盧星宇　儲兆微　袁帥　孫紅月

摘要：為探索高含水率泥漿經(jīng)濟有效的脫水方法，探討了振動作用和負壓效應加快泥漿脫水的可行性，并設計了室內(nèi)模擬試驗。試驗過程中監(jiān)測排水量隨時間變化并取樣測定排水含土量，通過施加不同頻率的振動力、改變振動范圍以及使用不同單位面積質(zhì)量的土工織物濾層，對振動-負壓排水法處理工程泥漿的效果開展了研究。試驗結(jié)果表明：① 負壓排水相較重力排水，能夠形成真空并提升排水速率，加快排水進程，對負壓排水施加振動力能夠?qū)δ酀{形成擾動，加快自由水的排出，緩解土工織物淤堵，提高排水速率；② 擴大振動范圍以及提高振動頻率均能提高振動-負壓法處理泥漿的排水速率，但過高的振動頻率會使土工織物濾層失效、土顆粒大量流失；③ 振動-負壓排水法處理泥漿時應當采用較低頻率振動和較厚的土工織物，以保證土工織物濾層的有效性。

關 鍵 詞：泥漿脫水； 負壓排水； 振動頻率； 振動范圍； 土工織物

中圖法分類號： TU411 文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.030

0 引 言

中國沿海廣泛分布著軟土地區(qū)，出于城市建設的需要，每年會產(chǎn)生大量的廢棄工程泥漿［1-3］。軟土具有高黏粒含量等特性，并且在鉆孔樁基施工、泥水盾構施工等過程中由于加水沖擊等作用會導致其產(chǎn)生的泥漿成分復雜、含水量較高、土顆粒粒徑較?。?-5］。這種泥漿強度極低，處于流動狀態(tài)，采用自然沉淀法進行分離的耗時較長，因而常常采用槽罐車將泥漿運送到郊外進行自然干化或填埋處理，這往往會導致運輸過程中泥漿漏撒嚴重，污染道路交通，對城市形象造成負面影響。同時由于沿海城市周邊土地資源愈發(fā)緊張，可提供處理泥漿的場地也較為有限，對此，學者們開始探索有效和實用的泥漿脫水技術，以降低泥漿含水率。目前利用機械壓濾來處理泥漿可以將泥漿含水率降至較低值［6］，化學絮凝法對工程泥漿進行處理也得到了較為廣泛的研究［7-10］，電化學法也可用于泥漿脫水處理中［11］。此外，真空預壓法廣泛應用于軟土地基、吹填淤泥地基處理工程中，對地基加固效果良好［12-13］，因此有學者采用抽真空設備對泥漿進行脫水處理，泥漿的含水率得到顯著降低［14-16］。這些方法各具優(yōu)點，但也存在缺陷：如機械設備造價高昂、特定成分化學藥劑適用性不廣泛、抽真空設備耗能較高等。因此，探究經(jīng)濟有效的泥漿脫水技術仍有較大的工程意義。

孫紅月等［17］提出了一種全新的邊坡排水方法——負壓排水，通過隔離排水通道與大氣環(huán)境使排水通道內(nèi)部產(chǎn)生一定的負壓從而提高邊坡排水效率，具有施工簡單、可實現(xiàn)無能源動力循環(huán)自啟動排水等優(yōu)點。韓旭等［18］通過室內(nèi)圓筒物理模型試驗，對粉土的負壓排水規(guī)律進行了研究，驗證了負壓排水能夠有效提升粉土中的排水速率。苗永紅等［19］在室內(nèi)模擬了飽和軟土在振動荷載作用下的響應，得出了振動荷載用于軟土固結(jié)排水中可以提高軟土的排水速率的結(jié)論。

