真空预压法淤堵泥层形成机理及预测模型研究

刘景锦，雷华阳,2，卢海滨，李 宾，郑 刚，2

(1.天津大学土木工程系，天津 300072；2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

真空预压法淤堵泥层形成机理及预测模型研究

刘景锦1，雷华阳1,2，卢海滨1，李 宾1，郑 刚1，2

(1.天津大学土木工程系，天津 300072；2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

针对真空预压加固处理过程中容易形成的淤堵现象，结合室内真空预压模型试验，进行了不同颗粒组成和不同真空度条件下的室内试验，揭示了淤堵泥层的形成特性和机理，建立了排水量及平均含水率随时间变化的预测模型。试验表明，在低真空度作用下，由于其渗透路径宽而长，淤堵泥层厚度较大，但含水率和密实度低，形成的孔隙直径分布广且分布较均匀；而在高真空度作用下渗透路径窄而短，淤堵泥层厚度小但含水率和密实度高，形成的孔隙直径较小且分布集中；黏粒含量越高形成的孔隙直径越小，集中程度较高，滤层结构越稳定。

真空预压法；吹填淤泥；淤堵泥层；预测模型；渗透路径

为实现大面积陆域增加而实施填海造陆工程所使用的疏浚淤泥具有高含水量、大孔隙比、低强度、高压缩性、低渗透性和流变性等特点。由于淤泥在自重作用下完成固结需要几年甚至更长时间[1～2]，造成吹填软土形成的地基土，具有非常特殊的宏微观结构特性[3～4]，导致这种地基不能满足工程建设所要求的基本条件。为了使超软土地基在短时间内具有一定的强度以满足工程建设的需要，瑞典Kjellman教授首次提出了真空预压法。然而，工程实践表明，真空预压法在应用过程中排水板周围淤泥抱团现象非常严重，形成的淤堵泥层会极大地降低排水固结效果，增加施工周期并使得超软土地基出现强度不均匀现象(图1)。如在温州新近吹填淤泥真空预压处理过程中，排水板周围形成一个个10～20 cm的土柱[5]，土柱现象导致排水板周围土体强度很不均匀[6]。在室内真空预压试验过程中发现在非常短的时间内就形成了外包泥层[7]，从而导致了排水通道淤堵。因此，开展淤堵泥层的形成机理和预防方法研究对加快工程进度具有重要的指导意义。

图1 因淤堵泥层的形成而出现的局部突出现象Fig.1 The local extrude phenomenon due to the formation of siltation mud

在真空预压防淤堵措施方面，国内外很多学者进行了相关研究。Koerner等[8]研究了反复用水冲洗的方法来修复淤堵泥层，但是这种方法仅在初期起到短暂的促进排水效果，长期防淤堵效果并不显著；杭州西湖疏浚底泥的真空排水工程中，曾采用在底泥中埋设排水滤管，通过在滤管中反复抽吸气，以期冲洗淤堵滤层达到加快排水固结的效果，但是效果不明显[9]。室内试验方面，也有许多学者提出不同的方法，如透气真空快速泥水分离技术[10]、气压劈裂真空预压法[11～13]等。此外，周源等[14]提出在真空预压过程中滤层材料附近淤泥土体中的细颗粒会流失，粗颗粒富集并形成拱架结构，这种拱架结构能够达到防淤堵的目的。但是，这种拱架结构不能很好地解释在实际工程中所出现的淤堵泥层现象。

综上所述，已有研究多集中在针对淤堵泥层的破碎提出不同的方法，但是对排水板周围出现的淤堵泥层的形成机理和相关特性研究还很少涉及，对于淤堵泥层形成的预测模型更是鲜有提及。因此，本文采用了不同粒径组成的土样，通过施加不同真空荷载，进行了室内真空预压模型试验。深入研究排水板周围淤堵泥层的形成机理，分析粒径组成和真空荷载值对淤堵泥层形成的影响，得到淤堵泥层形成的预测模型，为提出切实可行的防淤堵和淤堵泥层破碎方案提供理论依据。

