。管袋堤壩一般由若干層管袋堆疊而成,每層管袋的施工過(guò)程分為水力造漿、充灌和脫水固結(jié)3個(gè)階段。在完成充灌后,利用袋壁土工織物的保土性和透水性,袋內(nèi)的水流帶著少部分細(xì)顆粒通過(guò)土工織物孔隙排出,而充填泥漿中的粗顆粒在自重作用下逐漸沉淀并脫水固結(jié)。管袋內(nèi)泥漿的脫水固結(jié)速度主要與袋壁土工織物孔徑、泥漿土顆粒組成和含固率等因素有關(guān)。對(duì)于某種孔徑的管袋,影響其脫水固結(jié)速度的最關(guān)鍵因素是所充填泥漿的土顆粒組成。充填泥漿中的土顆粒一般由黏粒、粉粒和砂粒組成,其中黏粒粒徑小于0.005 mm,粉粒粒徑介于0.005～0.075 mm之間,砂粒粒徑大于0.075 mm。JTJ 239—2005《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中要求充填泥漿含砂量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)大于50%,含黏量小于10%,但在我國(guó)渤海灣、黃河口、長(zhǎng)江口以及江蘇、浙江、福建、廣東等省的大部分沿海地區(qū),缺乏像規(guī)范中要求的含黏量低、透水性好的砂類土料,在這些地區(qū)利用管袋修筑堤壩,就會(huì)面臨適合充填的砂類土嚴(yán)重缺乏的問(wèn)題,而外地調(diào)運(yùn)土料又會(huì)大幅延長(zhǎng)工期和提高造價(jià)。

在河口海岸的潮間帶和低灘上進(jìn)行管袋的充填施工時(shí),一般會(huì)經(jīng)歷一天兩潮,露灘時(shí)間只有約6 h,管袋充填后需在6 h內(nèi)快速脫水和初步固結(jié),這樣才能具備一定的承載力,進(jìn)而進(jìn)行上一層管袋的充填施工,從而實(shí)現(xiàn)一天一層的施工速度。當(dāng)充填泥漿中砂粒太少、黏粒太多時(shí),管袋脫水固結(jié)速度很慢,就難以實(shí)現(xiàn)當(dāng)天快速脫水固結(jié)的目標(biāo)。因此,研究潮間帶和低灘上采用當(dāng)?shù)馗吆?粉)粒土料充填管袋的高效脫水固結(jié)技術(shù)對(duì)于擴(kuò)大管袋堤壩技術(shù)適用地區(qū)范圍和節(jié)省整個(gè)工程造價(jià)具有重要意義。

在管袋脫水固結(jié)影響因素方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列探索和研究。國(guó)外Moo-Young等[2]運(yùn)用滲透試驗(yàn)方法對(duì)淤泥質(zhì)土和土工織物的透水性進(jìn)行了研究,分析了土體含水率、顆粒組成和土工織物孔徑等對(duì)透水性和保土性的影響;Pilarczyk[3]對(duì)管袋充填后的平均固結(jié)度計(jì)算方法進(jìn)行了研究; Muthukumaran等[4]針對(duì)某種特定的充填泥漿,研究了脫水速率隨含水率和織物孔徑的變化規(guī)律;Palmeira等[5]對(duì)部分淤堵的土工織物在豎向壓力下的滲流特性進(jìn)行了深入研究;Koerner等[6-7]采用不同規(guī)格土工織物吊袋對(duì)充填沉積淤泥、粉煤灰等泥漿的脫水效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)束一鳴等[8-15]對(duì)管袋壩施工期穩(wěn)定性以及現(xiàn)場(chǎng)充填土料和土工織物孔徑選擇方法等方面進(jìn)行了系列研究,提出了避免管袋發(fā)生淤堵的設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為管袋充填施工工藝積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。林剛等[16]對(duì)小斷面土工織物管袋脫水試驗(yàn)進(jìn)行了研究,總結(jié)出在室內(nèi)進(jìn)行管袋脫水的試驗(yàn)方法。

上述研究主要集中在管袋土工織物的滲透性、保土性、淤堵特性及脫水影響因素方面。對(duì)于實(shí)際工程關(guān)注的管袋現(xiàn)場(chǎng)快速脫水固結(jié)施工技術(shù)方面的研究尚不夠系統(tǒng)和深入。此外,這些研究主要是從材料的角度進(jìn)行,也未考慮潮間帶灘地上趕潮施工對(duì)管袋快速脫水固結(jié)速度的要求。近幾年在環(huán)境工程領(lǐng)域也有一些采用添加化學(xué)藥劑來(lái)加速泥漿脫水固結(jié)的方法,如張景輝等[17-19]研究了通過(guò)添加絮凝劑的方法來(lái)促進(jìn)泥漿的沉淀和脫水,但對(duì)于規(guī)模較大的河口海岸堤壩工程,多是在潮間帶甚至水下施工,采用絮凝劑等化學(xué)方法來(lái)加快脫水尚無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模工程應(yīng)用。目前我國(guó)管袋壩充填施工尚未形成一套成熟的技術(shù)和方法,現(xiàn)場(chǎng)多憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