本文提出將負壓排水技術和振動作用結(jié)合起來用于泥漿處理，利用負壓效應增加土體中水的滲出速率，同時利用振動對含有大量細黏粒土的泥漿進行擾動，提高泥漿的排水速率。高分子聚合材料制成的土工織物具有孔隙小、透水性好、強度高等優(yōu)點，但在排水過濾時，滲流攜帶的細小土顆?？赡軙谕凉た椢餅V層表面和內(nèi)部滯留，當滯留的細小顆粒數(shù)量逐漸增多時，會造成排水速率的降低［20-22］。振動會使泥漿土體發(fā)生擾動，從而緩解泥漿在排水過程中的淤堵，該方法既考慮了泥漿的物理組成，也結(jié)合了土工織物本身的微觀結(jié)構。本文設計不同振動頻率以及振動范圍，通過室內(nèi)試驗監(jiān)測不同工況下泥漿排水量隨時間的變化以及排出水含土量百分比，分析其變化規(guī)律，探究不同振動頻率以及范圍下負壓排水的效率以及土工織物的保土性效果，對振動-負壓排水法處理泥漿的可行性、有效性進行了研究，以為實際工程中利用振動作用和負壓效應加快泥漿的排水速率提供指導。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本文試驗所用的泥漿使用舟山金塘碼頭施工開挖基坑內(nèi)的疏浚淤泥進行制備，泥漿配制前所需的土料詳細參數(shù)，如天然含水率和比重等，嚴格按照GB/T 50123-2019 《土工試驗方法標準》［23］進行測定。配制時按一定土水體積比在攪拌泵中攪拌固定時間獲得試驗用泥漿。泥漿的顆分曲線如圖 1 所示，泥漿中粉粒（0.005～0.075 mm）和黏粒（<0.005 mm）含量分別約為 39%，42%，最后制得試驗用泥漿物理性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗裝置

本文采用自主設計的試驗裝置如圖 2 所示，有機玻璃模型箱尺寸為435 mm×315 mm×250 mm（長×寬×高），貯水空腔高度設置為65 mm，直流微型振動電機功率10 W、振動力3 kg、可調(diào)節(jié)頻率為0～50 Hz。通過啟動不同位置的振動電機，可以調(diào)節(jié)模型箱在排水過程中受到振動范圍；通過調(diào)節(jié)振動電機的頻率，可以調(diào)節(jié)模型箱在負壓排水過程中的振動頻率。

1.3 試驗過程

① 試驗開始前，將制備得到的泥漿自然靜置1 d后，抽取上層清液；② 在排水鋼板上側(cè)鋪設土工織物反濾層，并在模型箱中緊貼內(nèi)壁與土工織物鋪設塑料密封膜；③ 向模型箱內(nèi)倒入厚度為100 mm的泥漿；④ 待泥漿穩(wěn)定并滲流入貯水空腔后，打開排水管并開始排水，記錄排出液體重量并進行取樣。

使用單位面積質(zhì)量400 g/m2、厚2.9 mm的土工織物進行10組試驗。首先進行兩組不啟動振動電機的自然重力排水試驗與負壓排水試驗，再進行啟動單側(cè)振動電機的10～40 Hz的4組負壓排水試驗以及啟動雙側(cè)振動電機的10～40 Hz的4組負壓排水試驗。試驗過程中，實時記錄排水量并對排出水進行取樣封裝。試驗結(jié)束后將排出水樣烘干（24 h），以測定排出水的含土量。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)隨著振動頻率升高，排出水的含土量會大大增加，為分析土工織物反濾層的效果，在啟動單側(cè)振動電機的工況下，另外使用單位面積質(zhì)量300 g/m2、厚2.3 mm以及單位面積質(zhì)量200 g/m2、厚1.7 mm的土工織物進行4組負壓排水試驗，用于對照。試驗中用到的不同單位面積質(zhì)量（厚度）土工織物實物如圖3所示，技術指標如表2所列。

2 試驗結(jié)果

2.1 不同排水方法試驗結(jié)果對比

為探究振動-負壓排水的可行性與效果，分別進行了重力排水、負壓排水、單側(cè)振動（10 Hz）-負壓排水試驗。得到整個排水階段排水量隨時間變化如圖4所示。

前10 min的試驗數(shù)據(jù)表明，重力排水、負壓排水的排水速率相差不大。10 min～1 h時，重力排水速率較低，負壓排水速率開始降低，但仍然高于重力排水，說明隨著排水過程的進行，土體顆粒會在重力和滲流作用下積累在土工織物濾層的表面以及內(nèi)部，降低排水速率，而負壓排水會使儲水空腔內(nèi)部形成一定的負壓從而加快泥漿的排水速率。在1.5 h時，重力排水的排水量與負壓排水的排水量相差不大，這是因為1.5 h時負壓排水時儲水空腔會形成真空，導致內(nèi)部水排出有一定滯后。在前6 h內(nèi)，負壓排水與重力排水的排水量均隨時間逐步增加；在1.5 h之后，負壓排水速率明顯高于重力排水，在6 h時的排水量甚至達到了重力排水的兩倍，說明儲水空腔內(nèi)部形成了持續(xù)的負壓，負壓排水效果較好。