1 试验土体特性

已有研究表明，疏浚淤泥颗粒在吹填过程中的运移及分选呈现一定的区域分布特征，表现为淤泥颗粒粒径随吹填口的距离而逐级减小[15]。本试验采用的吹填淤泥取自天津市滨海新区某吹填造陆工程现场，属于典型的高含水率疏浚淤泥。为研究不同颗粒粒径组成对淤堵泥层的形成所造成的影响，试验中的土样取自距吹填口50 m，100 m和150 m的表层，对应的土样编号分别为T50，T100和T150。按照《土工试验规程》SL237-1999采用高频振动仪和密度计法分别进行了颗粒分析试验，试验结果如图2所示。

图2 试验土样颗分曲线Fig.2 Curves of the particle analysis of test soil sample

从图2中可以看出，3次取土的颗粒分析曲线近似平行，说明距离吹填口越远，相同粒径下对应的累积百分含量越高，如粒径为10 μm时距吹填口150 m土样的累积百分含量为86.18%，距吹填口100 m土样的累积百分含量为64.93%，距吹填口50 m土样的累积百分含量为53.32%。土样的液塑限采用液塑限联合测定仪按照《土工试验规程》SL237-1999进行测定，土样的基本物性参数见表1。

由表1可知，距离吹填口越近其粉粒(粒径5～75 μm)含量越多，黏粒(粒径小于5 μm)含量越少。土样T50，T100和T150塑性指数分别为16.9，18.9和34.6。

表1 土样基本物性参数Table 1 Basic physical parameters of soil sample

由于3批土样的天然含水率都远远大于液限值，且其天然孔隙比都大于1.5，所以，根据《建筑地基基础设计规范》GB 50007—2011中4.1.12关于对淤泥的定义：淤泥为在净水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，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批土样都属于淤泥。试验采用此3批淤泥土样进行不同真空压力作用下的排水固结试验，以研究不同真空度值和颗粒组成对淤堵泥层形成造成的影响。

2 试验设备与试验方案

2.1 试验土样与仪器设备

试验前预先制作干土样，使磨成的干土粉末都过0.075 mm标准筛。先称取一定质量的干土样粉末，并称取两倍质量的水倒入搅拌桶中，再缓慢放入先前称取的干土样搅拌均匀后浸泡过夜；然后将搅拌桶中的淤泥倒入模型箱中并用保鲜膜密封模型箱以防止水分蒸发。

根据现场实际工况进行了室内真空预压排水法固结试验设备的设计，设备装置和平面布置如图3、图4所示。试验设备包括真空控制系统、集水系统、量测系统和模型箱等。通过钢丝软管将各个设备连接起来，组成整套试验装置。

图3 室内模型试验装置示意图Fig.3 Skech map of the test device of laboratory model

图4 室内模型试验平面布置示意图Fig.4 Layout plan of the test device of laboratory model

装置中模型箱采用12 mm厚钢化玻璃制作而成，由于模型试验受到室内条件的限制，室内试验采用的水平截面积为0.7 m2，模型箱各边用金属架固定，经试验验证该模型箱在真空压力为80 kPa作用下侧面没有变形。现场采用的排水板宽度为100 mm，厚度为5 mm；排水板当量换算直径按如下公式确定：

(1)

式中：dp——排水板当量换算直径；b——排水板宽度；δ——排水板厚度。

根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2002，通过式(1)换算得到现场采用的排水板当量换算直径为66.85 mm；塑料排水板的间距按18倍的排水板当量换算直径选取，则4块排水板所排水的水平面积为1.44 m2，而模型试验用的模型箱水平截面积为0.7 m2，其模型箱中4条排水板的作用面积与现场实际的作用面积之比为0.5，即模型比为0.5，因此需将试验用排水板进行缩尺二分之一的改造，改造后的排水板宽度为50 mm，排水板间距为0.5 m。

本次试验是对现场施工过程的一种模拟，模型与实际尺寸的比例为0.5。模型箱的边界距离排水板10 cm，可以观察排水过程中土样的变化。排水板的渗流场等势线分布为一个个同心椭圆，模型箱的透明边界会对土样渗流场的等势线分布造成一定的影响，然而这种影响仅体现在排水板一侧的渗流场等势线较短，对其他侧面没有影响，因此边界效应问题可以忽略，同时，正因如此才可以通过透明边界观察真空预压过程中近排水板淤泥的变化。

2.2 试验步骤

将制备好的淤泥土样倒入试验槽中，其初始高度为51 cm，初始含水率均在200%左右；淤泥表层上铺无纺土工织布，在其上开口并插入改造后的排水板；将排水板与通气管和排水管进行连接，上铺密封膜，密封膜在试验槽边下插入淤泥内，并做密封泥层处理，以防止密封膜与试验槽边接触处漏气；用钢丝软管将排水管连接到水气分离罐上，并连接到真空泵上组成集水系统。