針對(duì)我國(guó)沿海地區(qū)大量存在的含砂量為30%～50%、含黏量達(dá)到10%～20%或含粉量達(dá)到60%的高含黏(粉)粒土料充填管袋脫水固結(jié)速度慢的問(wèn)題,本文通過(guò)管袋材料排水效率試驗(yàn)、充填泥漿沉降規(guī)律試驗(yàn)與室內(nèi)單元管袋脫水模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)不同充填土料管袋脫水規(guī)律及高效脫水方法進(jìn)行系統(tǒng)探索和研究,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大尺度管袋充填試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證高效脫水方法的可行性及實(shí)際效果,總結(jié)出了一種管袋充填高含黏(粉)粒土料高效脫水技術(shù)。

1 研究思路與方法

根據(jù)現(xiàn)有研究成果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),充填管袋脫水固結(jié)速度主要取決于管袋材料本身的排水速率和充填泥漿的沉淀固結(jié)特性兩方面因素。本文將從這兩個(gè)方面開(kāi)展一系列試驗(yàn)對(duì)充填不同土料管袋的脫水固結(jié)速率及變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)深入研究:①采用吊袋脫水試驗(yàn)方法研究不同管袋排水速率的影響因素及變化規(guī)律,在分析試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,初步提出加速脫水固結(jié)的思路;②通過(guò)沉降柱試驗(yàn)方法開(kāi)展不同粒徑土料泥漿的沉淀速率與顆粒級(jí)配變化特征研究,對(duì)所提出加速脫水固結(jié)思路的可行性進(jìn)行驗(yàn)證;③根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初步提出高含黏(粉)土料充填管袋高效脫水固結(jié)充填施工工藝,并通過(guò)室內(nèi)管袋脫水模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所提出充填工藝的實(shí)際脫水固結(jié)效果,同時(shí)與目前工程中傳統(tǒng)充填施工方法進(jìn)行對(duì)比;④在沿海圍墾工程施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大比尺的管袋充填試驗(yàn),對(duì)所提出的高效脫水固結(jié)方法進(jìn)行驗(yàn)證和完善。

2 管袋排水效率試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 袋體材料

目前我國(guó)管袋壩工程中常用的3種不同規(guī)格編織土工織物單位面積質(zhì)量分別為130 g/m2、200 g/m2和280 g/m2,對(duì)應(yīng)等效孔徑分別為0.07 mm、0.31 mm和0.25 mm。3種編織土工織物在黑暗環(huán)境下的透光效果如圖1所示。由圖1可知,200 g/m2規(guī)格土工織物孔隙透光效果最好,130 g/m2規(guī)格最差。280 g/m2規(guī)格土工織物相對(duì)于200 g/m2規(guī)格,其拉伸強(qiáng)度更大,力學(xué)性能指標(biāo)更高,但為了提高抗拉強(qiáng)度,織物纖維編織的更加密實(shí),即同等面積孔隙的數(shù)量更少,故其透光率反而低。

圖1 3種規(guī)格編織土工織物透光效果

2.1.2 充填土料

試驗(yàn)所用土料取自江蘇沿海開(kāi)發(fā)工程條子泥圍墾施工現(xiàn)場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)取回的土料經(jīng)過(guò)烘干、研磨后篩分成黏粒、粉粒和砂粒3個(gè)粒組。試驗(yàn)前根據(jù)需要的粒徑組成比例重新配置成充填泥漿,充灌前用攪拌器充分?jǐn)嚢?使泥漿混合均勻。

2.2 試驗(yàn)方案

主要采用吊袋脫水試驗(yàn)方法對(duì)管袋排水速率影響因素及規(guī)律進(jìn)行研究。因目前管袋充填施工中造漿一般憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,充填泥漿的含固率在現(xiàn)場(chǎng)較難控制,故含固率不作為本次試驗(yàn)研究的影響因素,統(tǒng)一采用與工程實(shí)際大概接近的25%含固率進(jìn)行泥漿配置。試驗(yàn)主要考慮管袋土工織物規(guī)格、充填土料含黏量和含砂量3個(gè)影響因素。

試驗(yàn)吊袋高70 cm,直徑為30 cm,共設(shè)計(jì)如表1所示的8個(gè)試驗(yàn)工況。其中工況2、3和4用來(lái)探究土工織物等效孔徑對(duì)排水效率的影響,并與含黏量較低的工況1進(jìn)行對(duì)比;工況1、3、5、6和3、7、8分別用來(lái)探究泥漿含黏量和含砂量對(duì)排水效率的影響。因工況2～8中泥漿的含黏量均超過(guò)10%,預(yù)計(jì)吊袋會(huì)發(fā)生淤堵而影響試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行,故參考工程施工中的實(shí)際情況,在吊袋脫水過(guò)程中對(duì)袋壁進(jìn)行拍打擾動(dòng),以促進(jìn)水流的排出。每組試驗(yàn)都進(jìn)行20 min的脫水,前10 min靜止自然脫水,10 min后進(jìn)行兩次拍打擾動(dòng),拍打間隔為5 min;數(shù)據(jù)記錄間隔為1 min。吊袋脫水試驗(yàn)情況如圖2所示。