前6 h，單側(cè)10 Hz振動-負壓排水速率顯著高于重力排水和負壓排水，表明振動力的施加能夠擾動泥漿內(nèi)部土顆粒在土工織物上的沉積，從而加快排水速率；30～75 min、90 min～6 h這兩段時間，單側(cè)10 Hz振動-負壓排水速率有一定降低，原因是儲水空腔內(nèi)負壓形成，導致排水有一定滯后，總體排水效果良好。

整個排水階段，重力排水、負壓排水、單側(cè)10 Hz振動-負壓排水量隨時間變化如圖5所示。試驗數(shù)據(jù)表明前期重力排水與負壓排水的排水速率均較穩(wěn)定，但在6 h之后排水速率均呈現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象，此時泥漿已經(jīng)排出一部分水，而在土工織物的內(nèi)部，由于細小土顆粒的滯留以及土工織物表面土顆粒的累積，導致土工織物的滲透系數(shù)變小，逐漸發(fā)生淤堵。在最終排水量相差不大的情況下，負壓排水總時長小于重力排水總時長。單側(cè)10 Hz振動-負壓排水在前15 h均能保持較高的排水速率，在15 h后排水速率逐漸降低，40 h時最終排水量與負壓排水、重力排水的最終排水量持平，但排水時長相較負壓排水縮短了33.5 h，說明通過施加振動力能夠加快負壓排水進程。

2.2 不同振動范圍以及振動頻率下負壓排水試驗結(jié)果對比

由圖6可知：在振動范圍相同的情況下，隨著振動頻率的增高，總體排水時間呈現(xiàn)逐漸縮短的趨勢，說明排水效果變好；在振動頻率相同的情況下，雙側(cè)振動排水時長均小于單側(cè)振動。啟動單側(cè)振動時，10 Hz與20 Hz最終排水時間相同，但在啟動雙側(cè)振動器時，20 Hz的排水時間比10 Hz縮短5 h，說明在低頻率振動時，增大振動范圍能夠有效提升排水效果。而在30 Hz和40 Hz時，雙側(cè)振動與單側(cè)振動最終排水時間近似，說明在高頻率振動時，增大振動范圍并不能有效提升排水效果。

由于在較高頻率下（如40 Hz），出現(xiàn)了最終排水量大于9 000 g的情況，因此需要對其排水含土量進行進一步分析。對排出水樣進行烘干稱重分析，可得到不同頻率下單或雙側(cè)振動-負壓排水含土量隨時間變化如圖7所示，水樣渾濁度結(jié)果如圖8所示。

由圖7可知：在振動范圍相同的情況下，排水含土量隨振動頻率的增大而增大；在振動頻率相同的情況下，雙側(cè)振動的排水含土量高于單側(cè)振動的排水含土量。在低頻振動（10，20 Hz）時，單雙側(cè)振動排水含土量較低，且振動范圍對排水含土量影響較小。在高頻振動（30，40 Hz）時，排水含土量較大，而且雙側(cè)振動對排水含土量增大的影響也較為明顯。

綜上可知：① 提高振動頻率或者擴大振動范圍均能加快排水速率，因為提高振動頻率會增大對泥漿的擾動，使其滲透速率加快，振動范圍的擴大則加大了對泥漿擾動的影響區(qū)域，兩者均能促進泥漿中自由流體的運動，從而加快了泥漿的整體排水速率。② 在振動的作用下，泥漿會隨著振動產(chǎn)生周期性的往復運動，但泥漿中水和土顆粒的密度差異導致各自產(chǎn)生的振動和加速度不同，二者會產(chǎn)生相對運動，土顆粒之間的束縛水會向自由水轉(zhuǎn)化，使得泥漿中水排出更為容易。③ 過高的振動頻率雖然能增大排水效果，但是會大大提高排出水的含土量，導致土工織物濾層的失效。原因在于靠近土工織物濾層表面以及進入土工織物內(nèi)部的土顆粒會因為振動波的頻率過大獲得較大的能量，產(chǎn)生劇烈的擾動并在滲流的作用下穿過土工織物并流失。

