吹填淤泥自重沉积规律试验研究

2012-01-23翁佳兴

土木工程与管理学报 2012年3期

翁佳兴

(东南大学岩土工程研究所, 江苏南京 210096 )

随着我国疏浚业的繁荣，各种航道、河道、湖泊的疏浚和拓宽以及港口新建、扩建工程等都不可避免地会产生大量的疏浚淤泥，如江苏连云港主航道改线工程每年的疏浚量约为200万m3[1]；深圳西部港区铜鼓航道清淤工程的疏浚量达4650万m3[2]；天津天津港25万吨级深水航道的拓宽工程的疏浚量达8000万m3[3]；长江口深水航道治理工程仅三期工程基建的疏浚量就达1.7亿m3，工程竣工后年维护疏浚量约为3000万m3[4]；南水北调东线江苏段第一期工程，土石方开挖达20334.85万m3，弃土当中大部分是高含水率疏浚淤泥。吹填堆场处置由于具有广阔的工程应用前景，我国目前通常采用此方法来处理疏浚淤泥。水力式疏浚从切泥、泵吸、输送、排放具有连续作业的特点，施工效率高，施工成本低，广泛应用于我国许多大型疏浚与吹填工程的施工。然而，由于水力式疏浚挖泥船挖泥机具的扰动，疏浚淤泥的原始结构被完全破坏，使得疏浚淤泥的含水率高、压缩性大、排水性质差、固结时间长，吹填以后需要经过长时间自重沉积才能进行后续处理，难以被工程直接利用。因此，作为前期工作及基础研究，了解吹填淤泥在静水中的自重沉积规律，为吹填堆场规划设计、吹填淤泥的后续处理和再生利用提供基本参数，具有相当重要的现实意义。

国内外学者针对吹填土的自重沉积规律开展了一些试验研究，彭涛等[5]对深圳地区吹填淤泥进行了室内静态落淤试验，获得了沉积结束时间和沉积结束后的孔隙比范围；刘莹[6]等对连云港吹填淤泥进行了静水自重沉积试验，发现泥浆的初始含水率越高，沉降速度越快，沉积结束后泥浆含水率越高，而且将泥浆沉降过程分为絮凝沉降段和自重固结沉降段；詹良通[7]等对浙江海相淤泥进行了沉降柱试验，研究了阳离子类型及其浓度对淤泥自然沉积过程的影响；Been等[8]通过室内沉降柱试验得到了不同初始密度的泥浆在自重沉积过程中各时刻的密度剖面、超孔隙水压力剖面等分布特征。但是到目前为止，吹填淤泥的自重沉积规律尚不清楚，直接以吹填淤泥为对象开展的自重沉积规律研究还处于起步阶段，数据库亟需得到丰富；另外，室内静水沉积试验的模型尺寸对吹填淤泥自重沉积的影响也鲜有研究与报道。

本文以南水北调东线江苏段淮安四站新吹填场地的吹填淤泥为研究对象，通过一系列室内静水沉积试验，研究吹填淤泥在静水条件下的自重沉积规律，探讨初始含水率、初始泥浆高度以及室内试验的模型尺寸对吹填淤泥沉积特性的影响，并且统计分析了吹填淤泥沉积稳定后的含水率变化范围。

1 吹填淤泥的基本物理性质

试验用吹填淤泥取自南水北调东线江苏段淮安四站新吹填场地，通过室内土工试验得到吹填淤泥的基本物理指标见表1。其中，液限采用碟式液限仪测定，塑限采用搓条法确定，粒度分布采用密度计法测定。吹填淤泥的塑性图如图1所示，从塑性图可以看到，试验所用的吹填淤泥位于B线右侧，A线上方，依据JTG E40-2007《公路土工试验规程》[9]对土的分类属于高液限黏性土。

表1 吹填淤泥的基本物理指标

图1 吹填淤泥的塑性图

2 自重沉积试验结果分析

2.1 不同初始含水率沉积试验

不同初始含水率沉积试验的泥浆配制方案如表2所示。

表2 不同初始含水率沉积试验方案

吹填淤泥的s-t沉积时程曲线以及时间对数坐标上的s-logt沉积时程曲线分别如图2、图3所示。表3给出了5种不同初始含水率的泥浆初始时以及试验结束时的含水率、孔隙比、密度。