排水板连接有通气管，由通气阀门通入气流使真空度维持在一个稳定的值。通过真空表观测整个系统中的真空度；通过电子称显示排水板由真空压力排出水的质量。

2.3 试验方案

由于淤泥土样含水率高，孔隙比大，放置一段时间会出现一定的水土分离现象；水土分离现象会产生自重沉降。为确定试验所用3批土样自重沉降的变化规律，需进行自重固结试验(图5)。

图5 自重沉降试验Fig.5 The settlement test under dead-weight

测定预制淤泥土样的含水率、密度等参数再倒入自重沉降试验装置中并充分搅拌均匀后，进行泥面位置的测读和记录；通过读取泥面的位置换算得到淤泥中土颗粒的下沉量，通过对下沉量的分析得出土样的自重沉降规律。

本文主要考虑不同颗粒粒径组成的土样在不同真空压力作用下对淤堵泥层的形成造成的影响，以及淤堵泥层的形成机理和排水预测模型的建立。因此，采用固定真空压力值20 kPa，40 kPa和80 kPa来研究真空压力值对不同土样淤泥排水固结过程中淤堵泥层产生的影响，具体试验方案如表2所示。

表2 试验方案Table 2 Scheme of test

在整个试验过程中记录电子秤的读数，用以确定试验过程中的排水量，当排水量的日增长量小于0.1 kg时停止试验；拆除密封膜和无纺土工织布测定不同测点土样的含水率、密度等相关物性参数，以确定真空预压试验过程中淤堵泥层的影响因素及淤堵泥层的特性。

每组试验取用相同的测点，测点编号C1深度为0 cm，距离排水板为0 cm；测点编号C2深度为0 cm，距离排水板为20 cm；测点编号C3深度为20 cm，距离排水板为0 cm；测点编号C4深度为20 cm，距离排水板为20 cm。

3 试验结果与数据分析

3.1 试验结果分析

图6为不同吹填口间距土样的沉降量随时间的变化关系曲线。

图6 自重沉降与时间的关系曲线Fig.6 Curves of self-weight sedimentation with time

从图6中可以看出，试验中的土样经过静置一段时间之后均会出现不同程度的水土分离现象。由于T150土样黏粒含量较多，当初始含水率相同时T150土样的初始孔隙比最小，对比T50和T100土样其因自重产生的沉降量较小。通过自重固结试验得到48 h之内的自重沉降占总沉降的50%以上。为了尽量减小土样自重沉降对沉降时间关系曲线的影响，试验时将土样取回放入试验槽内先进行48 h的自重固结之后取出表层水，然后再进行排水板的插板和表层密封处理。用钢丝软管进行各试验设备的连接，此时打开真空泵并调节通气阀门使真空表维持在一个稳定的值，通过各测量装置检测各参数随时间的变化规律。

在真空压力作用下，淤泥中的自由水被收集到水气分离罐内，罐下的电子称记录了排水质量随时间的增加量。将不同吹填口间距的土样在相同真空压力作用下的排水量与时间关系曲线绘制成图7。其中T50-20指的是距离吹填口为50 m的淤泥土样在20 kPa真空压力作用下的排水量随时间的变化曲线。

图7 相同真空压力作用下排水量随时间变化曲线Fig.7 Curves of drainage amount with time under the same vacuum pressure value

由图7可以看出，真空预压排水固结过程存在明显的快速排水阶段、稳定排水阶段和缓慢排水3个阶段；在相同真空度作用下，吹填口的距离不同土样所表现出的最终排水量有所差异；T50的最终排水总量较小，只有20 kg左右，其固结程度较差；反之，T150的最终排水总量较大，大约有40 kg，其固结效果较好。

由图7还可以看出，黏粒含量较多的土样在真空压力作用下，虽孔隙通道半径较小，但形成的滤层结构性强，不易在真空压力作用下遭到破坏，因此其渗透系数不至过小，排水固结效果较好。