2.3 不同單位面積質(zhì)量的土工織物濾層對振動-負壓排水試驗結(jié)果影響

為進一步探究振動-負壓排水情況下，不同單位面積質(zhì)量的土工織物濾層的反濾作用與失效情況，使用單位面積質(zhì)量300 g/m2、厚2.3 mm的土工織物進行10～30 Hz的3組單側(cè)振動-負壓排水試驗，使用單位面積質(zhì)量200 g/m2、厚1.7 mm的土工織物進行10 Hz下1組單側(cè)振動-負壓排水試驗，得到不同振動頻率與單位面積質(zhì)量土工織物濾層的單側(cè)振動-負壓排水隨時間變化如圖9所示，排水含土量變化如圖10所示。

由圖9可以看出，在相同振動頻率下，單位面積質(zhì)量越低、厚度越薄的土工織物濾層排水效果越好。但圖10則表明，在相同振動頻率下，使用單位面積質(zhì)量低、厚度薄的土工織物作為濾層更容易導致排水含土量升高，土工織物濾層失效。較厚土工織物濾層在低頻振動時的反濾效果較好，在高頻振動下才會失效。但即使在低頻振動時土顆粒也很容易穿透較薄的土工織物濾層，使排水含土量大大提升，導致土工織物濾層失效。因此，為保證振動-負壓排水系統(tǒng)的有效性，應該選擇單位面積質(zhì)量較大、厚度較厚的土工織物作為反濾層，同時不應當施加較高頻率的振動。

3 結(jié) 論

（1） 在負壓排水過程中，隨著貯水空腔內(nèi)部水的流出，氣體擴張而形成的負壓能夠提高泥漿的排水速率；施加振動能夠?qū)δ酀{中土顆粒形成擾動，緩解土工織物淤堵，促進泥漿中自由水的排出，并使得泥漿中顆粒間的束縛水向自由水轉(zhuǎn)化，從而進一步加快負壓排水速率。

（2） 提高振動頻率能夠加大對泥漿土體的擾動，提高其排水速率，但當振動頻率過高時（>20 Hz），會出現(xiàn)土顆粒流失嚴重的現(xiàn)象，導致土工織物濾層失效；擴大振動范圍能夠加大對泥漿的擾動范圍，提高泥漿的排水速率。

（3） 單位面積質(zhì)量較低（<300 g/m2）、厚度較薄的土工織物在低頻振動下也較容易產(chǎn)生土顆粒流失嚴重的現(xiàn)象，而單位面積質(zhì)量較大（400 g/m2）、厚度較厚的土工織物在低頻振動下排水效果良好，排水含土量也較低。因此，在進一步的振動-負壓排水法處理泥漿的工程應用中，應當采用單位面積質(zhì)量大且厚的土工織物作為濾層，同時使用雙側(cè)低頻振動的方式，可以在提高排水速率同時使得土工織物濾層不容易失效。

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（編輯：胡旭東）

Experimental study on mud rapid dewatering based on vibration-negative pressure drainage method

LU Xingyu，CHU Zhaowei，YUAN Shuai，SUN Hongyue

（Ocean College，Zhejiang University，Zhoushan 316021，China）

Abstract： In order to explore an economical，effective and rapid dewatering method for high water content mud，the feasibility of combining vibration and negative pressure to accelerate mud dewatering was discussed，and an indoor simulation test was designed.During the test，the drainage volume was monitored over time，and the soil content in the drainage was measured.The effect of vibration-negative pressure drainage method on the treatment of engineering mud was studied by applying different frequency vibration force，changing vibration range and using geotextile filter layer with different mass per unit area.The test results showed that compared with gravity drainage，negative pressure drainage can generate vacuum and increase the drainage rate，and accelerate the drainage process.Applying vibration force to negative pressure drainage can disturb the mud，accelerate the discharge of free water，alleviate the clogging of geotextiles，and increase the drainage rate.Expanding the vibration range and increasing the vibration frequency can improve the drainage rate of the mud treated by the vibration-negative pressure method，but too high vibration frequency will cause the failure of the geotextile filter layer and the loss of soil particles.When using the vibration-negative pressure drainage method to treat the mud，lower frequency vibration and thicker geotextile should be used to ensure the effectiveness of the geotextile filter.

Key words： mud dewatering；negative pressure drainage；vibration frequency；vibration range；geotextile

收稿日期：2022-08-03

作者簡介：盧星宇，男，碩士研究生，主要從事負壓排水方法研究。E-mail：carry201314@zju.edu.cn

通信作者：孫紅月，女，教授，博士，主要從事地質(zhì)災害防治研究。E-mail：shy@zju.edu.cn