APP下载

高含水率疏浚淤泥的真空固结模型试验研究

2015-07-25邓东升丁建文洪振舜

三峡大学学报(自然科学版) 2015年2期
关键词:排水板真空度淤泥

沈 杰 邓东升 丁建文 吉 锋 洪振舜

(1.东南大学 交通学院,南京 210096;2.南水北调东线江苏水源有限公司,南京 210029)

为了改善河流湖泊的水质、保证河道正常的泄洪能力和内陆航道的通航能力,我国每年都会开展大规模的疏浚清淤工程.在内陆地区,疏浚泥通常排放于排泥场内,经常采用真空预压技术进行排水加固处理.然而在真空预压处理疏浚泥地基过程中,经常由于排水体的淤堵问题而出现“土桩”现象,从而导致竖向排水体失效,造成淤堵[1].其中,“土桩”是以排水板为中心轴、自上而下直径不等的不规则柱状体,加固后“桩体”范围内土体的强度比周围土体高1.5~2.0倍,加固后土体的强度呈明显的不均匀性[2],真空预压处理效果的不均匀性的本质以及淤堵的原因是“土桩”的形成.

随着真空预压技术越来越多地应用于排泥场疏浚泥的处理,相关的室内模型试验的研究也已经有较多的理论成果.目前,真空固结室内模型试验研究的重点主要在于膜下真空度对真空预压加固效果的影响[3].本文针对真空预压过程中排水板附近的淤堵问题,采用室内模型试验模拟真空预压过程,探讨真空荷载在沿径向上的传递规律并分析造成排水板周围“土桩”现象的成因.

1 模型试验

1.1 试验土样

试验所用土样取自泰州引江河17号排泥场,通过室内试验得到泰州土的基本物理指标见表1.液塑限分别用碟式仪法和搓条法测得,比重用比重瓶法测得,颗分数据用密度计法测得.

表1 吹填土的物理性质

1.2 试验装置与方法

本试验的试验仪器装置如图1所示,试验装置主要由两台真空泵、两台饱和缸和一个沉降柱组成.考虑到真空泵不宜连续长时间使用,本试验装置选用两台真空泵交替使用,同时为了确保试验过程中能在不漏气的情况下从饱和缸中收集尾水,本实验装置采用两台饱和缸交替使用,真空泵和饱和缸的交替使用都通过球阀的开关来实现.

图1 模型试验装置实图

实际工程中所用排水板宽度为10cm,用这种宽度的排水板可以在距离排水板1m的范围内有效地传递真空荷载[4],而本试验模型直径为28cm,所以需要按照尺寸比例缩小排水板的宽度,缩小后排水板宽度为25mm.试验中,通过等比例缩小的排水板可以准确地模拟淤泥在真空负压作用下的排水固结过程,并且满足相似性原理.模型和排水板尺寸以及真空表侧头的布设如图2所示,其中,4个真空度侧头的布设深度均位于距离沉降柱底部20cm的高度处,也就是试样的中间层位置,而径向上侧头的位置分别距离排水板3cm、7cm和12cm,这3个侧头完全位于淤泥中,而另一个真空度侧头布设在排水板的另一侧,紧靠排水板表面,和其他3个侧头位于同一深度,其目的在于测量位于同一深度处的排水板表面真空度,和试验中测得的淤泥中径向真空度进行对比使用.

图2 淤泥试样以及监测仪器布设的剖面图

1.3 试验方案

本试验施加的真空压力为100kPa,饱和缸上真空表显示的读数即为膜下真空度,由于试验装置的气密性能好,因此,试验中膜下真空度可以达到100 kPa,试验用泥的初始含水率为2wL,试验过程中每天测量径向4个不同距离、同一深度的真空表的读数和泥面的沉降值.其中试样表面的沉降是用来作为判断抽真空试验是否结束的控制指标,当沉降曲线出现收敛现象,并且饱和缸中收集不到尾水的时候即作为抽真空试验结束的标准.

2 试验结果与分析

2.1 径向颗粒含量的变化

真空抽水结束后,沿着排水板径向取样做颗分试验,取样区间分别为距离排水板0~1cm、1~2cm、2~3cm、3~6cm、6~9cm和9~12cm这6个区间,通过颗分试验得到各不同径向距离的黏粒(粒径小于0.005mm)含量,并将其和原泥中黏粒含量进行对比,如图3所示.从图中可以发现靠近排水板区域的黏粒含量比原泥增加了而远离排水板的区域则减少了,越靠近排水边界,黏粒被水携带、流动迁移的现象越明显[5].因此,可以认为淤泥中的黏粒在100kPa真空压力作用下发生了朝排水板的移动.但是,与原泥中的粘粒含量相比,粘粒流失区域的粘粒最大流失含量为5.2%,粘粒富集区域的粘粒最大增加含量仅为2.6%,黏粒流失区的黏粒含量减少量多于黏粒富集区的黏粒含量增加量,可以认为黏粒流失区域所流失的粘粒有一部分在靠近排水板的区域富集,而另外有一部分随尾水被排出了.由此可见,高含水率淤泥中部分细颗粒会受到真空压力的影响而发生向排水板方向的富集,但是最大富集量仅为2.6%,因此细颗粒的移动并不是形成“土桩”的主要原因.“土桩”的形成最主要的原因是排水板周围颗粒在真空负压作用下朝排水板聚集并吸附在排水板周围,形成低渗透的粘土层,即泥皮,从而造成竖向排水体的淤堵[6],这可由径向真空度的衰减趋势间接反映.