图8为相同吹填口间距的土样在不同真空压力作用下的排水量与时间关系曲线。从图8中可以看出，对比低真空度作用下，距吹填口距离相同即相同颗粒组成的土样在高真空度作用下排水总量较少，由于高真空压力作用下排水板外侧土体在非常短的时间内便形成了薄而密实的淤堵泥层，使得高真空度作用下淤泥土样的总体排水固结程度反而较差。因此，一味地追求提高真空度无法实现更好的排水固结效果。

从图8中还可以看出，无论是高真空度还是在低真空度作用下，在排水固结过程后期排水量的增加量较小，日增加量均在0.1 kg以内，可以认为此后的排水固结效果不良，即排水板周围形成了淤堵泥层。淤堵泥层在稳定排水阶段之前就已开始形成，在缓慢排水阶段前期淤堵泥层基本形成，淤堵泥层形成后排水量变化很少。所以，稳定排水阶段为淤堵泥层的形成期。淤堵泥层的形成会减缓淤泥质土样的排水固结速度，当淤堵泥层形成后土样几乎没有自由水的排出。

为了更好地分析土样颗粒组成和真空压力对淤堵泥层形成的影响，对试验完成后的淤堵泥层不同测点处的物性指标进行测定。表3和表4分别给出了不同位置处土样的含水率和孔隙比结果。

由表3和表4中数据可以看出，C2和C4处的含水率随真空压力的增加呈上升趋势，C1和C3处的含水率随着真空压力的增加呈降低趋势。但是，从图8中分析得到，低真空度作用下淤泥的排水总量反而比高真空压力作用下的大，说明低真空度作用下的总体排水固结效果更显著。因此，C1和C3处的含水率变化规律与图8得出的不同。究其原因，可解释为距排水板水平距离为零的淤泥直接承受排水板传来的真空压力，不存在真空压力的水平衰减问题，因此80 kPa作用下该处的排水固结效果一定比20 kPa作用下的明显，即距排水板水平距离较近的地方含水率呈现随着真空压力的增加含水率呈降低趋势是合理的。

由表3还可看出，距排水板20 cm处的含水率随着真空压力的增加明显变大，相同土样在20 kPa作用下距排水板20 cm处的含水率比80 kPa作用下低20%左右。这是由于80 kPa作用下土样更快地进入淤堵泥层形成阶段，淤泥土样的渗透路径更快地变短变窄，渗透系数下降明显。由于80 kPa作用下淤泥的渗透路径比低真空度作用下的淤泥渗透路径短，导致高真空度负压作用范围较小，最后形成的淤堵泥层比20 kPa作用下的厚度小但是密度更大，也更加密实。所以，低真空度作用下形成的淤堵泥层厚度大但是含水率和密实度低，高真空度作用下形成的淤堵泥层厚度小但是含水率和密实度高。

同时，由表3中可知，C2和C4测点的含水率在80 kPa作用下要比20 kPa作用下高20%～30%，C1和C3处的含水率在80 kPa作用下要比20 kPa作用下低6%左右。虽然高真空度作用下形成的淤堵泥层含水率低，但由于高真空荷载作用下淤堵泥层之外的含水率要比低真空荷载作用下高很多，这样就使得高真空荷载作用后的总体含水率明显高于低真空荷载作用下的土体，这与图7得出的结论相同。

图8 相同颗粒组成土体排水量随时间变化曲线Fig.8 Curves of drainage amount with time under the same soil particles

测点T50T100T15020kPa40kPa80kPa20kPa40kPa80kPa20kPa40kPa80kPaC1352134082945323131422887292327912718C3409135093451397535183447345632933307C252696389713350626232707476363396581C4568969118697574465187934532664568071

表4 不同测点的最终孔隙比Table 4 The finally void ratio of different measure points

土样孔隙比可以间接反映渗透路径的直径大小和长短。当孔隙比较大时，土样内部颗粒之间的渗透路径就较多且渗透路径宽而长，代表其渗透系数就较大；当孔隙比较小时，由于土颗粒相互挤密，土样内部颗粒之间的渗透路径就较少且渗透路径窄而短，说明其渗透系数较小。通过表4中不同位置处孔隙比的对比可以看出，C1和C3处孔隙比随着真空压力的增加而减小，C2和C4处孔隙比随着真空压力的增加而增大。在80 kPa作用下C1和C3处孔隙比值要比20 kPa作用下低0.4左右，C2和C4处孔隙比值在80 kPa作用下要比20 kPa作用下高出约0.4。这说明在颗粒组成相同的情况下，距排水板水平距离近的地方高真空度作用下渗透路径较窄，形成的淤堵泥层比低真空度作用下更密实，而距排水板水平距离较远的地方低真空度作用下渗透路径变窄较缓慢，该处真空压力虽有所衰减但仍可以进行一定的排水固结，相反高真空荷载并没有传递到水平方向较远的地方。因此，距排水板水平距离较远的土样在低真空度作用下形成的淤堵泥层相对高真空度作用下更密实，这与表3得出的结论相同。