圖2 吊袋脫水試驗(yàn)

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 土工織物規(guī)格對(duì)排水效率的影響

3種不同規(guī)格土工織物吊袋的脫水量和脫水速率隨時(shí)間變化曲線分別如圖3和圖4所示。由圖3可知,當(dāng)含黏量達(dá)到10%時(shí),3種規(guī)格的吊袋在自然脫水情況下,排水量極小,土工織物淤堵嚴(yán)重。在進(jìn)行怕打干擾后,才開(kāi)始排水,130 g/m2規(guī)格吊袋排水量最小,200 g/m2規(guī)格最大,280 g/m2規(guī)格居中。即排水量隨著土工織物等效孔徑的增大而增大。但這3種吊袋在拍打干擾下的排水量仍小于5%含黏量泥漿的自然脫水量,這說(shuō)明充填泥漿含黏量達(dá)到10%后脫水速率很低。圖4吊袋的脫水速率變化規(guī)律與脫水量類似,脫水速率也隨著土工織物等效孔徑的增大而增大。4種工況在拍打后的5 min內(nèi)脫水速率均逐漸降低,5 min后幾乎又恢復(fù)到自然脫水狀態(tài)的速率,這說(shuō)明拍打擾動(dòng)確實(shí)可以提高脫水效率,但是產(chǎn)生的影響并不能一直持續(xù)下去。隨著淤堵的發(fā)生,拍打擾動(dòng)的影響很快消失。故3種規(guī)格土工織物中,200 g/m2的排水效率最高,應(yīng)作為充填高含黏量土料時(shí)管袋的制作材料。本文后續(xù)試驗(yàn)也均采用這種規(guī)格的管袋材料。

圖3 不同規(guī)格土工織物吊袋脫水量隨時(shí)間變化

圖4 不同規(guī)格土工織物吊袋脫水速率隨時(shí)間變化

2.3.2 土料含黏量對(duì)排水效率的影響

工況1、3、5、6這4種不同含黏量泥漿的脫水量和脫水效率隨時(shí)間變化曲線分別如圖5和圖6所示。可以看出,吊袋脫水量和脫水速率均隨泥漿含黏量的增大而降低,當(dāng)含黏量超過(guò)10%以后,拍打干擾的促進(jìn)作用并不明顯。可見(jiàn)即使充填土料的含砂量達(dá)到50%,但若含黏量大于10%，傳統(tǒng)的充填施工方法也不再適用。

2.3.3 土料含砂量對(duì)排水效率的影響

工況3、7、8的含黏量都是10%,含砂量分別為50%、40%、30%,3種不同含砂量泥漿充填吊袋的脫水量和脫水速率隨時(shí)間變化曲線分別圖7和圖8所示?？梢钥闯?脫水量和脫水速率隨充填泥漿含砂量的減小而降低,但降低幅度并不大,尤其當(dāng)含砂量小于50%時(shí),脫水效果變化不明顯,這說(shuō)明當(dāng)含黏量達(dá)10%后,含砂量對(duì)脫水效果的影響并不大,也說(shuō)明了充填泥漿含黏量的提高相對(duì)于含砂量的降低會(huì)對(duì)吊袋脫水效率的影響更大。