图3 抽真空结束后试样中径向的粘粒含量分布曲线

2.2 真空度

2.2.1 排水板中真空度

试样在抽真空过程中的径向真空度变化规律如图4所示,其中4条曲线分别表示抽真空55h、150h、200h和245h后径向各不同距离处的4只真空表的读数.从图中可以发现,位于同一深度紧贴排水板的真空表的读数在施加100kPa的真空压力的同时便迅速上升至90kPa,此后一直维持在90kPa上下,比施加的真空压力小10kPa左右,说明真空度在沿排水板往下传递的过程中会发生衰减.

图4 不同抽真空时间淤泥中径向真空度分布曲线

2.2.2 淤泥中真空度

从图4可以发现,位于同一深度,埋设在淤泥中的真空表并不是从一开始就有读数的,其读数是经历了一个启动阶段后才开始慢慢增长[7],且淤泥中真空度的启动时间随着与排水板的距离的增大而增长.从图4还可以发现,在抽真空过程中淤泥中的真空度沿着径向有一个衰减的趋势,即淤泥中真空度随着与排水板距离的增大而减小.可以认为真空度在向淤泥中传递的过程中产生了能量的衰减,真空度难以传递至排水板远处.淤泥中孔隙水压力的消散主要是由真空度的传递所引起的[8],真空度在淤泥中传递并增长的过程中,孔隙水逐渐渗流至排水板内并被排出,从而使得土颗粒逐渐压密在排水板周围,形成“土桩”,使得真空度在径向上的传递受到阻碍.

可见直接加载大真空压力来处理高含水率疏浚泥时,真空压力在起到排水固结作用的同时也对真空度的径向传递起到阻碍作用.在抽真空作用初始阶段,真空负压形成的渗流场促进孔隙水的排出,但是之后逐渐形成的“土桩”会对真空度的传递起到阻碍作用,随着抽真空作用的继续进行,这种阻碍作用继续增大,直到这两种作用达到平衡状态.此时,土体沉降稳定,且不再能收集到尾水.

2.3 真空预压的处理效果

2.3.1 淤泥处理后强度性状

当结束抽真空后,拆除试样表层的密封膜,用十字板剪切仪测量试样中不同高度层的径向距离上各点的不排水强度,其十字板剪切强度的分布规律如图5所示,其中H表示测点距离试样底部的高度.从图中可以发现,同一径向距离的上层土体强度大体上要略高于下层土体强度,而同一深度处的土体强度随着与排水板的径向距离的增大而逐渐减小.可见,真空预压这种软基处理方法对靠近排水板的土体的处理效果要好于远离排水板的土体,这主要与真空度沿径向的衰减规律有关,真空度在径向上发生衰减势必导致远离排水板的淤泥的处理效果不及靠近排水板的淤泥的处理效果.

图5 各不同深度处的径向十字板强度分布规律图

2.3.2 含水率

在测量十字板剪切强度的同时,对同一测点进行取样并测量含水率,得到不同深度处淤泥的含水率沿排水板径向的变化规律图,如图6所示.从图中可以发现含水率的径向变化规律与强度的变化规律相反,即同一深度层的含水率随着与排水板距离的增大而增大,说明靠近排水板的淤泥被抽出的孔隙水要多于远离排水板的淤泥.真空度在向地下水位以下土体传递时,其作用是引起大气压力所产生的那部分孔隙水压力的减小.因此,在抽真空过程中,距离排水板间距越小,其孔隙水压力下降速度越快[9],淤泥中真空度越大,加固后含水率越低,强度越高.