真空预压法在施加真空荷载后会逐渐形成过滤层，随着时间的进行过滤层最终形成淤堵泥层，导致排水固结效率的降低。在研究淤堵泥层的含水率、孔隙比和渗透系数中已对淤堵泥层的产生机理进行了解释，为了进一步对淤堵泥层的特性、各宏观因素对淤堵泥层的影响及其微观形成机制进行研究，对真空预压试验后的淤堵泥层土样进行微观压汞试验研究。

微观压汞试验土样需采用完全干燥且结构性未受影响的土样，压汞试样的制备方法已在前文中阐述。利用Washburn方程得出不同汞压对应的孔隙半径，利用各级汞压作用下的累计进汞量求得各孔隙直径对应的体积百分含量就得到土样中的孔隙分布。将在不同真空压力作用下形成的淤堵泥层中相同颗粒组成，同一测点处土样的孔隙分布绘制于图9中。

图9 同一测点在不同真空压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

从图9中反映出土样中的孔隙主要分布在10～3 000 nm之间，其中20 kPa作用下土样孔隙主要分布在600～3 000 nm区域，占所有孔隙分布的64.12%。20 kPa真空荷载作用后土样中1 500 nm 孔隙最多，占总体的8.22%。40 kPa作用下土样孔隙主要分布在10～700 nm区域，占所有孔隙分布的90.03%。40 kPa真空荷载作用后土样中400 nm孔隙最多，占总体的4.99%。

对比不同真空荷载作用下土样的孔隙分布特征，发现真空压力越大，土样中的孔隙半径越小，且孔隙分布越向小孔隙发展。当真空压力较小时，土样中孔隙直径分布较广且分布比较均匀；当真空压力变大后土样中孔隙分布较窄且分布集中，但孔隙最大含量比低真空度下低。

在低真空度作用下，土样形成的淤堵泥层结构性不强，渗透系数较大，密度较小，含水率较大，因此孔隙比较大，土体中含有大量孔隙，形成的这种淤堵泥层虽然降低了排水固结效果，但仍可以进行真空负压的传递，随着时间的进行在该真空度作用下可加固的土体虽强度不高但范围较大。

在较高真空压力作用下，土样在较早的时间内就形成了具有一定结构性的滤层结构，且该滤层结构在靠近排水板部位的渗透系数较小，密度较大，含水率较低，因此该部分的孔隙比很小，土体中的孔隙分布较少，在高真空压力作用下虽然前期排水固结效果较好，但形成的这种淤堵泥层厚度较小且较密实，因此真空负压欲透过该滤层传递到更远的淤泥土体就比较困难，随着时间的进行该真空压力作用下土体的加固范围较小但强度较高。这与前文中排水量与真空压力关系的分析相一致。

为了在微观上研究不同颗粒组成对淤泥土样淤堵泥层的形成产生的影响，本文将同一测点不同颗粒组成的土样在相同真空压力作用下的孔隙分布绘制成图10。图中3批土样均在40 kPa真空压力作用后取相同位置的试样进行了压汞试验。

图10 不同颗粒组成土样在相同真空压力 作用下的孔隙分布特征Fig.10 Distribution of pores of different soil particles under the same vacuum pressure

从图10中可以看出，T50土样真空预压后孔隙直径分布主要集中在100～700 nm范围内，占孔隙总体的90.03%，其中孔隙直径为400 nm的含量最多，为4.99%；T100土样真空预压后孔隙分布比较均匀，主要分布在2个区域，20～1 900 nm和14 000～40 000 nm范围内，分别占孔隙总体的55.67%和18.8%，其中孔隙直径为1 000 nm的含量最多，为2.24%；T150土样真空预压后孔隙直径分布主要集中在10～160 nm范围内，占孔隙总体的90.56%，其中孔隙直径为100 nm的含量最多，为11.05%。