圖7 不同含砂量土料充填吊袋脫水量隨時(shí)間變化

圖8 不同含砂量土料充填吊袋脫水速率隨時(shí)間變化

3 充填泥漿沉淀規(guī)律試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

吊袋排水試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于相同規(guī)格的管袋,排水效率隨含黏量的增大而降低,隨含砂量的增大而提高。而對(duì)于管袋內(nèi)部的泥漿,土顆粒在沉降過(guò)程中將受到重力、浮力以及水的黏滯力作用,根據(jù)斯托克斯沉速公式可知[20],土顆粒的下沉速度和其直徑的平方成正比,顆粒粒徑越大沉淀速度越快。故充填泥漿中的砂顆粒最快沉淀到底部,而粉粒下沉較慢、大部分位于中部,黏粒沉淀最慢而大部分位于表層。同時(shí),在管袋排水過(guò)程中還未來(lái)得及沉淀的少部分粉粒和大部分黏粒也會(huì)隨著水流一起沿袋壁孔隙滲出,且有些細(xì)小顆粒還會(huì)堵在孔隙中,慢慢形成泥餅,進(jìn)而降低管袋的排水性能。根據(jù)吊袋排水試驗(yàn)結(jié)果,并分析土顆粒的沉淀特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn),造成管袋脫水固結(jié)較慢的一個(gè)關(guān)鍵因素就是黏粒含量太高造成袋壁淤堵。針對(duì)我國(guó)沿海地區(qū)大量存在的含砂量為30%～50%、含黏量達(dá)到10%～20%或含粉量達(dá)到60%的高含黏(粉)粒土料,在傳統(tǒng)的充填施工方式基礎(chǔ)上,設(shè)想改變管袋充填口的布置和充填方法,即在管袋上部預(yù)設(shè)位置布置若干充灌和排水袖口,待泥漿中粗顆粒沉淀后利用排水袖口排出管袋表層的水體和部分仍未沉淀的細(xì)顆粒。即采用放水排泥的方法,在保留大部分砂粒和粉粒、排出大部分黏粒的基礎(chǔ)上,使袋體內(nèi)部土體的含黏量降到10%以內(nèi),從而提高管袋的脫水固結(jié)速度。

為了論證上述思路的可行性,專門(mén)設(shè)計(jì)了沉淀試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證不同泥漿中土顆粒沉淀速率以及沉淀后不同顆粒分層分布和變化規(guī)律。為了便于觀測(cè),沉淀試驗(yàn)選在高1 m、內(nèi)徑10 cm的有機(jī)玻璃量筒中進(jìn)行,初始泥漿高度達(dá)到80 cm,在沉淀過(guò)程中觀測(cè)粗顆粒沉淀面高度隨時(shí)間變化規(guī)律。每組試驗(yàn)均沉淀10 min后倒掉量筒表層的水和懸浮細(xì)顆粒,再對(duì)沉淀下來(lái)的土料顆粒級(jí)配進(jìn)行測(cè)試與分析。沉淀試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了如表2所示的10個(gè)工況,各工況的土料均由砂粒、粉粒和黏粒按一定的比例配制而成。工況1、2、3主要探究25%、33%、50%這3種不同含固率對(duì)泥漿沉淀規(guī)律的影響;工況4～10主要探究各種不同砂粒、粉粒和黏粒含量組合比例泥漿的沉淀規(guī)律。

表2 充填泥漿沉淀試驗(yàn)工況

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 土顆粒沉淀速率

工況3、5、7、10這4種不同含黏量泥漿中粗顆粒沉淀面的高度隨時(shí)間變化曲線如圖9所示,可以看出,4種泥漿的粗顆粒沉淀面高度均隨沉淀時(shí)間不斷提高,但在13 min時(shí)基本完成了沉淀,隨后不再變化。雖然4組土料的含砂量都是40%,但是沉淀面的高度卻不相同,隨著土料含黏量的增加,土料沉淀后的高度卻在降低。這是因?yàn)橥瑯拥暮傲?在含黏量較低的土料中粉粒的含量更高,含黏量較低時(shí)泥漿液體的黏滯力變小,更利于粉粒的沉淀。因此含黏量越低,相同時(shí)間內(nèi)沉淀下來(lái)的粉粒越多,導(dǎo)致最終的沉淀面變高。這說(shuō)明在管袋脫水過(guò)程中,砂顆粒和大部分粉粒在十幾分鐘內(nèi)即完成沉淀,而大部分黏粒沉淀較慢而懸浮于表層水中,并隨水流排出袋體,進(jìn)而造成袋壁土工織物的淤堵。這也證明了本文提出放水排泥的方法對(duì)實(shí)現(xiàn)6 h內(nèi)管袋高效脫水固結(jié)具有可行性。

圖9 粗顆粒沉淀面高度隨時(shí)間變化

3.2.2 沉淀后顆粒級(jí)配變化

各工況沉淀前后土體的含黏量和含砂量變化如表3所示?？梢钥闯?工況1、2、3這3種不同含固率的泥漿沉淀后土體含黏量隨著含固率的減小而降低,含砂量卻增加,但變化幅度并不大,這說(shuō)明泥漿含固率對(duì)土顆粒沉降規(guī)律的影響并不明顯。這也證明了本文結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,未將含固率作為一個(gè)主要影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究是合理的。

表3 各工況沉淀前后的含黏量和含砂量變化

由表3可以發(fā)現(xiàn),所有工況沉淀后土體的含黏量均明顯降低,且泥漿含黏量越高,降低幅度越大,即沉淀下來(lái)的黏粒越少。所有工況沉淀后土體的含黏量均小于5%，說(shuō)明對(duì)于高含黏(粉)粒土料泥漿,大部分黏粒短時(shí)間內(nèi)均無(wú)法沉淀固結(jié),而是懸浮在管袋內(nèi)表層水中。此外,所有工況沉淀后土體的含砂量均明顯增加,且泥漿含黏量越高,含砂量增加幅度越大，表明對(duì)于高含黏(粉)粒土料泥漿,大部分砂粒短時(shí)間內(nèi)均可以沉淀并逐漸固結(jié)。沉淀后的土體中,砂粒含量大部分都超過(guò)了50%,由此可見(jiàn),沉淀后土體的粒徑組成能夠滿足含砂量大于50%、含黏量小于10%的要求。