表3 初始状态、结束状态对比

图2 不同初始含水率泥浆s-t沉积时程曲线

图3 不同初始含水率泥浆s-lgt沉积时程曲线

2.2 不同初始泥浆高度沉积试验

不同初始泥浆高度沉积试验的泥浆配制方案如表4所示。

表4 不同初始泥浆高度沉积试验方案

从图2、图3以及表3可以看到，泥浆的初始含水率越大，泥面的下沉速度越快，泥面最终的沉降量越大，泥浆最终含水率越大，最终孔隙比越大，最终密度越小；反之，泥浆的初始含水率越小，泥面的沉降速度越慢，泥面最终沉降量越小，泥浆最终含水率越小，最终孔隙比越小，最终密度越大。因此，在实际吹填工程中，要想降低吹填淤泥沉积稳定后的后续处理和再生利用的难度，应当尽量降低吹填淤泥的初始含水率。另外，还可以发现，在时间对数坐标上，不同初始含水率的泥浆有一个相同的沉降模式，s-lgt沉积时程曲线都呈现倒“S”形，这是典型的细颗粒泥浆的沉降模式[10]。

吹填淤泥的s-t沉积时程曲线以及时间对数坐标上的s-lgt沉积时程曲线分别如图4、图5所示。表5给出了4种不同初始泥浆高度的泥浆初始时以及试验结束时的含水率、孔隙比、密度。

表5 初始状态、结束状态对比

从图4、图5及表5可以看到，泥浆的初始高度越高，泥面的下沉速度越快，泥面最终的沉降量越大，泥浆最终含水率越小，最终孔隙比越小，最终密度越大；反之，泥浆的初始高度越低，泥面的沉降速度越慢，泥面最终的沉降量越小，泥浆最终含水率越大，最终孔隙比越大，最终密度越小。可见，初始泥浆高度对沉积特性有着不可忽视的影响。究其原因，主要是由于泥浆初始高度越高，泥浆自重沉积的上覆荷载也越大，沉积后的压密程度越高，最终含水率越小。

图4 不同初始泥浆高度泥浆s-t沉积时程曲线

图5 不同初始泥浆高度泥浆s-lgt沉积时程曲线

2.3 不同口径存泥容器沉积试验

不同口径存泥容器沉积试验的泥浆配制方案如表6所示。

表6 不同口径存泥容器沉积试验方案

吹填淤泥的s-t沉积时程曲线以及时间对数坐标上的s-lgt沉积时程曲线分别如图6、图7所示。表7给出了3种不同口径存泥容器的泥浆初始时以及试验结束时的含水率、孔隙比、密度。

表7 初始状态、结束状态对比

图6 不同口径存泥容器泥浆s-t沉积时程曲线

图7 不同口径存泥容器泥浆s-lgt沉积时程曲线

从图6、图7及表7可以看到，相比于23 cm和32 cm口径存泥容器的沉积曲线，6.5 cm口径存泥容器的沉积曲线的泥面沉降速度明显较缓，泥面最终的沉降量也明显较小；而且23 cm和32 cm口径存泥容器的沉积曲线几乎重合。由此可见，存泥容器口径的大小并不是始终影响泥面的沉降，随着容器口径的增大，容器边界对泥面沉降的影响逐渐减弱，这主要是由于泥浆在沉降过程中会受到容器边壁粘滞阻力的影响，但是颗粒间的联结作用有限，边壁粘滞阻力的影响必然有一定的范围，当容器的口径较小时，受到边壁粘滞阻力影响的面积占整个容器断面面积的比例较大，泥面沉降所受到的阻碍作用显著；当容器的口径较大时，受到边壁粘滞阻力影响的面积占整个容器断面面积的比例较小，泥面沉降所受到的阻碍作用不显著，泥面沉降呈现明显的中间低平四周高的“凹”形现象，边壁粘滞阻力的影响主要集中在边界附近区域，对泥浆整体的沉降阻碍作用较小。因此，在进行室内沉积试验模拟实际大面积吹填堆场的吹填淤泥沉积，研究吹填淤泥的沉积规律时，必须考虑室内试验的模型尺寸对沉积的影响，尽量采用大尺寸容器。

2.4 吹填淤泥沉积稳定状态统计分析

吹填淤泥沉积稳定时的状态很大程度上决定了吹填淤泥的后续处理方法。根据表3、表5以及表7对泥浆沉积稳定时的含水率进行了统计分析，w0为初始含水率，wL为液限含水率，ws沉积稳定含水率，ws/wL与w0/wL关系如图8所示。从图8可以看到，初始含水率w0为2～10倍液限含水率范围内的吹填淤泥泥浆自重沉积完成时，吹填淤泥的沉积稳定含水率ws在1.4～2.8倍液限含水率之间，可见，吹填淤泥沉积稳定后的含水率仍然很高，难以直接利用。在实际吹填工程中，吹填高度一般高达3～4 m，淤泥水力吹填入吹填堆场，初始含水率高，在自重状态下的沉积，沉积速度缓慢，即使经过了较长时间的自重沉积，含水率依然居高不下，给后续处理和再生利用带来困难，需要其他工程措施来加速排水，如真空预压或者堆载预压等。