通过对以上数据进行对比分析，可以看出土样的黏粒含量越多，其真空预压后的最终孔隙直径越小且集中程度较高。黏粒含量小的土样含有的大颗粒比较多，易形成土体骨架，大颗粒形成的排水通道会比细颗粒的直径大，所以黏粒含量小的土样真空预压过程中发生的土颗粒流失现象比较严重，从而最终形成的淤堵泥层的孔隙比较大，孔隙直径也较大。相反，黏粒含量较多的土样土颗粒在受到真空压力作用后的流失量比较小，同时由于黏粒直径较小，其最终形成的排水通道直径小，所以形成的淤堵泥层中的孔隙也小。综上所述，黏粒含量较多的土样真空预压后形成的淤堵泥层比较密实，黏粒含量少的土样形成的淤堵泥层比较松散。

3.2 淤堵泥层形成机理分析

淤堵泥层的形成将对真空预压排水固结的效果产生不利的影响，真空预压排水固结的过程伴随着淤堵泥层的形成过程。在真空预压过程中，重力水在真空吸力作用下排出吹填土体的同时，大量黏粒会随水流迁移至排水板周围[16]。土中细颗粒随渗透力的作用朝排水板方向聚集，部分极细颗粒将通过滤膜进入芯板并随水流被排出，但大部分细颗粒仍是粘附于排水板周围[6]。

进行真空预压排水固结之前，淤泥土样的土颗粒之间存在着大量的自由水，这些自由水会使得土中部分颗粒处于悬浮状态，这时土颗粒之间的有效应力几乎为零。抽真空之前，由于土样中天然含水率较大，土体中的孔隙水压力大于零且沿深度是递增的。试验过程中，当真空压力被维持在一定值时，排水板内部通道的真空负压力与土体内部的孔隙水压力形成了较大的压力差，为了使密封膜下的真空度保持平衡，土体颗粒间的自由水由真空压力差的作用会移动到排水板内。

真空压力的作用初期，真空压力产生的吸力主要由自由水承担，随着自重固结作用和真空预压排水固结的进行，淤泥中的自由水会不断地排出土体，处于悬浮状态的土颗粒将随着自由水的渗流而发生移动，土颗粒间将相互接触进而产生有效应力，且土颗粒之间的有效应力会随着自由水的不断排出而逐渐变大。

在此期间，土颗粒之间形成渗透路径且随着时间的推移其直径会变窄，之后土体中较小土颗粒在渗透路径中随着水流迁移，当迁移的土颗粒遇到小于自身粒径的渗透路径直径时，迁移的颗粒会卡在较小的渗透路径处而停止迁移。随着越来越多的土颗粒停止迁移，渗透路径就会变得越来越短，其直径也会随着真空压力的作用而越来越窄，并最终完全堵塞所有的渗透路径形成淤堵泥层。这一过程也解释了淤堵泥层距离排水板越近密实度越高的现象。

真空压力作用后期，由于排水板附近淤堵泥层的形成，淤泥内部排水路径受到阻隔，淤泥土样中土颗粒基本不再发生运移，除淤堵泥层之外的土颗粒呈均匀的分布。

真空预压法的土体固结程度在很大程度上取决于排水量的多少。真空压力作用下淤泥土体颗粒形成的孔隙通道为自由水的排出提供了路径，孔隙通道的多少和直径大小(即渗透路径的长短和直径大小)决定了排水的速率。但是由于淤堵泥层的产生，真空预压法的排水量受到了很大的影响，使得距离排水板较远的土体加固效果不明显。

3.3 预测模型

针对吹填土体特有的工程特性，杨爱武等[17]对吹填软土的经验流变预测模型进行了一系列研究。基于此，本文对吹填土体真空预压过程中淤堵泥层形成进行了模型预测研究。

淤堵泥层的形成期进行研究可以确定排水板排水固结失效的时间，以淤堵泥层形成时间为根据确定采取相关的淤堵泥层破碎措施的时间，对提高吹填土最终的排水固结效果有重要的指导意义，因此建立排水量与时间的关系就显得尤为重要。将排水量时程关系曲线的时间取对数后作为横坐标，排水量为纵坐标，发现取时间对数后的排水时程关系曲线具有较好的指数关系(图11)，图11中拟合公式的y为排水量，x为时间对数值x=lgt。