图6 各不同深度处的径向含水率分布规律图

3 淤泥中径向真空度和加固效果关系

为了探寻径向真空度的分布规律与加固后的土体径向强度之间的联系,将试验结束时土体中径向真空度分布规律曲线和加固后土体径向平均强度分布规律曲线绘制在同一个坐标轴中,如图7所示,其中径向平均强度是指位于同一径向距离的4个不同深度处的不排水强度的平均值,同时用3次多项式进行拟合,得到径向平均强度的拟合公式为Cu(L)=-0.018 3L3+0.420 1L2-3.668L+30.492和径向真空度拟合公式P(L)=-0.066 7L3+1.583 3L2-14.817L+87,并且求得Cu(L)和P(L)曲线的拐点分别为7.6cm和7.9cm,可以发现两条拟合曲线的拐点几乎位于同一个位置,说明该试验条件下形成的“土桩”边界位于7.6~7.9cm这个范围内,超出这个范围后,径向真空度和加固后土体强度均迅速减小,所以淤泥中径向真空度的传递与加固后强度存在必然联系.而从图3中可以发现细颗粒富集区域仅在0~3cm,远小于“土桩”边界,可以认为细颗粒的径向移动并非“土柱”形成的主要原因.

真空度在径向传递的规律和加固后土体的径向强度和含水率规律存在必然联系.可以认为淤泥中真空度数值增长得越高,分布范围越广,其排水板周围的土体的加固效果越好.所以,如何能让真空度在淤泥中的传递效率更高,传递范围更广,是未来解决此类真空加固工程中真空预压加固效果不均匀、淤堵等问题的关键所在.

图7 径向真空度和不排水强度与径向距离的拟合曲线

4 结 论

1)淤泥中的部分细颗粒在大真空压力作用下会发生朝排水板的移动,但其移动量不足以形成排水板周边隆起的“土桩”.与原泥中的粘粒含量相比,粘粒流失区域的粘粒最大流失含量为5.17%,粘粒富集区域的粘粒最大增加含量仅为2.56%,并且富集区域非常小,仅在0~3cm处有富集现象.

2)淤泥中真空度在抽真空过程中首先经历一个启动阶段,之后真空度慢慢增长,并且淤泥中真空度的分布在抽真空过程中沿径向存在一个衰减的规律,在抽真空245h后,径向3cm、7cm和12cm处的真空度分别为55kPa、38kPa和22kPa,越靠近排水板真空度越大,反之则越小.

3)靠近排水板的区域的加固效果要优于远离排水板的区域,这主要表现在加固后土体强度沿径向递减而含水率沿径向递增.各层土体距离排水板1cm的测点的强度比距离排水板12cm的测点的强度大12kPa左右,而1cm处的含水率比12cm处的含水率小2.31%左右.

4)通过对径向真空度分布曲线P(L)和加固后土体径向平均强度分布规律曲线Cu(L)求解拐点,发现两者拐点几乎位于同一位置,即真空度可以广泛分布并达到较高数值的区域即为具有高强度的“土桩”区域,而真空度没法有效传递到或只能达到较低数值的区域即为“土桩”区域外的软弱带.可以认为,“土桩”的主要成因是:在真空负压作用下,靠近排水板区域的淤泥首先经过排水固结逐渐形成强度较大的“土桩”,之后“土桩”又逐渐阻碍真空度向远处传递,直到这两种作用达到平衡状态.

[1] 颜永国,董志良,杨昌斌,等.颗粒级配对真空预压法处理吹填土效果影响试验研究[J].岩土工程学报,2011,33(11):1775-1779.

[2] 陈平山,董志良,张功新.新吹填淤泥浅表层加固中“土桩”形成机理及数值分析[J].水运工程,2012(1):158-163.

[3] 孙立强,闫澍旺,李 伟,等.超软土真空预压室内模型试验研究[J].工程地质学报,2011,32(4):984-990.

[4] Chu J,Yan S W,Yang H.Soil Improvement by the Vacuum Preloading Method for an Oil Storage Station[J].Geotechnique,2000,50(6):625-632.

[5] 宋 晶,王 清,张 鹏,等.高黏性吹填土固结过程中细颗粒迁移规律研究[J].工程地质学报,2012,20(6):1042-1049.

[6] 张中琼,王 清,秦 炎,等.快速加固吹填土的室内模拟试验[J].吉林大学学报,2010,40(3):645-650.

[7] 朱群峰,高长胜,杨守华.超软淤泥地基处理中真空度传递特性研究[J].岩土工程学报,2010,32(9):1429-1433.

[8] 马 杰,王剑波,王伟强.淤泥地基处理中真空度和孔压变化规律研究[J].水利与建筑工程学报,2012,10(2):61-65.

[9] 陈允进,宋 晶,夏玉斌,等.真空预压法加固吹填土的孔隙水压力试验研究[J].工程地质学报,2010,18(5):703-708.

猜你喜欢

排水板真空度淤泥
秸秆排水板室内降解试验及现场应用
莲为何出淤泥而不染
连云港港徐圩港区斜坡式结构东防波堤工程高性能塑料排水板水上施工
新型辐射排水板真空预压加固效果
直接空冷机组提高真空度的分析与改进
挤奶机集乳器真空度评估研究
塑料排水板在渠道工程中的应用
深厚淤泥爆炸挤淤填石围堤沉降分析
固化淤泥持水特性试验
淤泥固化填筑路基施工工艺与质量控制