4 室內(nèi)單元管袋脫水模型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

高含黏(粉)粒泥漿的沉淀試驗(yàn)結(jié)果表明,泥漿中能夠快速沉淀下來(lái)的土體可滿足含砂量大于50%、含黏量小于10%的要求,驗(yàn)證了本文提出的放水排泥脫水方法的可行性。

為了驗(yàn)證該方法應(yīng)用于管袋脫水的實(shí)際效果，開(kāi)展了模擬現(xiàn)場(chǎng)管袋充填施工過(guò)程的室內(nèi)單元管袋脫水模型試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M了4種充填方式和脫水方法：①多次充灌，自然脫水；②多次充灌，人為拍打加速脫水；③先充后排，即一次性充滿，然后讓管袋先自然脫水沉淀，當(dāng)脫水一段時(shí)間管袋發(fā)生淤堵時(shí)，再打開(kāi)排水口排泥；④邊充邊排，即充灌口進(jìn)行充灌，同時(shí)在一段距離之外的排水口進(jìn)行排泥。

圖10 兩種管袋脫水模型橫斷面及孔隙水壓力測(cè)點(diǎn)布置(單位:m)

單元管袋脫水模型的橫斷面如圖10所示,在長(zhǎng)度方向上選取0.2 m,高度為0.6 m。為了進(jìn)行不同充灌工藝的對(duì)比試驗(yàn),設(shè)計(jì)了2 m和4 m兩種寬度的管袋,其中4 m寬的管袋用于模擬邊充邊排施工工藝。因?qū)挾确较蛏鲜菍?duì)稱的,故實(shí)際模型寬度選取原型管袋的一半,分別為1 m和2 m。為更好模擬工程實(shí)際中管袋的脫水邊界條件,模型管袋長(zhǎng)度方向上兩個(gè)側(cè)面采用不透水的涂膠編織土工織物(即兩側(cè)面不透水),寬度方向上中心線位置側(cè)面也不透水。管袋脫水固結(jié)過(guò)程中在模型內(nèi)部埋設(shè)小型滲壓計(jì)對(duì)孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。在管袋內(nèi)泥漿完成沉淀脫水后,對(duì)其表層和底部的土體進(jìn)行顆粒級(jí)配和含水率測(cè)試,同時(shí)對(duì)管袋袖口排出泥漿中的土體也進(jìn)行顆粒級(jí)配測(cè)試,并與充填泥漿土料顆粒進(jìn)行對(duì)比分析,以評(píng)價(jià)管袋的實(shí)際脫水效果。

4.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)工況如表4所示,管袋均采用200 g/m2規(guī)格的編織土工織物制作,充填泥漿含固率均為25%。工況1、2、3泥漿含黏量為10%、含砂量為50%,是JTJ 239—2005《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定土料使用范圍的臨界值,這3種工況用于對(duì)比自然脫水、人為拍打和先充后排3種施工方法的脫水效果;工況4、5、6、7泥漿含黏量均不小于10%、含砂量均小于或等于40%,用于研究對(duì)比采用先充后排施工方法時(shí),較高含黏量和較低含砂量組成泥漿的脫水效果;工況8、9為2 m寬的大管袋模型,用于研究較高含黏量和較低含砂量組成泥漿采用邊充邊排施工方法時(shí)的脫水效果。試驗(yàn)在如圖11所示的模型箱中進(jìn)行,充灌好的模型如圖12所示。

表4 管袋脫水模型試驗(yàn)方案

圖11 管袋脫水試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

圖12 充灌好的管袋模型

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)管袋內(nèi)土體孔隙水壓力、含水率變化監(jiān)測(cè)結(jié)果以及顆粒級(jí)配和干密度的測(cè)試與分析,獲得了9種工況下的模型內(nèi)土體的各項(xiàng)指標(biāo)隨時(shí)間變化規(guī)律。由于篇幅有限,本文只對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)性分析評(píng)價(jià),對(duì)所提出的高效脫水方法的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.3.1 不同充灌方式對(duì)脫水效果的影響

工況1、2、3初始充灌高度為60 cm,工況1和2進(jìn)行了1次充灌,工況3進(jìn)行了4次充灌。3種充灌方式下管袋底部1號(hào)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線如圖13所示,可見(jiàn)采用先充后排施工方法的工況3孔隙水壓力消散最快,自然脫水的工況1最慢。