图11 排水量时间对数拟合曲线Fig.11 The fitting curves of drainage amount with logarithmic time

从图11中可以看出，各排水量时间对数关系曲线的快速排水阶段和稳定排水阶段都存在明显的转折点，参考1936年Casagrande[18]提出的用作图法确定主、次固结分界时间的方法，本文通过确定快速排水阶段和稳定排水阶段的时间分界点，并将此时间点作为淤堵泥层形成期的开始点。从图11中得出的淤堵泥层开始形成的时间为1 000～3 135 min。将取时间对数后的排水时程关系曲线进行指数拟合，得到的排水量时程关系曲线的预测方程为：

(2)

式中：M——排水量/kg；t——时间/min；α，β——与淤泥性质及真空压力有关的系数。

通过试验确定，α值范围为0.04～0.42，β值范围为0.97～1.5。应用式(2)可以在进行真空预压处理前，通过作图法判定淤堵泥层形成的时间，在这一时间段后开始采取淤堵泥层破碎措施。

采用式(2)做出的预测图形，进行快速排水阶段和稳定排水阶段时间分界点即淤堵泥层形成期的开始点的求取，得出淤堵泥层开始形成期的时间段在1 950～2 900 min之间，由试验曲线得出的淤堵泥层形成期为1 000～3 135 min，因此预测方程能较为准确地预测淤堵泥层的形成期。

利用真空预压排水量预测模型可以推测淤泥平均含水率随时间的变化情况。试验土样的初始含水率在200%左右，模型箱中的干土样总量为M0，定义初始含水率ωo为200%，则模型箱中土样的平均含水率ω与真空预压过程中由排水板排出的水量M之间的关系为：

(3)

将式(2)代入式(3)中得到土样平均含水率与时间的关系：

(4)

(5)

根据式(5)可以由土样距吹填口间距和真空压力值的大小推测出土样中平均含水率随时间的变化，由淤泥土样含水率的降低值可以评估真空预压法对淤泥地基的处理效果。

本次试验所使用的吹填淤泥是天津沿海地区，得出的预测方程对该地区利用真空预压法进行地基前期中判断淤堵泥层形成时间并何时进行防淤堵措施有一定的指导意义，对其他沿海地区的吹填土地基处理还需进一步的试验验证。本文中对各排水量时间对数关系进行指数拟合时发现，各拟合曲线对排水量时间对数关系的快速排水阶段和稳定排水阶段的拟合度较高，对缓慢排水阶段的拟合度较差，因此本文得出的预测模型只能针对淤泥地基处理的前中期的排水量进行有效预测，对后期排水量的预测需要进一步的研究分析。

4 结论

(1)在相同真空度作用下，黏粒含量较高的淤泥土样因滤层结构稳定，总体排水固结效果较好；高真空度作用下因淤泥土样较快形成薄而密实的淤堵泥层，导致总体排水固结效果反而较差。因此，一味追求提高真空度不能达到更好地排水固结效果。

(2)吹填淤泥真空预压法形成的淤堵泥层在微观上与渗透路径的长度和直径有关；渗透路径中迁移的小颗粒会卡在较窄的渗透路径处而停止迁移，导致渗透路径变短；最终渗透路径将完全堵塞而形成淤堵泥层。当真空度较低时，渗透路径宽而长，形成的淤堵泥层厚度大但含水率和密实度低；当真空度较高时，渗透路径窄而短，形成的淤堵泥层厚度小但含水率和密实度高。

(3)高真空度作用下，土样中淤堵泥层处的孔隙直径较小且分布集中；低真空度作用下土样中淤堵泥层处的孔隙直径分布广且分布较均匀；土样的黏粒含量越多，其真空预压后的最终孔隙直径越小且集中程度较高。

(4)建立了淤泥地基处理过程中排水量和含水率的预测方程，能较为准确地预测淤堵泥层的形成期，建议根据预测的淤堵泥层形成时间来采取相应的防淤堵措施。

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责任编辑：张明霞

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

国家自然科学基金项目资助(51378344)；天津市应用基础与前沿技术研究计划项目资助(14JCYBJC21700)；天津市科技兴海项目资助(KJXH2013-15)

刘景锦(1988-)，女，博士研究生，主要从事岩土工程科研工作。E-mail:liujingjinljj@163.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.10

TU411.5

A

1000-3665(2017)03-0061-11