圖13 工況1、2、3管袋1號(hào)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化

工況1經(jīng)過(guò)3 h自然脫水,1號(hào)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力只消散了0.5 kPa,表層泥水要近30 h才能完全排出,脫水固結(jié)后高度只有12 cm。若要達(dá)到最終60 cm的高度,預(yù)計(jì)還要充灌5次或6次,按照這種速率,完成一個(gè)管袋的充灌脫水估計(jì)需要6～10 d的時(shí)間。工況2采用了人為拍打擾動(dòng)加速脫水,1號(hào)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力消散速度相對(duì)工況1有了較大提高,但表層泥水也要近3 h才排出,經(jīng)過(guò)10 h脫水土體固結(jié)度只有30%,要完成一個(gè)60 cm高管袋的充灌固結(jié)估計(jì)至少需要3 d以上。這說(shuō)明自然脫水和人為拍打方式均不能實(shí)現(xiàn)6 h內(nèi)脫水固結(jié)的目標(biāo)。

工況3采用先充后排充灌方法,共充了4次,每次充灌后靜止10 min,待粗顆粒沉淀后排出表層泥水。充灌完成后經(jīng)過(guò)1 h脫水固結(jié),最終形成了厚度為30 cm的管袋,按照此速率,能夠在6 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)60 cm高管袋的脫水固結(jié)。經(jīng)測(cè)試管袋內(nèi)部土體表層和底部的含黏量均不足1.5%,含砂量都是79%。經(jīng)過(guò)6 h的脫水固結(jié),表層含水率降為22.3%,底部含水率為27.8%。表層土料的干密度1.54 g/cm3,大于JTJ 239—2005《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的1.45 g/cm3。可見(jiàn)6 h的脫水固結(jié)使管袋具有一定的承載力,可以進(jìn)行上層管袋的施工。故先充后排施工方法對(duì)于高含黏(粉)粒泥漿的加速脫水是有效的。

4.3.2 高含黏量、低含砂量泥漿的脫水效果

工況4～7管袋底部1號(hào)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線如圖14所示。

圖14 工況4～7管袋1號(hào)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化

工況4、5每次充灌后靜止10 min,排出表層泥水,充灌4次脫水固結(jié)后的土體高度分別為47 cm和35 cm。根據(jù)孔隙水壓力消散速率推算可得到工況4、5底部固結(jié)度達(dá)到75%分別需要140 min和185 min,均可在6 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)60 cm高管袋的充灌固結(jié)。

工況4管袋脫水后表層土體的含砂量高達(dá)72%,含黏量只有1.1%。脫水固結(jié)6 h后,1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)表層土料含水率分別為18%和35.7%,干密度分別為1.68 g/cm3和1.26 g/cm3。1號(hào)測(cè)點(diǎn)滿足JTJ 239—2005《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》要求,2號(hào)測(cè)點(diǎn)未達(dá)到要求,主要是因?yàn)?號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近排水口,排泥過(guò)程有部分黏粒淤積造成脫水效果不好。工況5管袋內(nèi)土體表層含砂量87%,脫水固結(jié)6 h后,1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)表層土料含水率分別為26.6%和36.8%,干密度均大于14.5 g/cm3,固結(jié)達(dá)到規(guī)范要求。

工況6、7每次充灌后靜止10 min,排出表層泥水,兩種工況分別充灌5次和6次后脫水固結(jié)的土體高度分別為38 cm和33 cm,分別耗時(shí)120 min和100 min。根據(jù)排水速率推算,能夠在6 h內(nèi)充灌形成高50～60 cm的管袋。

工況6管袋脫水后底部土體含黏量為1.7%,含砂量為58%。脫水固結(jié)6 h后,1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)表層土料含水率分別為23.2%和31.7%,干密度均大于14.5 g/cm3,固結(jié)程度達(dá)到規(guī)范要求。工況7管袋脫水后底部土料含砂量低于45%,沒(méi)有達(dá)到砂類土的要求。脫水固結(jié)6 h后15 cm深處土體干密度只有1.19 g/cm3。說(shuō)明對(duì)于該級(jí)配土料采用先充后排方法不能使粗顆粒與細(xì)顆粒土完全分離,土體的細(xì)顆粒含量依然較高。

4.3.3 大管袋邊充邊排脫水效果

上述試驗(yàn)結(jié)果表明,采用充排結(jié)合、先充后排的充灌施工方法,除了含黏量高達(dá)20%、含砂粒低至30%的工況7未實(shí)現(xiàn)6 h脫水固結(jié)外,其他工況均滿足脫水固結(jié)速度的要求。但考慮到試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)應(yīng)的原型管袋寬度只有2 m,且充灌和排水采用同一個(gè)袖口,如果在實(shí)際工程中管袋較寬時(shí),這種方法的實(shí)際效果必將受到限制。故又進(jìn)行了兩組寬4 m的大管袋模型試驗(yàn),在管袋中間部位設(shè)置充灌口,在邊緣設(shè)置排水口,并采取邊充邊排的施工方法,以便使脫水固結(jié)速度更快。

工況8、9管袋底部1號(hào)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線如圖15所示。因工況7含砂量為30%時(shí),未能實(shí)現(xiàn)脫水目標(biāo),故工況8和9的含砂量都選40%,含黏量分別為10%和20%,管袋模型寬度為2 m,模擬實(shí)際管袋寬度為4 m。前100 min為邊充邊排階段,后100 min為排水固結(jié)階段。工況8管袋脫水后土體高度為41 cm,達(dá)到75%固結(jié)度時(shí)孔隙水壓力為1.025 kPa,達(dá)到固結(jié)度要求所需時(shí)間為160 min。工況9管袋脫水后土體高度為42 cm,脫水固結(jié)6 h后孔隙水壓力為1.3 kPa,固結(jié)度為67.5%,達(dá)到75%的固結(jié)度需要7 h。

圖15 工況8、9管袋1號(hào)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化

工況8脫水后1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)表層含砂量分別為48%和48.5%,未達(dá)到50%的砂性土要求,但往下挖發(fā)現(xiàn),該表層土深度不足2 cm。1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)深15 cm處土體含砂量分別為71.5%和75.5%,達(dá)到砂類土要求。脫水固結(jié)6 h后,1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)深15 cm處土體含水率分別為28%和29.9%,干密度均大于14.5 g/cm3,固結(jié)達(dá)到規(guī)范要求。工況9脫水后1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)表層含砂量分別為49%和65%,基本達(dá)到50%的砂性土要求, 1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)深15 cm處土體含砂量分別為85%和65%,達(dá)到砂類土的要求。脫水固結(jié)6 h后,1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)深15 cm處土體含水率分別為25.2%和25.5%,干密度分別為15.9 g/cm3和14.53 g/cm3,均大于14.5 g/cm3,固結(jié)達(dá)到規(guī)范要求。大管袋脫水模型試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于較寬管袋,采用邊充邊排方法也是有效的。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)所提出的高效脫水充填工藝進(jìn)行驗(yàn)證和完善,在上海市南匯東灘促淤圍墾工程施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大比尺管袋脫水的現(xiàn)場(chǎng)充填試驗(yàn)。試驗(yàn)主要針對(duì)沿海地區(qū)大量存在的黏(粉) 粒含量較高、含砂量不足50%、不適合用作管袋充填的土料,采用新提出的邊充邊排施工工藝,實(shí)現(xiàn)對(duì)這些原本棄用土料的利用。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,因料場(chǎng)僅能在現(xiàn)有具備使用條件的泥庫(kù)中選擇,所充填的土料黏粒含量只有8%,接近10%,但砂粒含量只有30%,粉粒含量高達(dá)62%,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)管袋最大尺寸達(dá)到16 m×8 m×0.5 m,已接近實(shí)際工程中的管袋原型。

試驗(yàn)進(jìn)行了5個(gè)管袋的充灌施工,包括2個(gè)小管袋和3個(gè)大管袋。小管袋的尺寸為4 m×6 m,大管袋的尺寸分別為8 m×16 m、6 m×14 m和4 m×12 m。2個(gè)小管袋分別采用自然脫水和邊充邊排的施工方法,用于驗(yàn)證土料黏 (粉) 粒含量較高、含砂量較低時(shí)采用本文所提出充填施工方法的優(yōu)越性。3個(gè)大管袋的充灌均采用了邊充邊排的施工方法。5個(gè)管袋采用等效孔徑為0.31 mm的編織土工織物制作。2個(gè)小管袋的充灌分別單獨(dú)進(jìn)行;3個(gè)大管袋充灌后堆疊在一起,筑起一段1.5 m高的小壩體。通過(guò)監(jiān)測(cè)管袋脫水過(guò)程中不同部位土體的孔隙水壓力、固結(jié)度、含水率、級(jí)配和干密度等指標(biāo)的變化情況來(lái)分析評(píng)價(jià)不同施工方法的實(shí)際脫水固結(jié)效果。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果請(qǐng)見(jiàn)文獻(xiàn)[21],這里只總結(jié)有關(guān)本文所提出高效脫水固結(jié)施工方法的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)過(guò)程中2號(hào)小管袋和2號(hào)大管袋的滲壓計(jì)均出現(xiàn)故障,未測(cè)到有效的孔隙水壓力數(shù)據(jù)。其他管袋各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均獲得完整的數(shù)據(jù)。

a. 通過(guò)2組小管袋試驗(yàn),對(duì)自然脫水和邊充邊排2種施工方法的實(shí)際效果進(jìn)行了對(duì)比,1號(hào)小管袋共充灌3次,由于沒(méi)有進(jìn)行排泥,管袋表層淤積了大量淤泥,脫水10 h管袋內(nèi)部孔隙水壓力沒(méi)有明顯消散,固結(jié)度很低。2號(hào)小管袋采用放水排泥方法,管袋表層的土體含砂量接近50%,袋內(nèi)土體整體符合砂類土要求,固結(jié)效率高。再次驗(yàn)證了所提出的邊充邊排施工方法在現(xiàn)場(chǎng)的有效性。

b. 1號(hào)大管袋采取了邊充邊排的施工方法,充灌開(kāi)始后就進(jìn)行排泥,導(dǎo)致砂顆粒的大量損失。但完成脫水后管袋內(nèi)底部土體的含砂量接近60%,表層土體的含砂量也大于50%,袋內(nèi)土體的透水性較好,可以在6 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫水固結(jié)。

c. 3號(hào)大管袋充灌的初期扎緊排泥袖口,這樣減少了砂顆粒的損失,除了泥漿泵的位置出現(xiàn)的沖坑淤積了部分細(xì)顆粒外,其余位置的含砂量都大于50%,符合砂類土要求。對(duì)1號(hào)和3號(hào)大管袋取樣測(cè)干密度,2個(gè)管袋底部土體的干密度分別為1.5 g/cm3和1.55 g/cm3,都大于JTJ 239—2005《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中要求的1.45 g/cm3,可以承受上一層管袋的重量。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,1號(hào)和3號(hào)大管袋采取邊充邊排施工方法可以使管袋內(nèi)留下的土體含砂量達(dá)到60%以上,8 m寬管袋充灌結(jié)束后,經(jīng)過(guò)6 h固結(jié)度可以達(dá)到66%,10 h固結(jié)度可達(dá)到75%,基本可以滿足一天一層的充填施工速度要求。

6 高效脫水工藝

通過(guò)一系列的吊袋排水試驗(yàn)和充填土料沉降規(guī)律試驗(yàn)研究,以及室內(nèi)小模型和現(xiàn)場(chǎng)大比尺模型試驗(yàn)驗(yàn)證,可歸納出高含黏(粉)粒土料充填管袋的高效脫水施工工藝。通過(guò)優(yōu)化充填方式,在流失部分黏粒和少部分粉粒、保留大部分粉粒和砂粒的情況下,較大提高土體脫水效率,縮短土體固結(jié)的時(shí)間,其具體施工工藝如下:

a. 針對(duì)黏粒和粉粒含量較高、含砂量只有30%～50%的低含砂量土料,土料造漿后含固率不應(yīng)高于25%,以便于粗、細(xì)土顆粒的快速分離與沉淀。

b. 制作管袋應(yīng)選擇等效孔徑達(dá)到0.3 mm的大孔徑編織土工織物。在管袋頂部中軸線布設(shè)充灌袖口的同時(shí),在管袋周邊設(shè)置排泥袖口,袖口直徑為10 cm,排泥袖口間距不大于5 m。

c. 對(duì)于一次充灌達(dá)到85%充滿度用時(shí)小于1 h的管袋,充灌時(shí)先扎緊排泥袖口,充灌至85%充滿度后停止充灌,靜止10～15 min使管袋內(nèi)泥漿中的砂顆粒充分沉淀,然后解開(kāi)排泥袖口排掉表層泥漿。反復(fù)充灌、排泥幾次后管袋厚度達(dá)到預(yù)設(shè)高度即停止充灌。

d. 對(duì)于一次充灌用時(shí)大于1 h的管袋,充灌初期扎緊排泥袖口。當(dāng)管袋高度達(dá)到60 cm后,解開(kāi)排泥袖口。隨后在管袋保持60 cm高度的前提下,邊充灌邊排泥。泥漿中粒徑較大的土顆粒逐漸沉淀,細(xì)顆粒隨著水流排出管袋。管袋內(nèi)沉淀下來(lái)的土顆粒高度達(dá)到預(yù)設(shè)高度后停止充灌,然后人工壓低排泥袖口,放掉管袋表層的水和細(xì)顆粒泥漿。

采用上述工藝充灌后管袋內(nèi)留下的土體砂顆粒含量大于50%,屬于透水性較好的砂類土,固結(jié)時(shí)間不超過(guò)6 h即可承受上層管袋的重量。

7 結(jié) 語(yǔ)

在我國(guó)眾多河口海岸工程現(xiàn)場(chǎng)附近存在大量不符合規(guī)范要求的高含黏(粉)粒土料,如果就地取材進(jìn)行管袋的充填施工,會(huì)由于脫水固結(jié)較慢而無(wú)法滿足一天一層管袋的施工速度要求。筆者團(tuán)隊(duì)提出了一種高含黏(粉)粒土料充填管袋高效脫水技術(shù),其思路是通過(guò)優(yōu)化管袋排水袖口布置和充灌方式,使用充、排相結(jié)合的方式,在流失大部分黏粒和少部分粉粒的情況下,能夠使管袋快速脫水固結(jié),可滿足上一層管袋的施工要求。該施工方法可使沿海圍墾施工現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域大量存在的高含黏(粉)粒土料(含黏量高達(dá)20%或含粉量高達(dá)60%,含砂量低至30%)得到有效利用,避免異地取土,同時(shí)縮短工期,可較大幅度地降低工程造價(jià)。

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